2. IE3 vs IE4: i numeri reali
3. Quali sono le cause della perdita di efficienza nei motori a corrente alternata?
4. Regolamentazione da parte del mercato
5. Calcolo del periodo di recupero dell'investimento
6. Quando Internet Explorer 4 è economicamente vantaggioso?
7. Domande frequenti
1. Spiegazione dello standard di efficienza IEC
La norma IEC 60034-30-1:2014 “Macchine elettriche rotanti — Classi di efficienza dei motori a corrente alternata alimentati dalla rete (Codice IE)” definisce i requisiti minimi di prestazione in termini di efficienza per quattro classi di efficienza di motori a induzione trifase a velocità singola da 0,12 a 1.000 kW. La norma specifica l'efficienza minima alla potenza nominale, alla tensione nominale, alla frequenza nominale e alla temperatura nominale di esercizio, testate secondo i metodi della norma IEC 60034-2-1.
La sigla "IE" in IE3 e IE4 sta per International Efficiency (Efficienza Internazionale), da non confondere con le precedenti designazioni nazionali (EFF1, EFF2 in Europa; EPAct in Nord America; MEPS in Australia). La classificazione IE ha sostituito questi sistemi nazionali quando la IEC ha pubblicato la prima edizione dello standard nel 2008. IE3 è grosso modo equivalente alla vecchia classe europea EFF1, ma con un protocollo di misurazione più rigoroso; IE4 è una nuova classe che non esisteva nei sistemi di classificazione nazionali.
Nota importante sulla misurazione: le classi IE sono determinate a pieno carico (100% di potenza nominale), tensione nominale e frequenza nominale. L'efficienza del motore a carichi di 50%, 75% e 25% non è specificata dalla classe IE e deve essere verificata separatamente se l'efficienza a carico parziale è critica, ad esempio in applicazioni in cui il motore funziona regolarmente al di sotto di un carico di 50%.
2. IE3 vs IE4: i numeri reali
La tabella seguente mostra i valori minimi di efficienza IE3 e IE4 per motori a induzione trifase a 4 poli a determinate potenze nominali. Il divario di efficienza tra IE3 e IE4 si riduce all'aumentare delle dimensioni del motore, poiché i motori di grandi dimensioni si avvicinano già ai limiti pratici di riduzione delle perdite nel rame e nel ferro ottenibili con la progettazione convenzionale dei motori a induzione.
| Potenza nominale | IE2 Efficienza minima (%) | IE3 Efficienza minima (%) | IE4 Efficienza minima (%) | Divario tra IE3 e IE4 |
|---|---|---|---|---|
| 1,1 kW | 77.7 | 80.7 | 82.8 | 2.1 pp |
| 2,2 kW | 81.0 | 84.0 | 86.0 | 2,0 pp |
| 4,0 kW | 84.7 | 87.0 | 88.9 | 1,9 pp |
| 7,5 kW | 87.1 | 89.8 | 91.4 | 1,6 pp |
| 15 kW | 89.7 | 91.5 | 93.0 | 1,5 pp |
| 30 kW | 91.4 | 92.9 | 94.2 | 1,3 pp |
| 75 kW | 93.1 | 94.5 | 95.6 | 1,1 pp |
| 200 kW | 94.7 | 95.8 | 96.7 | 0,9 pp |
Fonte: IEC 60034-30-1:2014, motori a 4 poli a 50 Hz. “pp” = punti percentuali. L'efficienza effettiva del motore sarà pari o superiore al minimo di classe; Korea Ever-Power in genere supera i valori minimi di 0,2-0,8 pp nell'intera gamma della serie Y2.
3. Quali sono le cause della perdita di efficienza nei motori a induzione CA?
I motori IE4 raggiungono un'efficienza superiore rispetto ai motori IE3 grazie a specifiche modifiche ingegneristiche che riducono le cinque principali categorie di perdite. Comprendere quali perdite vengono ridotte aiuta a spiegare perché i motori IE4 sono più grandi, più pesanti e più costosi degli IE3 a parità di potenza nominale.
Calore generato dalla corrente che scorre attraverso la resistenza dell'avvolgimento dello statore. Tipicamente 30–40% di perdite totali. Ridotto negli IE4 grazie all'utilizzo di una maggiore quantità di rame (sezione del conduttore più grande), che riduce la resistenza ma aumenta anche le dimensioni e il peso del motore.
Perdite per correnti parassite e isteresi nell'acciaio delle lamiere dello statore. Tipicamente 15–25% di perdite totali. Ridotte negli IE4 grazie all'utilizzo di acciaio elettrico di qualità superiore con minori perdite specifiche nel nucleo (W/kg a 1,5 T, 50 Hz).
Calore generato dalla corrente nelle barre del rotore e negli anelli terminali. Tipicamente 20–30% di perdite totali. Ridotto negli IE4 grazie all'utilizzo di barre del rotore con sezione trasversale maggiore (solitamente barre di rame anziché di alluminio fuso) e all'ottimizzazione della geometria delle barre per minimizzare la resistenza del rotore alla frequenza di slittamento a pieno carico.
Attrito dei cuscinetti e resistenza aerodinamica della ventola di raffreddamento. Tipicamente 5–15% di perdite totali, proporzionalmente maggiori per dimensioni del telaio ridotte. Ridotte in IE4 grazie all'ottimizzazione dei cuscinetti, al miglioramento dell'aerodinamica della ventola e, in alcuni progetti, all'utilizzo di un raffreddamento forzato esterno per disaccoppiare le dimensioni della ventola dalla velocità del motore.
Perdite dovute a correnti parassite armoniche superiori nelle parti strutturali e perdite superficiali dovute alle armoniche delle cave. Tipicamente 5–10% delle perdite totali. Ridotte nell'IE4 grazie a una geometria delle cave migliorata, cave del rotore inclinate e passo dell'avvolgimento ottimizzato. Queste perdite sono difficili da misurare direttamente e sono le meno suscettibili di riduzione tramite semplici modifiche dei materiali.
4. Regolamentazione da parte del mercato
| Mercato | Retribuzione minima attuale (al 2025) | Gamma di potenza | Note |
|---|---|---|---|
| Unione Europea | IE3 | 0,75–1.000 kW | Regolamento UE 2019/1781. La classificazione IE4 è obbligatoria per le potenze comprese tra 75 e 200 kW a partire da luglio 2023, se utilizzata con azionamenti a velocità variabile. |
| Regno Unito | IE3 | 0,75–1.000 kW | Rispecchia la normativa UE post-Brexit per i motori immessi sul mercato britannico. |
| Stati Uniti (DOE) | NEMA Premium (≅ IE3) | 1–500 CV | Normative EISA 2007 e DOE 2016. Mercato a 60 Hz; NEMA Premium nominalmente equivalente a IE3. |
| Cina (GB 18613) | IE3 (dal 2021) | 0,55–1.000 kW | La norma GB 18613-2020 ha reso obbligatorio l'utilizzo di Internet Explorer 3 come standard minimo a partire da giugno 2021, sostituendo la precedente norma GB 18613-2012. |
| Australia / Nuova Zelanda | IE3 (MEPS 2023) | 0,73–185 kW | Il sistema MEPS australiano è stato aggiornato allo standard equivalente a IE3 nel 2023. |
| La maggior parte degli altri mercati | IE2 | Divas | Molti mercati nel Sud-est asiatico, in Sud America, in Medio Oriente e in Africa utilizzano ancora almeno Internet Explorer 2 o non hanno normative obbligatorie. Internet Explorer 3 è comunque consigliato per tutte le nuove installazioni. |
5. Calcolo del periodo di recupero dell'investimento
Il periodo di ammortamento per l'aggiornamento da IE3 a IE4 viene calcolato a partire da tre parametri: la differenza di efficienza al punto di carico operativo, le ore di funzionamento annuali e il costo dell'energia elettrica per kWh.
Il calcolo del periodo di ammortamento è sensibile alle ore di funzionamento annuali. Con 8.000 ore all'anno (funzionamento su due turni), il risparmio energetico annuo raddoppia e il periodo di ammortamento scende al di sotto dei 18 mesi. Con 1.000 ore all'anno (funzionamento molto intermittente), il periodo di ammortamento si estende dai 9 ai 14 anni, rendendo difficile giustificare il sovrapprezzo IE4 basandosi esclusivamente su considerazioni economiche, a meno che non sia richiesto da normative specifiche.
6. Quando Internet Explorer 4 è economicamente vantaggioso?
Pompe, ventilatori, compressori e agitatori che funzionano ininterrottamente su due o tre turni accumulano un numero di ore di funzionamento sufficiente a giustificare il sovrapprezzo IE4 entro 2 o 3 anni.
Con un costo di 0,20 USD/kWh o superiore (comune in gran parte dell'Europa occidentale e in Giappone), il risparmio energetico annuo per un motore da 15 kW con 4.500 ore di funzionamento raddoppia, superando i 230 USD, e il ritorno sull'investimento si riduce a meno di 2 anni.
Gli impianti con 50 o più motori di dimensioni e utilizzo simili possono accumulare il risparmio. 50 motori, ciascuno con un risparmio di 154 USD/anno, equivalgono a 7.700 USD/anno, creando un valido argomento finanziario a favore di un programma di ammodernamento del parco motori.
Per gli impianti con impegni di riduzione delle emissioni di carbonio nell'ambito di programmi ESG aziendali o politiche nazionali a zero emissioni nette, i motori IE4 riducono le emissioni di Scope 2 legate all'elettricità. Il risparmio di CO2 per motore può essere quantificato ai fini della contabilità del carbonio.
I motori che funzionano per meno di 2.000 ore all'anno a carico parziale avranno un periodo di ammortamento da 8 a 15 anni, che in genere supera la vita utile residua del motore in caso di sostituzione. In questi casi, la specifica appropriata è IE3.
Per le dimensioni ridotte, il risparmio energetico assoluto tra IE4 e IE3 è modesto (in genere da 20 a 80 dollari all'anno per motore con 4.000 ore di funzionamento) e il sovrapprezzo di IE4 rappresenta una percentuale maggiore del costo del motore. IE3 è solitamente la scelta più conveniente al di sotto dei 2,2 kW.
7. Domande frequenti
A cura di Cxm
