Abhandlung Energy Regeneration Engl Vorl 02-08 IT

Recupero di Energia

V02/08

Introduzione Spesso sistemi dinamici azionati da motori con grandi masse rotanti o utilizzati per muovere carichi di peso elevato, accumulano alti livelli di energia cinetica o di energia potenziale e ci fa si che quando venga richiesta la decelerazione o larresto allora si presenti un problema. Viene richiesto al motore di lavorare in modo inverso e il motore si comporta come un generatore di energia elettrica che deve essere dirottata o dissipata. Un modo semplice per ottenere questo consiste nel fornire il surplus di energia elettrica a una resistenza di frenatura che la converte in energia termica. Esempi di sistemi che accumulano energia cinetica sono centrifughe, presse piegatrici, generatori eolici, grandi ventilatori e treni, mentre esempi di sorgenti di energia potenziale sono ascensori, scale mobili e gru. Oggi lenergia elettrica sta diventando sempre di pi un bene prezioso ed quindi essenziale che la maggior parte possibile di questa energia venga riciclata facendola ritornare verso la rete di alimentazione un processo noto come recupero. Tuttavia le resistenze di frenatura possono essere ancora richieste come sistema di riserva quando la rete di alimentazione non in grado di ricevere la potenza recuperata, come nel caso di assenza di corrente, livelli di tensione incompatibili o situazioni critiche per la sicurezza. Con limpiego crescente di convertitori controllati collegati allestremit anteriore di inverter a frequenza variabile (ponti a commutazione forzata che utilizzano GTO o IGBT controllati con commutazione PWM) sta diventando molto pi semplice immettere lenergia in eccesso nella rete elettrica perch il sistema di controllo pu controllare il flusso della corrente in entrambe le direzioni utilizzando i semiconduttori di potenza per controllare quando la corrente deve fluire o arrestarsi, sia lato carico sia lato rete, contrariamente a quanto avviene con un ponte rettificatore non controllato (a commutazione naturale) che si basa sul passaggio della corrente per lo zero per spegnere i suoi tiristori. Ci sono altri vantaggi nelladottare questo sistema, ad esempio la sequenza di commutazione del convertitore controllato pu essere utilizzata per attenuare la corrente durante la carica e la scarica dei condensatori nel circuito DC link e pu anche essere utile per la riduzione delle correnti armoniche condotte lato rete di alimentazione del sistema. Con lintroduzione delle nuove disposizioni comunitarie quali la Direttiva Europea EuP 2005/32/EC (Eco design of Energy-using Products) responsabilit dei progettisti e dei costruttori assicurare che i prodotti siano ad efficienza energetica. I governi di alcuni paesi offrono inoltre incentivi come contributi e finanziamenti agli installatori di apparecchiature verdi. E solamente quindi una questione di tempo prima che il recupero di energia diventi pratica comune sia negli ambienti residenziali sia negli ambienti industriali.

Lay-out preliminare di un sistema a recupero di energia REO

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Un tipico sistema rigenerativo connesso alla rete di distribuzione

Nellesempio che segue relativo a un convertitore rigenerativo (convertitore a recupero di energia) ci sono quattro componenti principali che sono collegati tra la rete elettrica e il convertitore, che collegato al carico, in questo caso un motore asincrono. Un inverter back-to-back stato scelto per recuperare energia verso la rete.

1) Connessione alla rete di alimentazione pubblica attraverso un normale filtro EMC per la rimozione dei disturbi condotti

2) Resistori di precarica che vengono connessi al circuito quando linverter viene inizialmente messo in tensione, per ridurre i picchi di corrente e proteggere i condensatori del DC link durante la carica

3) Filtro per la rimozione delle frequenze armoniche nellonda sinusoidale di corrente quando la potenza viene recuperata dal carico verso la rete di distribuzione

4) Reattore survoltore separato che eleva il valore della tensione del DC link, consentendo cos alla corrente di scorrere verso la rete di distribuzione

Il convertitore a matrice

A differenza degli inverter back-to-back, i convertitori a matrice non richiedono un DC link con condensatori di capacit elevata perch convertono la tensione trifase AC direttamente in tensione trifase AC variabile. Richiedono per 18 dispositivi di commutazione di potenza completamente controllabili e 18 diodi veloci mentre gli inverter back-to-back richiedono solamente 12 di ognuno di questi componenti. I convertitori a matrice sono quindi molto pi costosi da produrre ma forniscono una miglior capacit di recupero dellenergia. Vi anche un problema legato al rapporto di trasferimento di tensione che limitato all86% del valore della tensione di ingresso e ci significa che motori standard non possono essere utilizzati su linee di alimentazione standard. Il grande vantaggio dei convertitori a matrice che hanno un flusso di potenza bidirezionale intrinseco con caratteristiche tensione-corrente a quattro quadranti da entrambe le parti e le correnti di ingresso e di uscita sono sinusoidali. I convertitori a matrice richiedono un filtro di ingresso per far circolare le armoniche della frequenza di commutazione e alcuni sistemi di commutazione utilizzano un circuito risonante ausiliario per ottenere una commutazione sicura.

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Recupero di energia elettrica da una scala mobile Ascensori e scale mobili sono due buoni esempi di come lenergia elettrica possa essere convertita dallenergia potenziale.

Quando i passeggeri vengono trasportati da un piano superire a uno inferiore il motore si comporta come un generatore e lenergia in eccesso pu essere convertita in calore utilizzando resistenze di frenatura dinamica o pu essere immessa nella rete elettrica pubblica di distribuzione, cosa che ovviamente risulta pi soddisfacente se i costi addizionali di un sistema di azionamento pi sofisticato possono essere giustificati per lapplicazione. Considerazioni per il progetto

Quando viene utilizzato un sistema a recupero di energia si devono prendere particolari precauzioni per essere certi che la qualit della potenza rigenerata sia di sufficiente qualit per essere accettata dalla rete e che la rete sia completamente protetta da corto circuiti e disturbi.

I valori di capacit dei condensatori per la rimozione delle armoniche devono essere attentamente calcolati per assicurarsi che unitamente al trasformatore di distribuzione i condensatori non creino un circuito risonante

Il tipo di drive a frequenza variabile e lhardware, possono influenzare la scelta dei componenti dei filtri e ciascuno dei punti seguenti deve essere preso in attenta considerazione: - il tipo di modulazione e il fattore di modulazione del drive - la frequenza di commutazione per la rigenerazione - limpedenza del drive e della rete di alimentazione - la lunghezza dei cavi - caratteristiche speciali del drive (circuiti per elevare la tensione del DC link)

E anche importante ricordare che la rete di distribuzione elettrica pu non sempre essere libera di accettare energia elettrica rigenerata, a causa d interruzioni di corrente non programmati o di altri problemi imprevisti. Quindi una resistenza di frenatura sar quasi certamente richiesta per la frenatura dinamica di riserva o per situazioni di emergenza.

REO INDUCTIVE COMPONENTS AG pu aiutare nel progetto e nella scelta dei componenti che costituiscono la miglior soluzione per la Vostra applicazione, utilizzando competenze ingegneristiche, vasta esperienza in tutti i settori industriali e attivit di produzione specializzate.

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Sistemi rigenerativi nei treni Durante il servizio normale ai treni pu essere richiesto di fermarsi piuttosto frequentemente e a volte rapidamente. Lenergia cinetica viene dissipata nei freni ad attrito assistiti da resistenze di frenatura dinamica per ridurre lusura delle parti meccaniche. Con le linee ferroviarie elettrificate a corrente continua (DC) non possibile restituire energia alla rete di distribuzione nazionale ma se altri treni sono in trazione nella stessa sezione (che viene rivelata misurando la tensione di alimentazione per accertarsi che non aumenti quando il treno rigenera energia) allora lenergia pu essere trasferita. Quando non vi sono altri treni nella stessa sezione allora devono essere utilizzate le resistenze di frenatura per dissipare lenergia in eccesso. Nelle linee elettrificate a corrente alternata (AC) la rigenerazione qualcosa di pi complesso ma che sta diventando di giorno in giorno sempre pi raggiungibile con lutilizzo di un raddrizzatore controllato al silicio. Comunque, poich le linee elettriche aeree AC sono alimentate da fasi differenti della rete nazionale e il cavo di contatto alimentato in sezioni distinte con una sezione isolata di cavo nota come sezione neutra, a intervalli regolari del percorso vi sono sezioni che non sono recettive al recupero di energia. Lungo queste sezioni richiesta una resistenza di frenatura dinamica per poter far rallentare il treno. In tutti i sistemi utile utilizzare energia rigenerata quando la normale energia non disponibile dalla linea elettrica aerea e in particolare quando il treno deve essere portato allarresto controllato con tutti circuiti di emergenza, illuminazione e comunicazione in funzione. Le locomotive diesel elettriche sono in grado di utilizzare solamente le resistenze di frenatura. Un tipico sistema AC per trazione ferroviaria

1) Pantografo per linea aerea 15kV 16.67Hz oppure 25kV 50Hz 2) Interruttore di protezione extrarapido 3) Trasformatore step-down 4) Convertitore a quattro quadranti per la conversione AC/DC 5) Filtro LC risonante per la riduzione della quinta armonica e per il livellamento della tensione DC

utilizzata dallinverter a frequenza variabile 6) Condensatori di accumulo del DC link per il livellamento della tensione 7) Resistenza di frenatura 8) Inverter a frequenza variabile 9) Motore di trazione trifase 10) Inverter per I sistemi ausiliari 11) Trasformatore di adattamento per il circuito di alimentazione dei sistemi ausiliari 12) Filtro per la soppressione dei disturbi EMC di modo comune e di modo differenziale 13) Ritorno di corrente attraverso il contatto tra i carrelli e le rotaie

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Il sistema Bus DC Un altro modo per recuperare energia elettrica pu essere utilizzato con i sistemi multi drive. Il collegamento in parallelo dei DC link di pi drive consente a un drive il cui motore in trazione di utilizzare lenergia di frenatura/rigenerata proveniente da un altro drive. Ci aumenta lefficienza del sistema poich non tutta lenergia recuperata viene sprecata in calore generato dalle resistenze di frenatura e viene prelevata meno energia dalla rete di alimentazione. Ci pu risultare particolarmente vantaggioso se si sta utilizzando uno dei motori del sistema per fornire tensione a una fune. Molti sistemi Bus DC vengono utilizzati in applicazioni servo-drive a elevate prestazioni dove sostanziali quantit di energia vengono utilizzate in accelerazione e in frenatura dai drive.

1) Il gruppo di varistori in ingresso fornisce protezione contro le sovratensioni fase-fase e fase-terra 2) Lutilizzo di un convertitore di ingresso bulk preferito se linstallazione richiede che vengano

collegati insieme drive di differenti potenze 3) Un condensatore ad alta tensione in polipropilene dovrebbe essere inserito tra i terminali del modulo

raddrizzatore perch ci aiuta a ridurre i picchi di tensione di commutazione inversa e pu anche fornire una via alle correnti di disturbo RFI nelle applicazioni dove vi sono lunghi percorsi cavi

4) Le induttanze dei DC link dei drive standard tendono a non essere in funzione se il drive alimentato con tensione DC e quindi necessario avere una induttanza esterna di valore adatto per tutti i drive collegati al DC link. Suddividendo in modo uguale linduttanza tra la linea positiva e la linea negativa del DC link, pu fornire una certa impedenza per limitare le correnti di guasto se compare un guasto a terra nella linea positiva o nella linea negativa del DC link. Linduttanza del DC link dovrebbe essere scelta con un valore tale da mantenere costante in modo ragionevole la costante di tempo del DC link.

5) Il Bus DC collegato a tutti gli inverter 6) La limitazione della corrente di inserzione non richiesta se ogni singolo drive ha il proprio circuito di

avviamento graduale (resistore di limitazione e relais/contatti) in funzione fino a quando la tensione del DC link non raggiunge il livello corretto

7) Pu essere ancora necessario avere un resistore per requisiti di frenatura a prova di guasto.

REO Powerpack 5

Una selezione di componenti forniti da REO INDUCTIVE COMPONENTS AG Filtri per le armoniche

Le armoniche sono generate dalle rapide commutazioni dei semiconduttori di potenza negli inverter a frequenza variabile e dalla carica e scarica dei condensatori di accumulo del DC link. La distorsione armonica pu essere rimossa inserendo una induttanza a monte e una induttanza a valle dei convertitori di potenza.

Le reattanze induttive REO sono progettate per bloccare tutte le armoniche e per consentire alla fondamentale di passare e ci viene ottenuto perch limpedenza induttiva aumenta di valore con laumentare del valore della frequenza.

Resistenze di frenatura

Quando un sistema dinamico in rotazione accumula energia cinetica e quando accelera troppo rapidamente o viene richiesto larresto ci pu essere ottenuto con lutilizzo di resistenze di frenatura. Le resistenze di frenatura possono essere collegate al DC link di un inverter per convertire lenergia cinetica in eccesso in energia termica. La maggior parte dei convertitori di frequenza hanno un dispositivo al loro interno che connette la resistenza di frenatura quando il livello di tensione del DC link supera un certo limite e la disconnette quando il valore della tensione del DC link ritorna a un valore di sicurezza.

Resistenze di avviamento

Quando un componente induttivo viene collegato alla rete assorbe un valore elevato di corrente di magnetizzazione che pu causare microinterruzioni di tensione, scariche e flicker nella rete. Ci crea anche forti sollecitazioni meccaniche al sistema. Per ridurre leffetto di questa corrente di inserzione, possono essere collegati resistori in serie alla linea di alimentazione e dopo un breve intervallo di tempo i resistori possono essere by-passati con un interruttore.

Resistenze raffreddate ad acqua

Quando un generatore raffreddato ad acqua o un inverter viene utilizzato per ridurre il rapporto potenza-dimensioni e potenza-peso di un generatore eolico, allora il circuito pu essere progettato per incorporare anche resistenze raffreddate ad acqua. I resistori prodotti da REO INDUCTIVE COMPONENTS AG hanno molte caratteristiche particolari una delle quali lo speciale contenitore-dissipatore di alluminio che incorpora canali di raffreddamento diretto ad acqua allinterno dellestruso. Gli avvolgimenti del resistore sono circondati da riempitivo al quarzo che fornisce resistenza agli urti, protezione contro i corto circuiti e veloce trasferimento del calore.

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