Trattamento energia di ritorno per l’installazione di UPS nelle macchine utensili

«Di recente ho svolto una perizia tecnica nell’ambito di una valutazione di guasti alle macchine utensili di una officina meccanica. I guasti derivano da micro-interruzione nella rete elettrica che, durante l’azionamento degli utensili mediante controllo numerico di alta precisione, creano spesso dei danni all’elettronica di gestione (stiamo parlando di danni per decine di migliaia di euro solo negli ultimi cinque anni). Per risolvere la questione, vista la grande quantità di macchine a controllo numerico presenti in sito, si optava per un gruppo di continuità avente la potenza erogabile pari alla massima prelevata dalla rete, aumentata del 10%. Esempio: fornitura trifase con neutro da 100 kW, prelievo di 85/90 kW => UPS da 100 kW-110/120 kVA. I vari costruttori interpellati però, e giustamente, mi hanno fatto notare che occorre conoscere l’energia di ritorno (c.d.) ovvero l’energia che gli azionamenti sviluppano nella fase di frenatura delle macchine che, evidentemente, deve essere dissipata in qualche modo, pena il rischio di provocare dei guasti ai gruppi di continuità. Ho chiesto al titolare dell’azienda se sia a conoscenza di qualche dato in merito alle sue macchine ma non ho avuto risposta (il che non mi ha certo sorpreso). Quindi, per poter dimensionare correttamente il tutto, come misuriamo l’energia di ritorno (c.d.)? E come la trattiamo, relativamente all’installazione degli UPS?»

Problema interessante che richiede di essere affrontato con particolare attenzione per non rischiare di finire dalla classica padella nella brace. Iniziamo con “la fisica” del contesto:

• le macchine utensili hanno delle masse rotanti in gioco collegate agli azionamenti elettrici;
• durante la frenata la macchina elettrica dell’azionamento non può che comportarsi da generatore reimmettendo in rete l’energia cinetica immagazzinata nella massa rotante;
• questa energia raggiunge le batterie dell’UPS e tende a caricarle facendo aumentare la tensione del bus CC che può raggiungere facilmente (dal momento che le batterie erano probabilmente già cariche) valori tali da portare all’intervento della protezione di massima tensione del bus CC.

Insomma, tutto arriva dalla conversione (con le dovute efficienze) dell’energia cinetica immagazzinata nelle masse in rotazione. Se una macchina frena e un’altra sta funzionando, il bilancio potrebbe essere ancora negativo e quindi non invertire il flusso dell’energia, ma ovviamente si possono presentare delle occasioni in cui l’energia prodotta dalla frenatura non viene assorbita completamente dalle altre macchine e carichi in funzione.

La via più immediata per conoscere l’entità di tale fenomeno sembra essere quella di organizzare una campagna di misure registrando e analizzando potenza, corrente e tensione per un certo periodo (che deve essere sufficientemente significativo per rappresentare le lavorazioni più onerose). In mancanza dell’UPS, la citata energia infatti torna in rete e quindi ci dovremmo trovare di fronte, a tratti, a delle inversioni del flusso della potenza. Si tratta della potenza cercata.

Preciso che gli strumenti da usare, per la campagna di misura, devono avere una frequenza di campionamento e di registrazione adeguata alla velocità di variazione dei fenomeni in gioco e, di solito, questo non avviene con gli strumenti da quadro. Molto probabilmente occorre prevedere l’utilizzo di un analizzatore portatile sufficientemente prestazionale.

Alternativamente, ma il primo metodo mi sembra assai preferibile, si potrebbe anche operare sulla base di considerazioni teoriche. Per semplicità ragioniamo su una singola macchina per poi applicare coefficienti di contemporaneità e utilizzazione. Si tratta di computare, sulla base della documentazione tecnica, per ciascuna macchina la massa del massimo pezzo che può essere lavorato assieme alla massa del rotore del motore e delle altre parti della macchina stessa poste in rotazione. Trascurando a favore di sicurezza il rendimento di conversione si stima l’energia di ritorno (c.d.) in rete e, noto il tempo di frenata, la potenza corrispondente.