Compressore DC con tecnologia ad Inverter

La tecnologia ad inverter, nell’ambito della climatizzazione, `e utilizzata

gi`a da tempo. ´E necessario per`o distinguere in quali settori del mercato si

collocano le sue possibili applicazioni. Per quanto riguarda le macchine aria / aria, i comuni “split”, i compressori ad inverter sono utilizzati per macchine sia di piccola potenza (inferiore ai 15 kW) che di media potenza (fino a 20 kW). Per le macchine aria / acqua, categoria a cui appartiene anche la

pompa di calore studiata, e le macchine acqua / acqua l’inverter `e presente

solo su unit`a e gruppi di potenza superiore a 20 kW, utilizzati solo in modalit`a

raffrescamento. Macchine del genere vengono sfruttate prevalentemente negli Stati Uniti per la produzione di acqua fredda necessaria ai grandi impianti di condizionamento dell’aria. Le pompe di calore aria / acqua di piccola potenza

a cui `e applicata la velocit`a variabile stanno entrando sul mercato solo negli

ultimi mesi e l’AcquaSnap PLUS `e una di queste. Va inoltre puntualizzato

che questa macchina a velocit`a variabile non presenta solo il compressore

comandato dall’inverter ma anche il ventilatore esterno. Compressore

Il compressore `e di tipo twin rotary cio`e ha due rotori gemelli sfasati l’un

l’altro di 180◦; questa configurazione garantisce una maggiore uniformit`a di

rotazione durante il funzionamento ed una riduzione degli attriti rispetto agli altri compressori rotativi. Dalla figura 3.13 si vede bene come in un compres-

sore a due cilindri la flessione intorno all’asse `e molto piccola, poich`e la forza

che agisce sul perno viene bilanciata dalla rotazione sfasata dei due rotori, contrariamente a quanto avviene per un compressore ad un solo cilindro. Grazie a queste caratteristiche il rumore e le vibrazioni sono estremamente

ridotti mentre le prestazioni e l’affidabilit`a aumentano notevolmente.

Figura 3.13: Confronto schematico tra la tecnologia con rotore unico e con rotore doppio.

Per quanto riguarda le caratteristiche del compressore, esse sono riportate nella tabella 3.10 mentre in figura D.4 sono riportati i diversi campi di lavoro in funzione delle frequenze di alimentazione.

Tipologia compressore Rotativo ermetico

Numero di rotori 2

Diametro dei rotori [mm] 63

Altezza dei rotori [mm] 22

Velocit`a di rotazione [Rpm] 900-4500

Displacement [cm3_{/rev] 42,3}

Tabella 3.10: Caratteristiche compressore.

Il motore elettrico del compressore in esame `e un motore brushless DC

a 4 poli. I motori brushless DC sono cos`ı chiamati in quanto sono pilotati da sequenze commutate di segnali in corrente continua sui diversi avvolgi-

menti di statore. In questi motori, infatti, il rotore `e a magneti permanenti

e gli avvolgimenti, che si trovano sullo statore, sono alimentati da un’op- portuna sequenza di impulsi elettrici grazie alla quale si genera un campo magnetico alternativo. Il rotore cercando di allinearsi con questo campo magnetico dovuto allo statore genera una coppia motrice per effetto della quale il rotore, cercando di raggiungere l’allineamento tra i due campi, ten-

der`a a ruotare con una certa velocit`a angolare. Per mantenere lo sfasamento,

mentre la macchina ruota, occorre commutare la corrente negli avvolgimenti

di statore in modo dipendente dalla posizione del rotore; per fare ci`o a monte

`

e necessaria la presenza di un inverter, comandato da un segnale che rileva la posizione rotorica e, a questo fine, sono necessari anche dei sensori che per-

Caratteristiche costruttive delle pompe di calore utilizzate

mettano al controllore di stabilire il momento in cui commutare la corrente negli avvolgimenti.

Inverter

L’inverter `e un dispositivo elettronico capace di produrre un segnale a

“frequenza variabile” assorbendo energia da una rete a frequenza fissa e

permettendo quindi una semplice regolazione delle velocit`a di rotazione del

motore. Questa tecnologia `e, su questa macchina, accoppiata ad un motore

brushless (senza spazzole) il quale agisce sul compressore twin rotary (doppio

rotore). In figura 3.14 `e schematizzato brevemente come l’inverter modula la

velocit`a di rotazione del compressore:

• la corrente alternata proveniente dalla rete elettrica (230 V, 50 Hz) viene trasformata in corrente continua tramite un raddrizzatore • la corrente continua viene “modificata” per ottenere degli “impulsi”

i quali, inviati al compressore, lo portano alla velocit`a di rotazione

desiderata. Poich´e gli impulsi sono molto ravvicinati il compressore non

risente dell’ON/OFF. (Allungando la durata dell’impulso aumenta la

velocit`a di rotazione del compressore per cui aumenta la potenza della

pompa di calore)

Figura 3.14: Schema logico inverter DC.

Il motore del compressore viene, quindi, alimentato da impulsi elettrici, i

quali, in funzione della loro durata, ne variano la velocit`a di rotazione e

con essa il rapporto di compressione e la potenza erogata (ed assorbita). La grande innovazione di questo tipo di motori non sta nel fatto che sono

a velocit`a variabile (esistono anche motori che, in funzione del numero di

avvolgimenti che vengono percorsi da corrente, possono variare la propria

velocit`a di rotazione in un numero discreto di valori) ma sta nel fatto che la

velocit`a di rotazione pu`o essere regolata con continuit`a da un valore massimo

ad uno minimo; nel caso specifico da 60 a 15 Hz.

L’inverter DC dell’AcquaSnap PLUS `e gestito da due differenti logiche di

controllo: PAM e PWM. Queste ottimizzano il funzionamento del compres- sore DC tramite la regolazione della frequenza e della durata del segnale di corrente, in tutte le condizioni di funzionamento, e limitando il consumo di energia.

• PAM acronimo di “Pulse Amplitude Modulatio” (Modulazione del-

l’Ampiezza dell’Impulso) `e la logica di controllo della corrente continua

che regola il compressore nelle condizioni di carico massimo (parten- za e carichi di picco) incrementando la tensione e mantenendo la fre-

quenza fissa. Il compressore lavora alla velocit`a massima in modo da

raggiungere rapidamente la temperatura desiderata.

• PWM acronimo di “Pulse Width Modulation” (Modulazione della lun-

ghezza d’onda dell’impulso) `e la logica di controllo della corrente conti-

nua che regola il compressore nelle condizioni di carico parziale variando

la frequenza mantenendo la tensione fissa; la velocit`a del compressore `e

regolata con precisione e il sistema fornisce un elevato livello di comfort (fluttuazioni di temperatura contenute).

Nel caso specifico della regolazione del carico termico con inverter, essa pu`o

essere effettuata in modo continuo mediante la variazione del numero di giri

del motore del compressore. Variando quest’ultimo si cambia la portata

del refrigerante e quindi si interviene sulla resa della macchina e sulle sue prestazioni.

L’utilizzo di un motore inverter per la regolazione della macchina compor-

ta dei vantaggi non trascurabili rispetto ad un motore a velocit`a variabili

(parzializzate) e soprattutto rispetto a motori a velocit`a fissa.

Tali vantaggi possono essere cos`ı riassunti: • Assenza di elevate correnti allo spunto

• Minori costi di esercizio (minori consumi energetici)

• Rendimento del compressore pi`u elevato

• Possibile regolazione modulante

Caratteristiche costruttive delle pompe di calore utilizzate

• Funzionamento silenzioso

• Intervalli di manutenzione del compressore pi`u lunghi

La trattazione dettagliata di questi aspetti `e riportata nell’appendice D.