Avviatore statico (Soft Starter) o inverter (VFD) per pompe dell’acqua: quale scegliere?

Per una pompa dell’acqua, un avviatore statico (soft starter) è progettato per applicazioni che funzionano a piena velocità fissa una volta avviate e necessitano di una minore corrente di spunto o di transizioni meccaniche e idrauliche più graduali durante l’avviamento e, sui modelli opportunamente equipaggiati, durante l’arresto. Un azionamento a frequenza variabile (VFD o inverter) è pensato per gli impianti in cui si desidera anche regolare la portata o la pressione modificando la velocità del motore durante il funzionamento.

Questa guida si concentra sulle normali pompe centrifughe per acqua azionate da motori asincroni trifase in corrente alternata, e non riguarda i motori per pompe monofase, le pompe con controllo elettronico integrato o i sistemi di pompaggio antincendio soggetti a normative specifiche.

Soft Starter vs VFD: avviamento e funzionamento di una pompa dell’acqua

Un soft starter e un VFD agiscono su fasi diverse del ciclo operativo di una pompa. Come spiega Eaton nel suo confronto tra soft starter e azionamenti a frequenza variabile, un soft starter regola la tensione applicata al motore durante l’avviamento (e durante l’arresto nei modelli configurati con funzione di arresto dolce), mentre un VFD regola sia la frequenza sia la tensione per controllare la velocità del motore durante l’avviamento, la marcia continua e l’arresto.

Quando l’esigenza è solo un avviamento e un arresto graduali

L’avviamento diretto in linea di una pompa trifase assorbe un’elevata corrente di spunto e applica una coppia improvvisa alla girante e al giunto. Se l’impianto di pompaggio eroga già la portata richiesta alla piena velocità nominale, come nel caso di una pompa di trasferimento che riempie un serbatoio sopraelevato con un programma costante, la regolazione continua della velocità può essere superflua. Secondo le linee guida della Utah State University Extension sugli azionamenti per pompe di irrigazione, la sola necessità di un avviamento graduale di norma non giustifica l’investimento aggiuntivo di un VFD quando la richiesta operativa è fissa.

La riduzione della tensione di avviamento tramite un soft starter diminuisce la corrente e la coppia iniziali facendo accelerare il motore più gradualmente, anche se la velocità del motore e la portata d’acqua continuano a seguire l’equilibrio di coppia tra il motore e il carico della pompa anziché salire in linea retta con la tensione. Una volta completata la transizione di avviamento, il motore gira alla piena velocità nominale.

Durante lo spegnimento, gli arresti bruschi della pompa o la chiusura rapida delle valvole possono innescare transitori di pressione (colpo d’ariete) nelle tubazioni. Un soft starter può contribuire ad attenuare le transizioni di arresto se il modello scelto include una funzione di arresto dolce (soft stop), sebbene una semplice rampa di riduzione della tensione non risolva i picchi di pressione in ogni configurazione di impianto. Come osserva ABB in merito ai problemi tipici delle pompe, alcuni soft starter orientati al pompaggio (come la serie PSTX di ABB) integrano controlli di coppia dedicati o profili di riempimento graduale delle tubazioni per limitare i transitori di pressione. Poiché le funzioni variano a seconda della linea di prodotto, verificate come il profilo di arresto del dispositivo interagisce con le valvole di ritegno e con il dislivello della tubazione, anziché dare per scontato che qualsiasi soft starter generico o rampa VFD predefinita elimini automaticamente il colpo d’ariete.

Quando l’esigenza prevede la regolazione di portata o pressione tramite la velocità

Gli impianti di pompaggio possono far fronte a una domanda variabile attraverso diversi metodi, tra cui i cicli di marcia/arresto di pompe a velocità fissa abbinate a un serbatoio di accumulo, la strozzatura delle valvole di mandata, l’uso di linee di bypass o la variazione della velocità della pompa. Se scegliete di regolare la portata o la pressione di esercizio modificando la velocità di rotazione della pompa — ad esempio per adattare l’erogazione irrigua tra diverse zone agricole o mantenere costante la pressione del collettore al variare dei consumi a valle — avete bisogno di un sistema a velocità variabile compatibile.

Un’unità VFD singola costituisce il controllore del motore, non una stazione completa di pompaggio a pressione costante di per sé. Automatizzare la regolazione della pressione o della portata richiede anche sensori compatibili, una logica di controllo (configurata all’interno dell’azionamento o tramite un controllore esterno) e protezioni adeguate al sistema di pompaggio.

Come le curve della pompa e la prevalenza statica influenzano il risparmio energetico del VFD

Il modo in cui una pompa centrifuga risponde alle variazioni di velocità dipende dalla resistenza dell’impianto di tubazioni. Come illustrato nella spiegazione delle curve di sistema dell’Hydraulic Institute, la resistenza dell’impianto combina la prevalenza statica (il dislivello verticale o la contropressione costante presente indipendentemente dalla portata) e la prevalenza di attrito (la resistenza di tubi, raccordi e valvole che cresce all’aumentare della portata).

In un sistema idealizzato dominato dall’attrito, come una lunga linea di trasferimento orizzontale con dislivello minimo, la portata varia approssimativamente in proporzione alla velocità della pompa e la potenza all’albero scende sensibilmente al ridursi della velocità. Quando invece la prevalenza statica rappresenta una quota rilevante della prevalenza totale dell’impianto — ad esempio nel sollevamento dell’acqua verso un serbatoio pensile o nell’alimentazione di un recipiente in pressione — la pompa deve mantenere una velocità di rotazione sufficiente a generare una prevalenza superiore a tale soglia fissa di quota o pressione. Se la prevalenza della pompa scende al di sotto della prevalenza statica richiesta, essa non può erogare la portata desiderata contro la contropressione dell’impianto. Di conseguenza, un’elevata prevalenza statica può restringere l’intervallo di velocità utilizzabile, la portata non scala più in semplice proporzione uno a uno con la velocità e l’applicazione diretta delle formule teoriche della legge cubica può sovrastimare gravemente il risparmio energetico, come spiega la guida DOE/HI/Europump sul pompaggio a velocità variabile.

Valutare un VFD in presenza di prevalenza statica richiede il confronto tra la curva caratteristica della pompa e la curva dell’impianto. Come spiega Grundfos nella sua panoramica sulle curve di prestazione delle pompe, una curva della pompa mette in relazione la portata (Q) con la prevalenza (H), e il funzionamento a velocità variabile sposta tale curva su diverse fasce di velocità permettendo di vedere dove cade il punto di lavoro a regimi ridotti. Poiché la sola curva Q-H non definisce i limiti termici o meccanici, verificate separatamente nella documentazione del produttore della pompa e del motore la portata minima consentita, la velocità minima e i limiti di raffreddamento del motore a bassi giri.

Si noti che queste relazioni delle curve centrifughe e i relativi comportamenti di strozzatura non si applicano alle pompe volumetriche (come le pompe a pistoni o a ingranaggi), che spostano un volume quasi fisso per giro e richiedono regole di dimensionamento differenti.

Abbinamento del motore e lettura della pagina delle specifiche di un azionamento

Fasi di alimentazione elettrica e compatibilità del motore

Partite dalla targa dati del motore e dall’alimentazione elettrica disponibile in sito:

• Alimentazione trifase con motore trifase: Abbinate la tensione di ingresso/uscita e la capacità di corrente continuativa del dispositivo alla tensione nominale e alla corrente a pieno carico (FLA) del motore, tenendo conto della gravosità dell’avviamento e delle condizioni ambientali.
• Alimentazione monofase con motore pompa trifase: In un’applicazione con motore trifase, un soft starter standard non converte l’alimentazione monofase in uscita trifase. Se dovete alimentare il motore trifase di una pompa da una linea monofase, consultate la nostra guida al dimensionamento di VFD da monofase a trifase e motori per i requisiti di conversione di fase e declassamento (derating).
• Motori monofase o con elettronica integrata: Non abbinate un VFD o un soft starter trifase standard a un motore monofase a condensatore o a una pompa con controllo elettronico della velocità integrato, a meno che il produttore della pompa non confermi esplicitamente la compatibilità.

Lettura della scheda prodotto e verifica del manuale del produttore

Quando consultate la categoria VFD e Soft Starter su Elecbee, utilizzate la pagina prodotto per una prima selezione della classe di tensione e delle fasi, quindi verificate nel manuale i dettagli operativi specifici per le pompe prima di ordinare.

• Selezione iniziale di tensione e fasi dalla pagina: La scheda indica ingresso trifase 380V AC, uscita trifase 0–380V AC, potenza nominale di 0.75 kW / 1 HP, un campo Rated Current pari a 2.5A e comunicazione RS485/Modbus. Questi campi relativi a tensione e fasi di ingresso/uscita consentono di verificare se l’azionamento corrisponde a un’alimentazione trifase a 380V e alla classe di tensione del motore.
• Definizione della corrente e dettagli di controllo pompa da confermare nel manuale: Poiché la pagina riporta Rated Current: 2.5A senza specificare la condizione di servizio continuo o la definizione di sovraccarico, non è possibile confermare l’allineamento con la corrente del motore basandosi solo sulla tabella riepilogativa; la corrente continuativa in uscita e il declassamento in base al servizio devono essere prima verificati nel manuale. È inoltre opportuno verificare il grado di protezione dell’involucro (grado IP) per il luogo di installazione, i morsetti di ingresso analogico o sensore se si prevede di collegare un trasduttore di pressione, e se funzioni specifiche per pompe come la protezione contro la marcia a secco o la logica sleep/wake siano supportate dall’azionamento stesso o richiedano hardware di controllo esterno.

Dettagli da preparare per confermare un’applicazione

Se utilizzate la pagina di contatto di Elecbee per verificare le specifiche del manuale o chiarire dubbi funzionali prima dell’acquisto, includete nella richiesta le seguenti informazioni:

• Dati di targa del motore: Tensione nominale, numero di fasi, frequenza, potenza (kW/HP) e corrente a pieno carico (FLA).
• Tipo di pompa e dati della curva: Costruzione centrifuga o di altro tipo, portata e prevalenza nominali e quota approssimativa di prevalenza statica rispetto alle perdite di carico per attrito nelle tubazioni del vostro impianto.
• Metodo di controllo desiderato: Attenuazione di avviamento/arresto a velocità fissa oppure regolazione di portata/pressione a velocità variabile, insieme a eventuali requisiti per i segnali dei sensori.
• Ambiente operativo e frequenza di avviamento: Temperatura ambiente, requisiti dell’involucro e numero previsto di avviamenti all’ora.