GLI INVERTER IN REFRIGERAZIONE E CONDIZIONAMENTO

Gli inverter in refrigerazione e condizionamento (descrizione usi) 

In commercio oggi troviamo prevalentemente il motore asincrono trifase, un tipo di motore molto semplice, robusto ed economico. (Ringraziamo il genio di Tesla)
Questo motore negli anni ha guadagnato un mercato sempre maggiore, occupando, grazie all’elettronica di controllo, anche settori che un tempo erano ad uso esclusivo dei motori in corrente continua.
Sul mercato sono reperibili numerosissimi modelli, e la gamma di potenza spazia da poche centinaia di watt fino a motori che superano i 600 kW.
Tuttavia, come si vedrà più avanti, questi motori quando collegati direttamente alla rete hanno il difetto di girare a velocità praticamente costante. L’inverter è un dispositivo nato proprio per risolvere questo problema, ma prima analizziamo la conformazione dello statore per vedere come da esso dipenda la velocità di un motore trifase. In questa descrizione parleremo solo dei  motori asincroni con rotore in cortocircuito (a gabbia di scoiattolo), e non i motori a rotore avvolto, ai quali l’applicazione con inverter praticamente non ha senso.


Alcune precisazioni sulla e velocità di rotazione.
Lo statore di un motore elettrico trifase è la parte fissa nella quale sono inseriti i tre avvolgimenti primari, e ad essi viene applicata la tensione di alimentazione. All’interno dello statore si trova il rotore, che trascinato dal campo magnetico degli avvolgimenti statorici si pone in rotazione. Dato che l’alimentazione è in corrente alternata, e che gli avvolgimenti sono montati sfalsati di 120°, il campo magnetico risultante è un Campo Magnetico Rotante, che gira ad una velocità direttamente in proporzione alla frequenza della tensione di alimentazione. In pratica applicando una tensione a 50Hz esso compie 50 giri al secondo, ossia 3000 giri
al minuto.

La tecnologia costruttiva dei motori elettrici permette comunque di costruire motori con più “terne” di avvolgimenti statorici, cosicché ognuna delle quali forma la cosiddetta Coppia Polare, (o anche due poli).


Quando lo statore viene costruito con più di una coppia polare il Campo Magnetico Rotante non gira più a 3000 Giri, ma a velocità inferiori, vista la presenza di altri poli magnetici che permettono al rotore di percorrere meno spazio prima di trovare il polo che lo attrae”.
Da ciò deriva che sono realizzabili motori con diverse velocità, che a 50 Hz significa :

Tipicamente i costruttori hanno a catalogo motori a 2,4,6,8 poli, mentre per modelli con un numero di poli superiore è necessario richiederne la costruzione su misura. Ricapitolando quindi, nello statore si trovano i due “fattori” che influiscono nella velocità di rotazione di un motore , e cioè :
• la frequenza della tensione di alimentazione;
• le coppie polari, ossia il numero di “terne” di avvolgimenti che costituiscono lo statore.
Dato che non è possibile modificare le coppie polari, si deduce che per regolare la velocità di un motore trifase è necessario variare la frequenza con cui lo si alimenta.


Giri 
Come già visto in motore trifase il rotore è mantenuto in rotazione dal campo magnetico rotante prodotto dalle correnti che circolano negli avvolgimenti trifasi dello statore.
La velocità del campo magnetico rotante è calcolabile con la seguente formula :

ns =         120 * f
                   2 p
Dove :
n s = Numero di Giri al Minuto (del campo di statore)
f = frequenza di alimentazione
2p= Numero di poli che costituiscono il motore

Visto che le coppie polari sono un fattore costruttivo, l’unico parametro elettrico che può influire sulla velocità del motore è appunto la frequenza.
Detto questo sembrerebbe risolto il problema di come regolare la velocità di un motore elettrico.
Basta un dispositivo che alimenti un motore con corrente alternata a frequenza variabile a seconda delle esigenze dell’utente, e questo dispositivo è proprio l’inverter.


Tra l’altro alla luce della formula indicata, nulla toglie alla possibilità di alimentare i motore con una frequenza superiore a quella di targa, per fargli così raggiungere delle velocità più elevate.
Purtroppo però, come si vedrà a breve, ci sono altri parametri elettrici da controllare per mantenere il funzionamento del motore entro le caratteristiche progettuali. In particolare la frequenza incide notevolmente sulle reattanze e sul flusso magnetico per cui è necessario ricorrere ad alcuni accorgimenti per garantire al motore le prestazioni meccaniche” nominali.
In pratica, senza addentrarsi in formule specifiche, se si varia la frequenza con cui si alimenta il motore al fine di modificare la velocità si avrebbe come conseguenza :
• Per valori inferiori a 50 Hz - un aumento del flusso magnetico,
• Per valori superiori a 50 Hz - una diminuzione del flusso magnetico.
Come già detto, invece, per conservare inalterate le caratteristiche meccaniche del motore, è necessario garantire che il flusso magnetico rimanga più vicino possibile al valore stabilito dal costruttore.
L’unica variabile che può essere usata per risolvere il problema è la tensione, e quindi per concludere quindi il motore trifase può essere controllato in frequenza a patto che il rapporto V / f venga mantenuto il più costante possibile, in modo da assicurare che nel motore il flusso magnetico si mantenga nei valori stabiliti dal costruttore.


Inverter a Frequenza Variabile
L’inverter a frequenza variabile serve per regolare la velocità dei motori trifasi.
La velocità di rotazione del motore è strettamente connessa con la frequenza della tensione con cui lo si alimenta. Nell’inverter la tensione alternata della rete (trifase o monofase) viene raddrizzata in corrente continua e quindi viene riconvertita in corrente alternata trifase a frequenza variabile per alimentare il motore.


Il valore della frequenza in uscita può quindi essere scelto a piacere dall’utilizzatore a seconda della velocità di funzionamento che si vuole far raggiungere al motore.
Sul mercato sono disponibili taglie che vanno da potenze minime di 500W fino a oltre 500 kW con la tensione industriale di 400V (Bassa Tensione), ed addirittura a 10 MW con gli inverter a 6000V (in media tensione).
In linea generale un inverter potrebbe essere utilizzato sia per motori sincroni che per motori asincroni, ma in questa trattazione ci occuperemo solamente del motore asincrono in bassa tensione.

Vantaggi Economici 
Un breve esempio può far capire il vantaggio che comporta l’uso di un inverter.
Negli impianti idraulici, il modo più semplice per diminuire o regolare una portata è quello di agire su di una valvola, introducendo in pratica una strozzatura sul percorso del fluido.
Per contro, il motore elettrico che aziona la pompa o il ventilatore , continua ad assorbire la stessa potenza di prima, anzi c’è anche la possibilità che assorba qualcosina di più. Si rischiano inoltre fenomeni come la cavitazione della girante, oppure sibili ed altri rumori fastidiosi (ad esempio nelle canalizzazioni dell’aria condizionata). Azionando invece il motore della pompa o del ventilatore con una velocità proporzionata
a quanto necessita l’impianto, si avrà un consumo elettrico proporzionato al lavoro
richiesto. E’ vero che l’inverter introduce delle perdite per circa un 4%, ma questo svantaggio viene
tipicamente ammortizzato dal minor consumo in un tempo molto breve, soprattutto negli impianti con molte ore di funzionamento annuo.

Convenie l'uso dell’inverter nei gruppi frigoriferi e di condizionamento?
Si direbbe di si, visto come viene pubblicizzato da chi lo vende. Sembra la soluzione ottimale che permette di avere alta efficienza energetica e regolazione pressoché perfetta in ogni condizione.
In parte ciò è vero, anche se la realtà appare molto più complessa e riserva sorprese, non sempre piacevoli.
Per prima cosa, bisogna capire chi lo usa. Nel condizionamento dell’aria l’inverter viene attualmente utilizzato:
- nei gruppi frigoriferi con turbocompressore centrifugo;
- nelle macchine ad espansione diretta (split-system e Vrf ) con compressori volumetrici, rotativi o scroll.
Tra compressori centrifughi e compressori volumetrici c’è una differenza abissale nel comportamento perché lavorano secondo principi diversi.

L’inverter è un dispositivo elettronico atto a generare una corrente alternata a partire da una corrente continua; talvolta viene anche detto “convertitore statico di frequenza”.In linea di massima si individuano due tipi di inverter : a frequenza costante ed a frequenza variabile.(noi ci concentreremo su quelli a frequenza variabile)



Differenze tra vari compressori.
I compressori scroll, vite e rotativi a palette, sono macchine volumetriche, mentre i compressori centrifughi sono turbomacchine. Il principio di funzionamento è totalmente diverso.
Nei compressori volumetrici la pressione aumenta perché si riduce il volume della camera di compressione tra ingresso ed uscita del refrigerante.
Nei turbocompressori non vi è riduzione del volume della camera di compressione, ma una variazione dinamica della direzione e della velocità del flusso di refrigerante. In particolare, la variazione di pressione avviene perché varia il momento della quantità di moto del refrigerante. Una prima sostanziale differenza nel comportamento è data dalla variazione del salto di pressione (o prevalenza) al variare del numero
di giri. Mentre nei compressori volumetrici il salto di pressione ottenibile è sostanzialmente indipendente dalla velocità di rotazione, nelle turbomacchine il salto di pressione si riduce con il quadrato del numero
di giri. Di conseguenza, mentre nei compressori volumetrici il numero dei giri può essere ridotto a prescindere dal salto di pressione richiesto, nei turbocompressori la riduzione è possibile solamente
se vi è una contemporanea riduzione del salto di pressione.  La portata di refrigerante, invece, varia linearmente con il numero di giri per entrambe le tipologie di compressore.

Compressori volumetrici (Variazione dei giri)
Detta così parrebbe estremamente vantaggioso l’uso dell’inverter nei compressori volumetrici, proprio per le loro caratteristiche di funzionamento. Poter ridurre a piacimento il numero dei giri, quindi la portata di refrigerante, qualsiasi sia il salto di pressione richiesto, consente una regolazione della potenza estremamente

precisa. Il rendimento di regolazione è molto elevato, perché la riduzione di portata volumetrica comporta una diminuzione della pressione di condensazione, un aumento della pressione di evaporazione. Ciò sarebbe completamente vero solo se la variazione del numero di giri non influenzasse il rendimento del compressore. In realtà, il rendimento dei compressori volumetrici è molto influenzato dalla variazione del numero di giri. In particolare:
- all’aumentare del numero di giri, aumenta la portata di refrigerante, per cui aumentano le perdite dovute al passaggio del refrigerante stesso negli orifizi di aspirazione e di scarico. Aumentano anche gli attriti dovuti alla maggiore velocità di rotazione.
- Al diminuire del numero di giri, diminuiscono le perdite per il passaggio del refrigerante e per attrito. Tuttavia peggiora la tenuta tra aspirazione e mandata, che nelle macchine volumetriche è sempre legata, anche se in modi diversi, alla velocità di rotazione.



Aumentano, quindi, le perdite per trafilamento tra mandata, a pressione maggiore, e aspirazione, a pressione minore. Questo aumento delle perdite fa peggiorare il rendimento al ridursi del numero di giri, in modo drastico per velocità ridotte. In ogni caso non si può far funzionare un compressore a meno di 30 Hz per ragioni legate sia alla tenuta che alla lubrificazione. E’ allora interessante calcolare come si modifichi il rendimento di un compressore volumetrico al variare sia della temperatura di condensazione che della frequenza della corrente di alimentazione (quindi del numero di giri: la velocità di rotazione varia linearmente
con la frequenza).
Ancora più interessante è valutare come vari il rendimento in funzione del rapporto di compressione, inteso come rapporto tra la pressione assoluta di mandata e la pressione assoluta di aspirazione.
Più alto è il salto di pressione richiesto, più alto è anche il rapporto di compressione.


Inverter in refrigerazione
Per prima cosa bisogna verificare quale sia la variazione di resa del compressore e quindi del gruppo frigorifero al variare del numero di giri. Al ridursi della velocità di rotazione, diminuisce la temperatura di
condensazione e aumenta leggermente la temperatura di evaporazione. Di conseguenza la potenza fornita dal compressore diminuisce in modo minore rispetto alla riduzione di velocità.  In funzione della temperatura dell’aria esterna, la riduzione della frequenza deve sempre essere superiore alla riduzione di potenza richiesta. Ad esempio, a 35°C, se il 100% di potenza viene fornito a 90 Hz, il 60% della potenza si ottiene a 48 Hz, anziché a 54 Hz come sarebbe se la riduzione fosse assolutamente lineare.
A 20°C dell’aria esterna il 100% di potenza si ottiene a 73 Hz (quindi con una riduzione del 19% dei giri), mentre per ottenere il 60% della potenza la frequenza deve scendere a 43 Hz. Di conseguenza la riduzione di potenza avviene ad alta efficienza (ovvero con alimentazione superiore a 45 Hz) solamente per percentuali superiori al 54% e al 63% della potenza, a seconda della temperatura dell’aria.
Per potenze inferiori il rendimento di parzializzazione scende drasticamente, rendendo poco conveniente l’utilizzo dell’inverter. In ogni caso non è possibile parzializzare oltre il 38% in qualunque condizione. Oltre questa soglia il compressore deve lavorare Onoff.



Inverter su monocompressore.
Nel caso di piccoli gruppi frigoriferi monocompressore l’uso dell’inverter permette una efficace regolazione della temperatura in uscita, altrimenti impossibile con la regolazione on-off. Per questo motivo ha senso sfruttare il più possibile la riduzione di potenza frigorifera (riduzione fino a 30 Hz) anche a costo di penalizzare il rendimento in parzializzazione. A 30 Hz il rendimento varia dal 75% con bassi rapporti di compressione, per scendere quasi al 50% per rapporti di compressione pari a 6,5. Di conseguenza, la parzializzazione tramite inverter ha un rendimento
sufficientemente elevato fino a che si regola tra 90 Hz e 45 - 40 Hz, ma peggiora nettamente per frequenze inferiori. Tanto per dare dei punti di raffronto, un compressore a vite con cassetto ha
un rendimento in parzializzazione pari a 0,92 al 75% della portata di refrigerante di e dello 0,8 al 50% della portata di refrigerante. Questi valori sono abbastanza simili a quelli ottenibili con l’inverter
fino a circa 40 Hz, ma diventano nettamente inferiori per frequenze minori. Questi risultati sono molto importanti, perché fanno intuire che l’inverter può portare a buoni risultati nel caso di gruppi frigoriferi
funzionanti in solo freddo (rapporto di compressione inferiore a 4), mentre più dubbia è la loro applicazione nelle pompe di calore in regime invernale (rapporto di compressione prossimo a 6).






Inverter su multicompressori.
I gruppi frigoriferi con più compressori si comportano in modo diverso a secondo del tipo di compressore adottato. I gruppi frigoriferi con compressori scroll montati gemellati (due o più su ogni singolo circuito) sono i più efficienti in assoluto. Per macchine di questo tipo non è assolutamente conveniente utilizzare l’inverter in tutti i compressori, perché aumenterebbe il loro costo e diminuirebbe l’efficienza totale, a causa del basso rendimento in parzializzazione al variare del numero di giri. Molto meglio utilizzare un unico compressore con inverter per ogni singolo circuito, mettendolo in parallelo con altri privi d’inverter. Questo compressore non deve mai lavorare al di sotto della frequenza di 45 Hz per limitare al massimo l’inefficienza del sistema.
La regolazione deve avvenire riducendo prima il numero di giri del compressore con inverter, fino a 45 Hz. Al di sotto di questa soglia, si disattiva uno degli altri compressori del circuito, mentre il compressore
con inverter torna a funzionare alla frequenza richiesta dal carico frigorifero.Con i compressori a vite l’utilizzo dell’inverter permette un miglioramento dell’efficienza solamente se si limita la riduzione della frequenza
a 45 Hz. L’utilizzo dell’inverter nei gruppi frigoriferi è sicuramente una strada da seguire, specialmente nel caso di macchine di piccola potenza con un unico compressore e più utenze. I vantaggi sono legati ad un migliore controllo della temperatura e ad una maggiore efficienza energetica. Nelle pompe di calore in regime invernale l’inverter porta ad un peggioramento delle prestazioni energetiche, a causa della diminuzione del rendimento del compressore ad alti rapporti di compressione e bassi numero di giri. In questa particolare condizione sembra migliore il sistema di parzializzazione alternativa con separazione ciclica delle spirali dello scroll, utilizzata nel Digital scroll di cui abbiamo parlato in un post precedente.


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