Motore - Docenti.unina

Università di Arcavacata
9 / dicembre 2015 ore 8 : 30
Seminario
Sistemi di trasporto innovativi
Azionamenti e macchine elettriche
Cenni dimensionamento propulsione elettrica
Relatore : Ing. Amedeo Picardi
[email protected] :
www.studiotecnicopicardi.com
Abstract
Dopo una breve una sintesi sul funzionamento delle macchine elettriche e sulla
tipologia degli azionamenti utilizzati in trazione con particolare attenzione al
sistema di propulsione inverter + macchina asincrona il Seminario
« Sistemi di Trasporto Innovativi »
offre una overview delle principali configurazioni dei sistemi elettrici di trasporto ,
focalizzando l’attenzione sia sulle motorizzazioni tradizionali «motor inside» , con
le linee di alimentazione , i sistemi di captazione e accumulo dell’energia che le
motorizzazioni futuribili «motor part outside» ( tipo Maglev, Hyperloop alfa ) con
le loro infrastrutture attive sulle vie di corsa .
Il Seminario nell’ultima parte , prende in esame i criteri di progettazione della
propulsione elettrica dei sistemi tradizionali , presentando , un esempio della
procedura di calcolo automatico della propulsione a mezzo della APP
«EZERO_inpills«.
Sommario
•
Introduzione macchine elettriche e azionamenti
•
Configurazioni con motor inside
•
Configurazioni con motor totally outside
•
Configurazioni con motor part outside
•
Esempio di calcolo automatico della propulsione
elettrica
Principi di funzionamento
Macchine elettriche
FORZA DI LORENZ
Macchine elettriche
•
•
In corrente continua
In corrente alternata
•
•
•
•
Asincrone
Sincrone
Sincrone PM
Sincrone a riluttanza
Commutatore
Statore
Rotore
bobine
Lamierini
Rotore
Anelli
Barre
Statore
Lamierini
Asincrono
a gabbia
Sincrono magneti
permanenti
Motore
Assile
Riduttore
Motore
Riduttore
Disco freno
TRAM SIRIO
Motore
Le nuove
macchine elettriche
Topologicamente diverse
Da un motore rotante si passa a un asincrono lineare
LIM MONOLATERO A
INDUTTORE CORTO
MOTORI LINEARI PER
PEOPLE MOVER
ANSALDOBREDA
Configurazione induttore
corto
Reaction rail
reaction
Configurazione induttore lungo
Profilo di missione di un
veicolo di trazione
Regolare la velocità e lo sforzo di trazione nel
campo di funzionamento , utilizzando :
•
•
sorgenti a frequenza variabile ( AC motor)
sorgenti a tensione variabile (DC motor)
Sorgenti di energia disponibili
•
linea di contatto a tensione
continua costante
•
Linea di contatto a tensione alternata
monofase costante e frequenza fissa
•
Energia chimica batterie a tensione
continua costante
C’è qualcosa che non va ! Domanda ed offerta non si
incrociano .Cosa si fa cari Ingegneri ? Trovate la soluzione.
Oggi la soluzione è la conversione elettronica a
bordo o a terra dei parametri elettrici .
Ieri ……gli ingegneri avevano adottato soluzioni
tecnologicamente valide , non sempre energicamente
convenienti ,per risolvere il problema……
Motore in corrente continua
Motore monofase a collettore
variatore
Azionamenti elettrici
per diversi sistemi di
alimentazione
Sistemi di alimentazione
Prima dell’avvento dei
convertitori
Dopo con i convertitori
Monofase 15 KV 16 2/3
Monofase 25 KV 50 Hz
Monofase 25 KV 60 Hz
Trifase 10 KV 50 Hz
Motore monofase a collettore.
Motore DC a corrente
ondulata
4Q + inverter+asincrono
4Q + inverter + sincrono
NA
Motore asincrono + reostato
Linea a 3 KV DC
Motore DC + reostato
Chopper + motore DC
Inverter + motore asinc.
Inverter + motore sinc.
Chopper + inverter + asin
Linea a 1500 V DC
Linea a 750 V DC
Motore DC + reostato
Chopper + motore DC
Inverter + motore asinc.
Inverter + motore sinc.
Convertitore 4 Q + inverter
Limiti prestazioni sistemi di
trazione
•
•
vincoli dovuti all’aderenza
Resistenze al moto eccessive alle HS
INFRASTRUTTURE FISICHE
E VEICOLI
Motor inside
Caratteristiche di un sistema di
trasporto terrestre
-Guida
-Sostentamento
-Propulsione
Veicoli terrestri : gradi di libertà = 2
Y
Infrastruttura fisica
semplice senza alcuna
interazioni energetica
con i veicoli
Veicoli
X
Tipologia veicoli
I veicoli idonei ad utilizzare l’infrastruttura sopra indicata devono essere veicoli
dotati di motorizzazione e di autonomia energetica soddisfacente.
Possono quindi essere veicoli :
•
con motore a combustione interna ( diesel-benzina )
•
con motore elettrico provvisto di batterie per l’accumulo di energia
• Oppure sistemi ibridi (tipo gruppo elettrogeno o doppia propulsione)
La prima criticità per i veicoli solo elettrici è l’autonomia . Si riportano di seguito le
energie specifiche per il gasolio e per le batterie agli ioni di litio:
E_s-gasolio = 41.9 MJ/kg = 11.62 kWh/kg
E_s-BT(Li++) = 0.121 kWh/kg
E_supercap = 0.006 kWh/kg
11.62 / 0.121 = 96 ==11.62*0.35/0.121*0.9 = 37 !!!!
Non esiste confronto che tenga . Però………..ambiente ko
Pechino dicembre 2015
COP21
Conferenza
mondiale sul clima
(Parigi 2-11 dicembre 2015)
-Mobilità sostenibile
Stato dell’arte per i sistemi
di accumulo energia
elettrica per veicoli
Esempio : TESLA
Caratteristiche della Tesla
???
500 $ /kWh
200 $ /kWh (obbiettivo)
Caratteristiche della Tesla
Acc=6 m/s2
Vm = 88.5 km/h
480 km
V=200 km/h
310 kW
kWh/km = 85/480 = 0.176
massa (BT)= 85/0.121 = 703 kg
Settore automobilistico
Celle a combustibile = 3 kW /dm3
(tank di H2 idrogeno)
La soluzione intermedia
con veicoli ibridi
serie-parallelo
Configurazione veicoli ibridi
Due macchine elettriche,
un propulsore
Due propulsori ,una macchina
elettrica reversibile
Modalità di funzionamento
Vantaggi : minor consumo di combustibile ,
inquinamento zero in modalità solo elettrica.
Svantaggi : costo elevato , doppia
fonte di energia (chimica,elettrica)
La rivoluzione dell’ idrogeno
Speranze e/o frustrazioni
Siamo proprio sicuri
che la soluzione
perfetta sia l’idrogeno?
PRINCIPIO FUEL CELL
Produzione idrogeno con elettrolisi
Combustibili fossili
Centrale termica
233 kWh energia chimica
(emissioni Co2)
100 kWh
Energia elettrica
Energie rinnovabili
Eolica
Fotovoltaica
idroelettrica
Energia nucleare
(scorie , contaminazione
radioattiva)
Eta = 35/233 = 0.15
Elettrolisi
Eta = 0.70
Fuel cells
Eta = 0.50
35 kWh
Energia Elettrica
TOYOTA MIRAI
L’ibrido è una soluzione valida , ma non è ottimizzata (ci sono 2 propulsori
e due sorgenti di energia) ; le fuel cell attuali sono all’inizio della
sperimentazione e poi c’è il problema dell’idrogeno.
Quella con veicoli solo elettrici è promettente perché semplice , ma ha
bisogno di essere integrata nella infrastruttura per il problema della scarsa
autonomia. Vediamo qualche soluzione.
La soluzione riportata nella slide seguente , presa a prestito dal
mondo dei divertimenti , risolve il problema della mobilità dei
veicoli solo elettrici con due gradi di libertà , ma rende
estremamente complessa , bruttina esteticamente e costosa
l’infrastruttura fisica .
AUTOSCONTRO
Veicoli elettrici
senza batterie
Infrastruttura energetica in alto
: rete elettrificata
Infrastruttura fisica in basso : la pista è conduttiva
e fa quindi da ritorno di corrente
Esistono soluzioni tecniche meno impattanti e
costose di quelle che prendono a modello l’
autoscontro ?
Si . Il BREVETTO STREAM !
Vediamolo …….
Sistema
di alimentazione
STREAM
Stream acronimo per
"Sistema di TRasporto Elettrico ad
Attrazione Magnetica" .
Nei centri storici, nelle aree ad elevato pregio architettonico o
paesaggistico, la presenza di palificazioni, tiranti di sostegno e
della linea di alimentazione elettrica costituiscono una grave
fonte di “inquinamento visivo”
Sono state pertanto sviluppate diverse soluzioni di alimentazione
del sistema di trasporto elettrificato con linea di contatto a terra
(senza catenaria) .
Captatori di corrente con
sensori di posizione
Cambio direzione
Pista di prova in Ansaldobreda
Esistono altre soluzioni tecniche ?
Si . Sono le stazioni di ricarica veloce distribuite
nella rete!
Vediamole …….
Gradi di libertà veicolo = 2
Infrastruttura fisica
poco complessa
ST. di ricarica
Veicoli
La soluzione con le stazioni di ricarica risolve il problema del peso
delle batterie sul veicolo , ma pone il problema dei tempi di sosta .
Le stazioni di ricarica si possono classificare in base alla potenza
di ricarica in differenti macro categorie:
a) Velocità di ricarica lenta < 3,7 kW monofase c.a. 10-16 A 230 V
ricarica completa 8 h
b) Vel. semiveloce 3,7-22 kW c.a. mono 10-16 A 230 V o trifase 1632 A 400 V ric. comp. 1-8 h
c) Vel. rapida 22-43 kW c.a. trifase 22-43 kW o in c.c. ricarica
completa da 30’ a 60’
d) Vel. ultrarapida > 43 kW in c.c. ricarica completa sino a 30’
La mobilità privata in città con veicoli elettrici
avrà un forte sviluppo nei prossimi anni con il
modello :
CAR SHARING
Punto critico di questa modalità : l’emissione elettromagnetica
Esempio
Sosta in un’area di servizio dotata di colonnina ultrarapida :
[Vel. ultrarapida > 43 kW in c.c. ricarica completa sino a 30’]
E_kWh = 43*(30/60) = 21.5 kWh
Consumo auto = 0.176 kWh/km
Autonomia = 21.5 /0.176 = 122 km
La ridotta autonomia di un’auto ZEV impone, se si vogliono garantire pari condizioni al
contorno, una distribuzione capillare delle infrastrutture di ricarica
Veicoli pubblici di trasporto
con sistemi di ricarica :
-conduttiva (Troll.- Opt-Syst-Alim ) TOSA (ABB)
-induttiva (Primove ) Bombardier
Stazioni di ricarica lungo linea = 400 kW
Tempo ricarica 15 s
Energia trasferita = 400*15/3600 = 1.66 kWh
(biberonaggio)
Stazioni capolinea = 200 kW
Tempo ricarica = 4 minuti
Energia trasferita = 200*4/60 = 13.33 kWh
Pacco batterie = 40 kWh
Consumo = 1.2-1.5 kWh/km
Sistema wireless Bombardier
Primove
Moduli IPT ( Inductive Power Transfer) da 30 - 60 - 120-200 kW
Freq = 20-40 kHz
Tempo di carica = 2-4 minuti
En = 120 *2 /60 = 4 kWh
Considerazioni
-problemi di sicurezza per i campi magnetici dispersi ;
-costo non lieve per le infrastrutture sotterranee
-costo non lieve per i sistemi di accumulo rapido sul veicolo
(super capacitors = 16000 $/kWh )
(volani)
Accumulo energia con volani
Biberonaggio all’antica
GIROBUS 1956 !!!!
INFRASTRUTTURE FISICHE
VEICOLI CON GRADO DI LIBERTA’ = 1
Sistemi ferroviari
Gradi di libertà veicolo = 1
veicolo
Infrastruttura fisica in molti casi
molto complessa
Vantaggi della infrastruttura ferroviaria
- minori resistenze al moto
- velocità più elevate
- maggiore confort dei passeggeri
- aumento della sicurezza (segnalamento)
Tipologia veicoli
I veicoli idonei ad utilizzare l’infrastruttura sopra indicata devono essere veicoli
dotati di motorizzazione inside e di autonomia energetica soddisfacente.
Possono quindi essere veicoli :
•
con motore primo a combustione interna +azionamento elettrico di trazione
(soluzione questa molto sviluppata negli Stati Uniti con loco diesel-
elettriche );
• Motore(i) diesel di trazione ;
( se aggiungiamo anche una infrastruttura energetica
monodimensionale , meno impattante che segue il percorso dei binari :
slide seguente)
•
possono essere veicoli con solo motori elettrici provvisti di captatore di
energia elettrica a contatto continuo con la catenaria ( pantografo,power rail)
Captatore di energia
Infrastruttura energetica
LOCO AMTRAK
DIESEL-ELETTRICHE
Infrastruttura energetica
Veicoli solo elettrici
Stato dell’arte
Treni Alta velocità
Treni Alta velocità
Caratteristiche principali dei veicoli ( AV )
Veicolo
V_max
Potenza
Pot/Mass
Massa Posti
Lungh.
Largh.
TGV
duplex
300
8800
20.7
425
510
200.0
2.90
Eurostar
300
12200
18.3
665
578
393.5
2.82
TGV
Thalys
300
8800
23.0
383
377
200.00
2.90
V250
250
5500
11.34
485
546
200.90
2.87
ETR 500
300
8800
13.75
640
671
354.00
3.020
ETR 1000
360
9800
19.60
500
600
202
2.924
SISTEMI INNOVATIVI DI
CAPTAZIONE
Applicazione tranviaria
Sistema STREAM
TRAMWAVE installato sulla pista di prova a Napoli.
Stress test in condizioni inusuali ed estreme.
Il sistema ad induzione
PRIMOVE
Brevetto Alstom
INFRASTRUTTURE FISICHE
E VEICOLI
Motor totally outside
Superare i limiti
innovando ed
adattando le tecnologie
Cosa bisogna fare per
aumentare la velocità dei
treni oltre i 360 km/h?
Resistenze al moto AGV
(8 MW)
(500/360)^ 3= 2.7
8*2.7 = 21.4 MW !!!!!!
Limiti
-Peso per asse
-aderenza alle alte velocità
RESISTENZE AL MOTO
Risposte dell’Ingegnere al Saggio
-Ridurre le resistenze al moto
-Scomporre il motore
( parte sul veicolo , parte per terra )
-nuovo paradigma della propulsione= lineare
-nuove tecnologie ( SC)
Facile no ?!!!!
Trasformazioni
Topologiche dei motori
da rotante a lineare
Motore asincrono lineare monolatero
Motore asincrono lineare bilatero
Disposizione delle parti del
motore lineare asincrono
Aderenza : no problem !
LIM MONOLATERO A
INDUTTORE CORTO
MOTORI LINEARI PER
PEOPLE MOVER
ANSALDOBREDA
Impianto di prova
Motori lineari
Reaction rail
D_ruota = 3 m
6mm alluminio
25 mm ferro
Gruppo moltiplicatore ,volani , dinamo di carico
Japan (qualche data importante)
JNR lancia maglev technology 1970
-----------------------------Miyazaki test track 1979 : ML-500 517 km/h
-------------------------------
JRC
Yamanashi test line 12/1997 : train set of 3 cars
max speed =550 km/h
Yamanashi test line 4/1999 : train set of 5 cars
max speed =552 km/h
JRC train set of 7 cars
max speed 581 km/h 2003
JRC train set of 7 cars
max speed 603 km/h 4/2015
Servizio commerciale in Giappone a 500 km/h previsto per
il 2027
Germany(qualche data importante)
Magnetbahn Transrapid Consortium : Emsland Test
Track 1979-1984 : operativo 1987
-----------------------------TR08 Shanghay : unica tratta commerciale dal 2004 con
l’aeroporto internazionale della città
Vel_max = 430 km/h
Massa_vei = 247 Ton
Passeggeri = 1192
Lungh_vei = 128 m
Max power ( a terra) = 25 MW
Problemi che hanno dovuto risolvere per garantire un
servizio commerciale affidabile e sicuro
- Vibrazioni ingresso-uscita tunnel e nei centri abitati;
(parzialmente risolti con tratte su piloni) ;
- Incrocio di treni a 500 km/h ( 1000km/h per gli effetti);
- Campi magnetici dispersi ( limite max per pacemaker = 5
gauss = 5/10000 Tesla ;
- Terremoti ( tolleranza guidance)
Veicoli urbani
con sospensione magnetica
Il motore asincrono corto e
reaction rail sulla pista
High Speed Surface Transport
Veicoli ad altissima velocità
V> 500 km/h
Il motore sincrono a magneti
permanenti ed induttore lungo
ML X 01
Veicoli ad altissima velocità
V> 500 km/h
2 brevetti italiani + 1 USA
UAQ4
Università dell’Aquila
Sistema di propulsione
Sistema di sostentamento e di guida
Cari Ingegneri non sono
ancora soddisfatto.
Cosa bisogna fare per
aumentare la velocità dei
treni oltre i 500 km/h?
RESISTENZE AL MOTO
Hyperloop alfa
2018
Presentazione di un veicolo
ancora a livello prototipale
V> 1000 km/h
Hyperloop alfa
2018
Caratteristiche principali
-
Via di corsa
V max
Acc max
N pass.
Freq.
Distanza capsule
D_in tubo
Sez_c/Sez t
D_c / D_t
=
=
=
=
=
=
=
=
=
tubo
1220 km/h
9.81 m/sec2
28 /capsula
1 capsula /2 minuti
37 Km
2.23 m
0.36
0.60
Caratteristiche principali
- largh. capsula
- Altez. capsula
- L tubo elem.
= 1.35 m
= 1.1 m
= 30 m
Capsula plus ( auto + passengers)
-
Spessore tubo
D tubo plus
Sez_c/Sez t
D_c / D_t
Capacità
= 23 mm
= 3.3 m
= 0.47
= 0.68
= 28 pass. + 3 auto
Caratteristiche principali AV California
-
Lung. LA – S. Francisco
Tempo (T)
V media
Pass./treno
=
=
=
=
695 km
2 h 38 m
264 Km/h
600
Caratteristiche principali Hyperloop California
- Lung. LA – S. Francisco = 695 km
- Tempo
= 35 m
- V media
= 1190 Km/h
-
Pass. a S Fr.(dopo T) = ((2*60+38)-35)/2 *28= 1722
Caratteristiche principali
- Sospensione capsula
= aerodinamica
+cuscinetto pneumatico
- Spinta a V_costante
= getto aria
- Spinta a V varabile
= motore lineare
posizionato lungo determinate sezioni del
tubo.
- Indotto motore lineare ( lamina alluminio)
posto sotto la capsula.
Alimentazione propulsione capsula
Batterie
Caratteristiche principali compressore
- P1
= 99 Pa ( N/m2)
- P2
= 2100 Pa
- p2/p1 = 21.2
- Potenza_in compr.
-
= 275 kW
Q
= 0.49 kg/sec
Q _spinta = 0.29 kg/sec
Q_sosp
= 0.20 kg/sec
Potenza_in_comp_sosp = 52 kW
P_sosp
= 11000 Pa
Caratteristiche principali
- Potenza totale a bordo = 275 + 52 = 327 kW
- Tempo viaggio
= 35/60 = 0.583 h
- Energia richiesta = 327*0.583= 190.7 kWh
- Cap-batteria = 190.7/0.92 = 207 kWh
- Peso BAT (ioni di litio 0.1 kWh/kg) =2070kg
- Peso BAT ( 0.15 kWh/kg) = 1380kg
Caratteristiche sospensioni (statiche)
- Lung_elem
- Larg elem
- Sup_elem
= 1.5 m
= 0.9 m
= 1.5*0.9 = 1.35 mq
- Forza elem = 11000*1.35 = 14.85 kN
- Num_elem = 28
- Forza_sosp_tot = 28*14.85 = 415.8 kN
- Peso capsula = 15000*9.81 = 147.15 kN
- Rapporto = 147.15/415.8 = 0.35
Caratteristiche sospensioni (effetto
aerodinamico)
Quando il veicolo raggiunge la velocità di
crociera l’effetto aerodinamico provvede a
realizzare una leggera levitazione del veicolo
che è scarsa alle basse velocità e nulla a
velocità zero.
Questo spiega la presenza della sospensione
statica
PROPULSIONE ELETTRICA
Caratteristiche dei sistemi di propulsione
Esistono due sistemi di propulsione :
- Propulsione di crociera
Durante queste fasi , a velocità costante, la spinta
viene realizzata con getto di aria in pressione prodotta
dal compressore. L’energia arriva dalle batterie che
vengono sostituite ad ogni fine corsa.
Caratteristiche dei sistemi di propulsione
- Propulsione per accelerazione
In alcune sezioni del percorso sono disposti statori di
motori asincroni lineari che reagendo con l’indotto
posto sotto la navicella provvedono ad accelerare la
capsula.
L’energia arriva da convertitori alimentati da una rete
che utilizza energie rinnovabili ( energia fotovoltaica) e
da sistemi di accumulo lungo la linea.
Lo stesso sistema invertendo la potenza provvede a
rallentare la capsula.
Valutiamo adesso la potenza di questi motori
Caratteristiche motori lineari
- Massa capsula
- Range speed :
- Accelerazione
= 15000 kg
0-480 km/h
= 0.5 g/g
- Potenza sezione alla fine del tratto =
- = 15000*0.5*9.81*480/3.6 = 9.81 MW/19.62MW
-
Tempo accelerazione = 480/3.6/0.5/g = 27.2 sec
Tempo accelerazione = 480/3.6/g = 27.2/2= 13.6 sec
Caratteristiche motori lineari
- Massa capsula
- Range speed :
- Accelerazione
= 15000 kg
480 – 1220 km/h
= g
- Potenza motore alla fine del tratto =
- = 15000*9.81*1220/3.6 = 49.9 MW
-
Tempo accelerazione = 1220/3.6/g = 34.5 sec
-
L sez_motore = (480+1220)/2/3.6*34.5 = 8145 m
Caratteristiche motori lineari ( indotto)
- Lamina di alluminio posta fra due
emistatore
- Lunghezza
=
- altezza
=
0.450 m
- Spessore
=
0.050 m
- Traferro per lato =
15 m
0.020 m
Disposizione delle parti del motore lineare
asincrono Hyperloop alfa
A terra
Sul veicolo
RESISTENZE AL MOTO
RESISTENZE AL MOTO
Dove :
Ms = massa statica
Q = carico pagante
Md = massa dinamica
rxy = resistenze al moto
a= accelerazione
g = accelerazione di gravità
T-R = ma = m dV/dt
http://www.calabria.scalea.it/Elemachine_inpills/start.php