4 CONVERTITORI DI FREQUENZA NELLE CENTRALI DI REFRIGERAZIONE SILVIO

Per ottenere il corretto funzionamento del compressore nelle macchine per refrigerazione con portata variabile è necessario mantenere costanti i valori della pressione in aspirazione e in mandata

Convertitori di frequenza nelle centrali di refrigerazione

Silvio Della Casa, Alessandro Pueroni – ABB Sace

Per poter gestire in maniera corretta ed efficiente il funzionamento di un ciclo frigorifero è necessario mantenere costanti i valori della pressione in aspirazione e in mandata indipendentemente da quelle che sono le condizioni di carico negli impianti. Se un refrigeratore è dimensionato per più utenze, caso tipico, per esempio, delle applicazioni nel settore alimentare dove sono normalmente presenti più celle frigorifere che fanno capo alla centrale, si pone il problema di mantenere costante la pressione in aspirazione indipendentemente dal numero di celle che richiedono contemporaneamente l’abbassamento della propria temperatura.

È noto che il metodo tradizionale per risolvere questo problema consiste nell’utilizzo di una regolazione meccanica a slide sui compressori a vite o by-pass sui compressori a pistone. Questo metodo produce pessimi rendimenti del ciclo nel suo complesso a causa degli elevati assorbimenti d’energia necessari comunque al compressore; basti pensare che con una riduzione della portata al 66% l’energia assorbita rimane al 90% circa rispetto al funzionamento con portata al 100%, mentre con una portata ridotta al 33% l’energia è comunque al 78% rispetto al pieno regime di funzionamento.

Per superare queste limitazioni la società Keyfrost di San Donà di Piave, produttrice di centrali di refrigerazione su specifiche dell’utente finale destinate agli utilizzi commerciali, industriali e professionali, ha scelto di applicare alle proprie macchine i convertitori di frequenza ACH550 forniti da ABB Sace, appositamente creati per le applicazioni nel settore HVAC&R.

I vantaggi della regolazione di frequenza

Le due variabili fondamentali del ciclo frigorifero, i valori della pressione in aspirazione e in mandata, vengono efficacemente controllate grazie all’utilizzo dei convertitori di frequenza. In particolare la pressione di mandata è mantenuta costante al variare del carico e delle condizioni ambientali controllando la portata dell’aria di condensazione, mentre la pressione di aspirazione, che è funzione del numero di utenze frigorifere che si connettono, è mantenuta costante gestendo direttamente la portata del compressore.

La scelta del controllo di condensazione mediante convertitori di frequenza, anziché attraverso il tradizionale taglio di fase, permette non solo di avere un’ottimizzazione della rumorosità dei ventilatori assiali e la possibilità di operare a portate inferiori, ma soprattutto genera un risparmio energetico tale da consentire l’ammortamento dei costi del convertitore stesso entro un anno.

In figura 1 si possono confrontare le curve di assorbimento di un gruppo di condensazione da 5,5 kW controllato da convertitore di frequenza anziché a taglio di fase; sono evidenti i risparmi energetici che si ottengono al variare della portata del gruppo.

La scelta del controllo della pressione di aspirazione direttamente tramite regolazione della portata del compressore, è sicuramente una scelta progettuale innovativa e soprattutto efficace.

In tabella 1 si evidenzia il confronto, e quindi il sensibile risparmio energetico, tra i dati di assorbimento già citati per la soluzione tradizionale con by-pass e i dati rilevati sperimentalmente sul campo che indicano gli assorbimenti ridotti ottenibili applicando i convertitori di frequenza.

Con questa soluzione, non soltanto si potuto operare in riduzione della portata ma si è potuto ampliare il range di regolazione del compressore al di sopra della sua velocità nominale. In particolare si è potuto lavorare con compressori a pistone fino a 60 Hz e con compressori a vite fino a 75 Hz. Questo ha permesso di soddisfare eventuali carichi di picco senza sovradimensionare inutilmente il compressore stesso.

Due fasi nello sviluppo del progetto sono state sicuramente impegnative: quella che ha condotto all’individuazione di compressori che non avessero limiti meccanici (vibrazioni, necessità di lubrificazione) tali da ostacolarne il funzionamento nei range sopra definiti e quella che ha permesso di dimensionare il convertitore di frequenza per operare al di sopra dei 50 Hz.

La soluzione innovativa sviluppata da Keyfrost offre anche altri vantaggi che contribuiscono a migliorare la gestione degli impianti. Nello specifico permette un controllo attivo dei parametri elettrici, in particolare del valore della corrente assorbita dal compressore: se tale valore cresce oltre una determinata soglia, per esempio perché gli scambiatori di calore sono sporchi, il convertitore di frequenza regola il numero di giri del compressore facendolo funzionare a bassa potenza e riducendo, di conseguenza, la portata per salvaguardare un funzionamento “minimale” dell’impianto, alla massima velocità consentita rispetto al valore impostato della corrente. In questi casi il convertitore di frequenza dà anche una segnalazione della situazione per evidenziare, ad esempio, la necessità di manutenzione al radiatore.

Anche il cablaggio è stato ottimizzato. Al posto del tradizionale cablaggio mediante ingressi/uscite digitali ed analogiche, si è scelto il dialogo diretto in Modbus. Questo ha ridotto i tempi di cablaggio a solo 15 minuti e praticamente annullato le possibilità di errore. Grazie al bus di campo è stato poi possibile mettere a disposizione del regolatore tutti i set di parametri elettrici della macchina, permettendo così di ottimizzare ulteriormente la regolazione. Il controllo PID è stato delegato al convertitore di frequenza in modo da non dover incrementare il numero di punti del regolatore.

Le motivazioni di una scelta

I convertitori di frequenza ACH550 di ABB sono stati sviluppati tenendo conto delle peculiarità impiantistiche presenti nel settore HVAC, profondamente diverse da quelle dei consueti scenari industriali in cui vengono generalmente utilizzati questi tipi di azionamenti. Questa opportunità di potere disporre di un dispositivo “tagliato su misura” per le specifiche esigenze dell’applicazione ha indirizzato la scelta dei tecnici della Keyfrost verso il prodotto, dal cui utilizzo si sono poi riscontrati i diversi vantaggi che si possono sintetizzare come segue.

La struttura di questi convertitori, ben dimensionata e curata nei dettagli, favorisce un’efficiente dissipazione termica, permettendo anche sovraccarichi sugli IGBT senza necessità di sovradimensionamenti. Gli ACH550 possono funzionare da -15°C a +40°C continuativi e fino a +50°C con il declassamento massimo del 10%, garantendo le stesse prestazioni sia sulle unità con grado di protezione IP21 che su quelle IP54. Una buona campionatura effettuabile sugli ingressi analogici e la comodità di tre uscite a relé, utili per segnalare specifici stati relativi al convertitore o all’impianto (per esempio il già citato superamento della soglia di corrente), accrescono la flessibilità applicativa dell’apparecchio.

Per quanto concerne le possibilità di comunicazione, questi convertitori sono predisposti per dialogare attraverso i più comuni bus di campo utilizzati nel settore HVAC&R: sono presenti come standard a bordo dell’apparecchio i protocolli Modbus, BACnet, Johnson Controls N2 e Landis & Staefa FLN, mentre altri protocolli sono disponibili tramite moduli opzionali plug-in (LonWorks, Profibus, DeviceNet e Tend). Nell’applicazione specifica, la Keyfrost ha utilizzato, prima nel settore per questa tipologia di macchine, il dialogo Modbus, mentre l’attacco Ethernet per il pannello di controllo ne permette il montaggio separato dal convertitore, per esempio a fronte quadro.

Un’altra importante caratteristica è l’integrazione nell’apparecchio dei filtri EMC e delle reattanze a saturazione variabile in ingresso per ridurre efficacemente il contenuto di armoniche. Da ultimo si è rivelata di notevole interesse per l’applicazione la significativa immunità del convertitore rispetto alle brevi interruzioni dell’alimentazione elettrica di rete: l’apparecchio è in grado, infatti, di sfruttare l’inerzia del carico come generatore per mantenere alimentata l’elettronica interna.

Si ringrazia l’ing. Sandro Secchi della Keyfrost di San Donà di Piave per la collaborazione fornita

4 CONVERTITORI DI FREQUENZA NELLE CENTRALI DI REFRIGERAZIONE SILVIO

Figura 1

Portata nel compressore	Energia assorbita
Portata nel compressore	Convertitore di frequenza	By-pass
100%	100%	100%
66%	66% circa	90% circa
33%	33% circa	78% circa

Tabella 1

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