elettriche - ICampus

Università di Arcavacata
18 gennaio 2017 ore 8 : 30
Seminario [seconda edizione]
Sistemi di trasporto innovativi
Cenni azionamenti e macchine elettriche
dimensionamento propulsione elettrica
[parte prima]
Relatore : Ing. Amedeo Picardi
[email protected] :
www.studiotecnicopicardi.com
www.studiotecnicopicardi.com/engeelin/archive/start.php
Gennaio 1979 Laurea Ingegneria Elettrotecnica
Tesi : Il calcolo FEM applicato al motore lineare
Ricercatore alla Federico II per il 1979 nel Dipartimento macchine Elettriche
Aprile 1980 assunto in Ansaldo trasporti-Ansaldobreda
Formazione a Genova presso GM Ansaldo negli anni 1980--1981
Ufficio Progettazione macchine in corrente alternata
Responsabile Calcolo macchine Elettriche
Metro Napoli , Roma,Loco E402 , Tram , Filobus , Motori lineari
Project Engineer : People Mover , Filobus Cremona , Bari , Bologna, Napoli, Tram
Birmingham ,Oslo , Metro Madrid
Lavoro all’estero : Giappone 1986 (JV con Mitsubishi) , USA, Russia, Cina, Norvegia, UK ,
Spagna.
Membro WG nei Comitati Nazionali , Europei, Internazionali per stendere normative
sulle macchine Elettriche
Dirigente di Progettazione Veicolo
Direttore Tecnico Unit di Business Service
Libero professionista ,Consulente ( TEST , CNR ) ,formatore , docente a contratto con
UNINA.
Incarico alla Federico II dal 2012 per il Corso di Propulsione Elettrica laurea Magistrale
Ingegneria Meccanica
Abstract
Il Seminario « Sistemi di Trasporto Innovativi » offre nella prima parte
una sintesi degli azionamenti elettrici utilizzati in trazione con particolare attenzione
al sistema di propulsione convertitore + macchina elettrica e ai criteri di
progettazione di quest’ultima , evidenziando che solo una progettazione integrata
fra ingegneri con diversa specializzazione può portare ad un prodotto finale
funzionale alle specificità della trazione elettrica.
Segue poi una sintesi 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 outside» ( tipo Maglev, Hyperloop alfa ) con le
loro infrastrutture attive sulle vie di corsa .
Concludono questa parte alcune slides sulle macchine elettriche innovative ad
alta densità di coppia come le macchine sincrone PM.
Abstract (cont.)
Il Seminario nell’ultima parte , dopo una breve sintesi sulla tipologia delle resistenze
al moto dei veicoli, prende in esame i criteri di progettazione della propulsione
elettrica dei sistemi tradizionali .
QUESTIONARIO
%Domanda 0
%===================
%La tensione della linea aerea FS in Italia è in massima parte a ?
%===================
%Risposte
%===================
%a) 3000 volt cc
%b) 25000 volt ca
%c) 1500 volt cc
%d) 1500 volt ca**
%Domanda 1
%=================== %
La linea elettrica per Alta velocità in Italia è a ?
%===================
%Risposte
%===================
%a) 25000 volt ca
%b) 15000 volt ca
%c) 3000 Volt cc e 25000 volt ca
%d) 3000 Volt cc**
%Domanda 2
%===================
%I motori elettrici dei primi treni in Italia erano motori in ?
%===================
%Risposte
%===================
%a) corrente continua
%b) corrente alternata monofase
%c) corrente alternata trifase
%d) corrente alternata polifase**
%Domanda 3
%===================
%Le batterie (accumulatori)di un veicolo elettrico moderno sono a ?
%===================
%Risposte
%===================
%a) ioni di litio
%b) nichel cadmio
%c) piombo %d)
idruri di ferro**
%Domanda 4
%===================
%I veicoli ibridi oggi in commercio hanno ?
%===================
%Risposte
%===================
%a) un motore termico con un generatore elettrico
%b) un generatore elettrico con un motore elettrico
%c) un motore termico con un generatore e un motore elettrico
%d) un motore termico e un motore elettrico**
%Domanda 5
%===================
%Come si regola la velocità dei moderni treni ?
%===================
%Risposte
%===================
%a) mettendo resistenze in serie ai motori
%b) mettendo induttanze in serie ai motori
%c) mettendo un convertitore elettronico fra linea aerea e motori
%d) mettendo un trasformatore a prese variabili prima dei motori**
%Domanda 6
%===================
%I moderni treni possono recuperare in rete parte dell'energia quando frenano ?
%===================
%Risposte
%===================
%a) si ,con la frenatura elettrica a recupero
%b) no , in nessun modo
%c) si , con la frenatura reostatica
%d) si , mettendo i motori in controfase fra di loro**
%Domanda 7
%===================
%Il treno Alta velocità ETR 500 ha una potenza complessiva alle ruote di ?
%===================
%Risposte
%===================
%a) compresa fra 1 e 3 MW
%b) compresa fra 3 e 5 MW
%c) compresa fra 5 e 7 MW
%d) compresa fra 7 e 9 MW**
%Domanda 8
%===================
%La regolazione di velocita' e coppia di un motore asincrono si realizza
modificando ?
%===================
%Risposte
%===================
%a) la frequenza
%b) la tensione
%c) la tensione e la frequenza insieme
%d) il numero delle spire**
%Domanda 9
%===================
%Le fuel cells sono sistemi di produzione energia elettrica che usano ?
%===================
%Risposte
%===================
%a) idrogeno
%b) idrogeno con ossigeno
%c) metano
%d) metano con idrogeno**
Lucarieè
Te piace o’ questionario ?
No , num’… m’ piace
www.studiotecnicopicardi.com/quest/propulsi
on_mobile2/start.php
www.studiotecnicopicardi.com/engeelin/archiv
e/start.php
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
IN PRINCIPIO C’ERA IL CAOS
………Energetico
POI VENNERO LE MACCHINE ELETTRICHE
‫מכמלוחות סולריים‬
E FU TROVATA LA SOLUZIONE !
Isaia [Deuteronomio lib. X]
Principi di funzionamento
Macchine elettriche
FORZA DI LORENZ
Macchine elettriche
•
•
In corrente continua
In corrente alternata
•
•
•
•
Asincrone
Sincrone
Sincrone PM
Sincrone a riluttanza
Macchine a corrente continua
Macchine a corrente continua
Commutatore
3 bobine dello statore disposte a 120 gradi nello spazio e
percorse da correnti sfasate fra di loro di 120 gradi nel
tempo producono un campo rorante.
Il campo rotante prodotto taglia gli avvolgimenti di rotore ,
induce una forza elettromotrice per la legge di Lenz che fa
circolare una corrente nelle barre , che interagisce con il
campo creato dalle tre correnti di statore e genera una
forza di Lorenz e quindi una coppia.
MOTORE SINCRONO
Il campo rotante è sincrono con il rotore che è
provvisto di poli salienti eccitati da una corrente
continua o da magneti permanenti
Statore
Rotore
Macchine a corrente alternata
bobine
Lamierini
Rotore
Anelli
Barre
Statore
Lamierini
Asincrono
a gabbia
Sincrono magneti
permanenti
Motore
Assile
Riduttore
Motore
Riduttore
Disco freno
TRAM SIRIO
Motore
Dal sommario
•
Configurazioni con motor inside
•
Configurazioni con motor totally outside
•
Configurazioni con motor part outside
Le nuove
macchine elettriche
Topologicamente diverse dalle standard
per consentire la separazione fra
induttore e indotto
Da un motore rotante si passa a un asincrono lineare
Single – sided stator linear induction motor
Double – sided stator linear induction motor
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)
•
Ngiri= 60*f/p
sorgenti a tensione variabile (DC motor)
•
Ngiri= k*(V-r*I)/Flux
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 sono molto distanti tecnicamente!
Cosa hanno fatto gli Ingegneri che ci hanno preceduto per dare una
soluzione , seppur parziale e non ottimizzata , al problema della trazione?
Gli ingegneri trazionisti hanno sempre adottato le migliori soluzioni
utilizzando al massimo le tecnologie disponibili .
Oggi , talune di quelle soluzioni , alla luce di una nostra maggiore
sensibilità per l’ambiente , ci sembrano poco sostenibili , perché
ritenute a ragione non energeticamente efficienti.
In tempi più recenti la soluzione che si è imposta e adottata da tutti
come la migliore : è stata la conversione elettronica a bordo dei
rotabili o a terra , dei parametri di alimentazione dei rotabili.
Motore in corrente continua
Motore monofase a collettore
variatore
Azionamenti elettrici
per diversi sistemi di
alimentazione
Tensioni di alimentazione
Sistema ferroviario ca
25 kV 50 Hz monofase
15 kV 16 +2/3 Hz
Sistema ferroviario cc
3000 V
1500V
Sistema metro-tram cc
1500 V
750V
600 V
CHOPPER
Step up
Step down
INVERTER
Vca , freq
Vdc
25 kV
50 Hz
Vca
Vdc
RADDRIZZATORE ( potenza in un sol senso)
4 quadranti
( potenza nei due sensi)
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-idrogeno = 120 MJ/kg = 33.33 kWh/kg
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)
Veicolo ibrido
Estrazione materia
prima
Gasolio
Da
petrolio
96.9
Trasporto
98.9
Efficienza dei processi
100 % di petrolio danno luogo a
90.3 % di gasolio pronto per l’uso
Produzione
combustibile
92
Efficienza veicoli
Motore termico 40 %
Generatore
+conversione 90 %
Motore_el 85 %
Trasmissione 95 %
distribuzione
99.2
Totale
90.3
Efficienza alle ruote
Eta tot 26.2 %
Veicolo all electric
Estrazione
Estrazione
materia
materia prima
prima
Gasolio
Da
Da petrolio
petrolio
96.9
Trasporto
Trasporto
98.9
Produzione
Produzione
combustibile
combustibile
distribuzione
distribuzione
92
Totale
Totale
99.2
90.3
Trasmissione
meccanica
veicolo
Totale
Efficienza dei processi
100 % di petrolio danno luogo a
90.3 % di gasolio pronto per l’uso
Centrale
elettrica
tradizionale
43
LCA-EPBT ?
Energie
rinnovabili
100
Trasmissione
Elettrica
95
Trasmissione
Elettrica
95
Processo
carica BAT
locale
92
Processo
carica BAT
locale
92
Convertitore
+Motore elettrico
85
Convertitore
+Motore elettrico
85
95
Trasmissione
meccanica
veicolo
95
27.4
Totale
70.7
La rivoluzione dell’ idrogeno
Speranze e/o frustrazioni
Siamo proprio sicuri
che la soluzione
perfetta sia l’idrogeno?
PRINCIPIO FUEL CELL
Estrazione
materia prima
Gasolio
Da petrolio
96.9
Trasporto
Produzione
combustibile
98.9
95
distribuzione
99.2
Totale
90.3
Efficienza dei processi
100 % di petrolio da luogo a
90.3 % di gasolio pronto per l’uso
Centrale
elettrica
tradizionale
43
Trasmissione
Elettrica
95
Processo
elettrolisi
Compressione
H2
70
Efficienza alle ruote
Eta tot 7.0 %
83
Totale
21.4
Da gasolio
Estrazione materia
prima
Gas
metano
Trasporto
98
compressione
95.1
Totale
95.1
88.9
Efficienza dei processi
100 % di metano giacimento da luogo a
88.9 % di metano pronto per l’uso
Centrale
elettrica a
metano
43
Trasmissione
Elettrica
95
Processo
elettrolisi
Compressione
H2
70
Efficienza alle ruote
Eta tot 6.8 %
83
Totale
21.0
Da metano
Energia
elettrica
rinnovabile
100
Trasmissione
Elettrica
95
Processo
elettrolisi
Compressione
H2
70
83
Totale
55.2
Efficienza alle ruote
Eta tot 17.8 %
Da energie
rinnovabili
Produzione idrogeno da metano CH4
Estrazione materia
prima
H2
Da
metano
Trasporto
98.0
Efficienza dei processi
100 % di metano danno luogo a
63.4 % di idrogeno pronto per
l’uso
95.5
Produzione
combustibile
81.0
Efficienza veicoli
Fuel cells 40 %
Motore_el 85 %
Trasmissione 95 %
Compressione
Totale
83.0
Efficienza alle ruote
Eta tot 20.5 %
63.4
TOYOTA MIRAI
700 bar 36 kg/m3
5-6 kg di H2
Consumo specifico = 0.177 kWh/km tipo Tesla
Per 500 km occorrono 0.177*500 = 88.5 kWh
Eta fuel cell (futuro) = 0.50-0.55
Energia da idrogeno = 88.5/0.55 = 177 kWh
Hi _H2 = 33.3 kWh/kg
== massa H2 = 177/33.3 = 5.3 kg
PRIMO TRENO A FUEL CELLS ( 2014)
PRODOTTO DA ALSTOM PER FERROVIE TEDESCHE
• Tutti i numeri di Coradia iLint Il nuovo Coradia iLint è un treno
realmente efficiente che, a livello di prestazioni, non fa rimpiangere i
suoi predecessori inquinanti.
•
Può viaggiare, infatti, per ben 600-800 chilometri e può contare su
diversi punti di rifornimento installati lungo il percorso che potranno
alimentare il mezzo attraverso i serbatoi posti sul tetto della vettura.
• Può trasportare fino a 300 passeggeri di cui 150 seduti e può
mantenere una velocità operativa di ben 140 chilometri orari.
• Un risultato davvero notevole, soprattutto se si considera che si tratta
di un mezzo di trasporto che non emette alcuna sostanza nociva.
• Le ferrovie tedesche hanno, dunque, “arruolato” un vero e
proprio alleato dell’ambiente e dell’ecologia.
L’ibrido è una soluzione valida , ma non è ottimizzata (ci sono 2 propulsori
e due sorgenti di energia) ; le fuel cell attuali sono costose 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
ANTENATI DEI MODERNI
SISTEMI IBRIDI
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