Recupero di Energia

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 ciò fa si che quando venga
richiesta la decelerazione o l’arresto 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 l’energia elettrica sta diventando sempre di più un bene prezioso ed è 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 è 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 l’impiego crescente di convertitori controllati collegati all’estremità anteriore di inverter a frequenza
variabile (ponti a commutazione forzata che utilizzano GTO o IGBT controllati con commutazione PWM) sta
diventando molto più semplice immettere l’energia in eccesso nella rete elettrica perché il sistema di
controllo può 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 nell’adottare
questo sistema, ad esempio la sequenza di commutazione del convertitore controllato può essere utilizzata
per attenuare la corrente durante la carica e la scarica dei condensatori nel circuito DC link e può anche
essere utile per la riduzione delle correnti armoniche condotte lato rete di alimentazione del sistema.
Con l’introduzione delle nuove disposizioni comunitarie quali la Direttiva Europea EuP 2005/32/EC (Eco
design of Energy-using Products) è responsabilità 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
Nell’esempio 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 è collegato al carico,
in questo caso un motore asincrono. Un inverter back-to-back è 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 l’inverter 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 nell’onda 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 così 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 capacità elevata perché
convertono la tensione trifase AC direttamente in tensione trifase
AC variabile. Richiedono però 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 più costosi da
produrre ma forniscono una miglior capacità di recupero
dell’energia. Vi è anche un problema legato al rapporto di
trasferimento di tensione che è limitato all’86% del valore della
tensione di ingresso e ciò significa che motori standard non
possono essere utilizzati su linee di alimentazione standard. Il
grande vantaggio dei convertitori a matrice è che hanno un flusso di
potenza bidirezionale intrinseco con caratteristiche tensionecorrente 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 l’energia elettrica possa essere convertita
dall’energia potenziale.
Quando i passeggeri vengono trasportati da un piano superire a uno inferiore il motore si comporta come un
generatore e l’energia in eccesso può essere convertita in calore utilizzando resistenze di frenatura dinamica
o può essere immessa nella rete elettrica pubblica di distribuzione, cosa che ovviamente risulta più
soddisfacente se i costi addizionali di un sistema di azionamento più sofisticato possono essere giustificati
per l’applicazione.
Considerazioni per il progetto
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Quando viene utilizzato un sistema a recupero di energia si devono prendere particolari precauzioni
per essere certi che la qualità della potenza rigenerata sia di sufficiente qualità per essere accettata
dalla rete e che la rete sia completamente protetta da corto circuiti e disturbi.
I valori di capacità 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 l’hardware, 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
- l’impedenza 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 può 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 sarà quasi certamente richiesta per la
frenatura dinamica di riserva o per situazioni di emergenza.
REO INDUCTIVE COMPONENTS AG può 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 attività di produzione specializzate.
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Sistemi rigenerativi nei treni
Durante il servizio normale ai treni può essere richiesto di fermarsi piuttosto frequentemente e a volte
rapidamente. L’energia cinetica viene dissipata nei freni ad attrito assistiti da resistenze di frenatura
dinamica per ridurre l’usura delle parti meccaniche. Con le linee ferroviarie elettrificate a corrente continua
(DC) non è 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 l’energia può essere trasferita. Quando non vi sono altri treni
nella stessa sezione allora devono essere utilizzate le resistenze di frenatura per dissipare l’energia in
eccesso.
Nelle linee elettrificate a corrente alternata (AC) la rigenerazione è qualcosa di più complesso ma che sta
diventando di giorno in giorno sempre più raggiungibile con l’utilizzo di un raddrizzatore controllato al silicio.
Comunque, poiché le linee elettriche aeree AC sono alimentate da fasi differenti della rete nazionale e il
cavo di contatto è 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 è richiesta una resistenza di frenatura dinamica per poter far rallentare il treno.
In tutti i sistemi è utile utilizzare energia rigenerata quando la normale energia non è disponibile dalla linea
elettrica aerea e in particolare quando il treno deve essere portato all’arresto 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
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Pantografo per linea aerea 15kV 16.67Hz oppure 25kV 50Hz
Interruttore di protezione extrarapido
Trasformatore step-down
Convertitore a quattro quadranti per la conversione AC/DC
Filtro LC risonante per la riduzione della quinta armonica e per il livellamento della tensione DC
utilizzata dall’inverter a frequenza variabile
Condensatori di accumulo del DC link per il livellamento della tensione
Resistenza di frenatura
Inverter a frequenza variabile
Motore di trazione trifase
Inverter per I sistemi ausiliari
Trasformatore di adattamento per il circuito di alimentazione dei sistemi ausiliari
Filtro per la soppressione dei disturbi EMC di modo comune e di modo differenziale
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 può essere utilizzato con i sistemi multi drive. Il collegamento
in parallelo dei DC link di più drive consente a un drive il cui motore è in trazione di utilizzare l’energia di
frenatura/rigenerata proveniente da un altro drive. Ciò aumenta l’efficienza del sistema poiché non tutta
l’energia recuperata viene sprecata in calore generato dalle resistenze di frenatura e viene prelevata meno
energia dalla rete di alimentazione. Ciò può 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 quantità 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) L’utilizzo di un convertitore di ingresso bulk è preferito se l’installazione 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 perché ciò aiuta a ridurre i picchi di tensione di commutazione inversa e può 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 è
alimentato con tensione DC e quindi è necessario avere una induttanza esterna di valore adatto per
tutti i drive collegati al DC link. Suddividendo in modo uguale l’induttanza tra la linea positiva e la
linea negativa del DC link, può 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. L’induttanza 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 è collegato a tutti gli inverter
6) La limitazione della corrente di inserzione non è 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) Può essere ancora necessario avere un resistore per requisiti di frenatura a prova di guasto.
REO Powerpack
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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 può 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 ciò viene ottenuto perché
l’impedenza induttiva aumenta di valore con l’aumentare
del valore della frequenza.
Resistenze di frenatura
Quando un sistema dinamico è in rotazione accumula
energia cinetica e quando accelera troppo rapidamente
o viene richiesto l’arresto ciò può essere ottenuto con
l’utilizzo di resistenze di frenatura. Le resistenze di
frenatura possono essere collegate al DC link di un
inverter per convertire l’energia 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 può causare microinterruzioni di
tensione, scariche e flicker nella rete. Ciò crea anche
forti sollecitazioni meccaniche al sistema. Per ridurre
l’effetto 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 potenzadimensioni e potenza-peso di un generatore eolico,
allora il circuito può essere progettato per incorporare
anche resistenze raffreddate ad acqua. I resistori
prodotti da REO INDUCTIVE COMPONENTS AG
hanno molte caratteristiche particolari una delle quali è
lo speciale contenitore-dissipatore di alluminio che
incorpora canali di raffreddamento diretto ad acqua
all’interno dell’estruso. 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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REO World-wide Contacts
REO ELEKTRONIK AG
REO INDUCTIVE COMPONENTS AG
REO INDUCTIVE COMPONENTS AG
Setzermann Medical Division
REO INDUCTIVE COMPONENTS AG
IBK Drives Division
REO INDUCTIVE COMPONENTS AG
Test and Power Quality Division
REO INDUCTIVE COMPONENTS AG
Train Technologies Nieke Division
Centre of Competence
REO ELEKTRONIK AG
REO (UK) Ltd.
REO Engineering Services
REO VARIAC S.A.R.L.
REO ITALIA S.r.l.
REO CROMA Sp.zo.o.
REO-USA, Inc.
REO-ESPAÑA 2002 S.A.
REO Shanghai Inductive
Components Co., Ltd.
REO INDUCTIVE COMPONENTS AG
Moscow Representative Office
NEEL REO SYSTEMS PVT.LTD.
Brühler Strasse 100
D-42657 Solingen
Tel. +49 (0)212-8804-0
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Schuldholzinger Weg 7
Tel. +49 (0)8561-9886-0
D-84347 Pfarrkirchen
Fax +49 (0)8561-9886-40
Þwww.reo.de [email protected]
Holzhausener Strasse 52
Tel. +49 (0)33971-485-0
D-16866 Kyritz
Fax +49 (0)33971-485-90
Þwww.reo.de [email protected]
Brühler Strasse 100
Tel. +49 (0)212-8804-0
D-42657 Solingen
Fax +49 (0)212-8804-188
Þwww.reo.de [email protected]
Erasmusstrasse 14
Tel. +49 (0)30-3670236-0
D-10553 Berlin
Fax +49 (0)30-3670236-44
Þwww.reo.de [email protected]
Im Halbiacker 5a
Tel. +41 (0)52-363-2820
CH-8352 Räterschen
Fax +41 (0)52-363-1241
Þwww.reo.ch [email protected]
Units 2-4 Callow Hill Road
Tel. +44 (0)1588-673-411
Fax +44 (0)1588-672-718
Craven Arms
Þwww.reo.co.uk [email protected]
Shropshire SY7 8NT
Parc d`activités HERACLES
Tel. +32 (0)71-287-716
Chaussée de Charleroi 91 bat 5 Fax +32 (0)71-287-746
B-6060 Gilly (Charleroi)
Þwww.reo.de [email protected]
ZAC Du Clos aux Pois 1
Tel. +33 (0)1-6911-1898
6/8 rue de la Closerie-LISSES
Fax +33 (0)1-6911-0918
F-91048 Evry Cédex
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Via Treponti, 29
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