Sez 3c – DETTAGLI COSTRUTTIVI E FUNZIONALI
25 febbraio 2016
dalle ore 14.00 alle ore 19.00
c/o Sala Consiglio del Dipartimento di Energia
Politecnico di Milano
Unità cinetica o PGM
L’unità cinetica è un dispositivo in grado di:
• convertire energia elettrica in energia cinetica
• accumulare energia cinetica,
• cedere energia cinetica affinché sia riconvertita in
energia elettrica
Unità cinetica
• Soluzioni costruttive differenti in funzione della taglia
• Identico principio di funzionamento
2 vn sin (ω t )
1
1
2
j ωm = m r 2 ωm2
2
4
ωm c
motore asincrono
volano
volano
2 Vn sin (ω t )
ωm c
generatore sincrono
Unità cinetica
Motore
diesel
Volano
Macchina
sincrona
MS
M
Giunto elettromagnetico
Soluzione 1:
Volano di momento d’inerzia
infinito
Problema:
Durante il trasferimento di
energia cinetica da un volano a
un carico meccanico
rigidamente connesso, si verifica
un transitorio di velocità
angolare. Indesiderato. Occorre
una pulsazione costante.
Soluzione 2:
Accumulo cinetico a velocità
angolare superiore a quella
richiesta all’albero + sistema di
trasferimento energetico
Unità cinetica
Funzionamento normale: l’unità cinetica
immagazzina energia portando e mantenendo in
rotazione un volano a velocità angolare superiore a
quella della macchina sincrona
Transitorio di caduta rete: l’energia cinetica
immagazzinata è utilizzata per fornire la coppia motrice
all’alternatore
L’unità cinetica è essenzialmente costituita da:
– un motore asincrono
– un volano
– un dispositivo di trasferimento energia cinetica
Unità cinetica
Volano
ωa
Se ωv
> ωa
Accoppiamento modulabile
ωv
Utilizzatore
un accoppiamento modulabile è in grado di
trasferire coppia motrice dal volano all’utilizzatore
Unità cinetica
Il motore asincrono:
− mette in rotazione il volano (conversione energia elettrica
energia cinetica)
− mantiene in rotazione il volano (compensazione degli attriti di
entità assai modesta)
− può essere integrato nel volano oppure installato separatamente
Il volano:
− costituisce il “serbatoio” per l’energia cinetica, che viene
accumulata e mantenuta immediatamente disponibile
Il sistema di trasferimento energetico:
− agisce frenando il volano rispetto al suo statore e quindi rispetto
all’asse del generatore sincrono
− può essere o meno integrato nel volano
Unità cinetica
Immagine tratta da Wikipedia
Principio della frenatura mediante correnti parassite
3 tipi di unità cinetica, 3 gamme di potenza
+
17%
+ 4%
DUPS
500-1500 kVA
Power Pro
1600-2200 kVA
QPS
2500-3000 kVA
9
Unità cinetica D-UPS
–
–
statore della macchina asincrona: è solidale all’albero della macchina
sincrona. In funzionamento normale ruota a 1500 giri/min trascinato dalla
macchina sincrona che funziona da motore alimentato dalla rete
(funzionamento a vuoto). È dotato di un avvolgimento trifase
(azionamento della macchina asincrona) e di un avvolgimento per il
trasferimento energetico mediante frenatura relativa in cc.
rotore della macchina asincrona: ruota libero a circa* 3000 giri/min
a pieno carico rispetto al suo statore (quindi a circa 4500 giri/min rispetto
ad un osservatore esterno) e ha lo scopo di immagazzinare energia
cinetica
* a meno dello scorrimento
Unità cinetica D-UPS
L’unità cinetica è costituita da:
– rotore della macchina asincrona (volano)
– statore della macchina asincrona, dotato
di doppio avvolgimento (a.c. e c.c.) e
contenuto in una cassa non in rotazione
– l’avvolgimento a.c. (trifase un paia poli) genera un campo magnetico
rotante che mantiene in rotazione il rotore volano rispetto al suo
statore (~ 3000 giri/min), che pertanto immagazzina energia cinetica.
– l’avvolgimento c.c. genera all’occorrenza un campo magnetico che
crea una coppia frenante (tra volano rotore e statore). La frenatura
(accoppiamento magnetico modulabile) attua il trasferimento
controllato di energia cinetica dal volano all’albero del
generatore in forma di coppia motrice, che mantiene in frequenza la
macchina sincrona, (funzionamento da generatore)
Velocità del volano (rispetto al suo
statore)
È la velocità angolare di un normale motore asincrono
60 ⋅ f
ns = pp
ns= velocità di rotazione del campo statorico
f = frequenza di alimentazione
pp = numero coppie avvolgimenti statorici
Scorrimento
−n
n
s=
n
s
r
s
Può essere alimentato a frequenza variabile
Unità cinetica D-UPS
Accoppiamento
magnetico
modulabile tra
rotore e statore
Accumulo energia, funziona da motore:
− statore (1500 giri/min) alimentato a 50 Hz
− rotore in rotazione a vuoto (4500 giri/min)
L’energia disponibile è pari a
1
1
2
2
j ω = m r ⋅ (100π ) 2 [ J ]
2
4
Con m = massa del volano
r = raggio del volano
ω = 2πf
Restituzione energia, funziona da freno:
−statore (1500 giri/min) alimentato in cc
− rotore in decelerazione per trasferire energia allo
statore ovvero alla macchina sincrona
− albero alternatore solidale allo statore (1500
giri/min)
Unità cinetica Power Pro
Sistema di trasferimento
energetico integrato
Volano
Sistema brushless per l’alimentazione
del sistema di trasferimento
energetico
Albero alternatore
Motore asincrono di lancio
(pony motor)
Unità cinetica QPS
Albero alternatore
L’unità cinetica è costituita da:
Pony motor a velocità variabile
per mantenere in rotazione il
volano esterno
Volano esterno che immagazzina
energia cinetica (disponibile in 3
taglie)
Modulo di trasferimento energia:
• Rotore interno solidale al volano
• Rotore esterno con avvolgimento c.c. che genera il campo
magnetico utilizzato per la frenatura
Unità cinetica QPS
Pony
motor
Nucleo dispositivo di
trasferimento energetico
Albero
alternatore
Volano
Lamierino
statore
Avvolgimento cc
Sistema
brushless
QPS
Motore Diesel
Modulo di
Trasferimento
Energia (ETM)
Innesto a ruota libera
Alternatore
Volano
Unità cinetiche: confronto
− le unità cinetiche dei tre sistemi sono identiche nel principio
di funzionamento
− quella del D-UPS ingloba in un unico oggetto: macchina
asincrona per la rotazione del volano, volano di accumulo,
sistema di frenatura
− quella del Power Pro è dotata di un pony motor (macchina
asincrona per la rotazione del volano) e di un componente
che ingloba volano di accumulo, sistema di frenatura
− quella del QPS è composta da più oggetti separati: macchina
asincrona per la rotazione del volano (pony motor), volano di
accumulo, sistema di frenatura
Unità cinetiche: confronto
D-UPS
POWER PRO
QPS
Perchè sistemi diversi?
Nascono dal costante
incremento delle taglie
disponibili
Incrementare la taglia porta
a dover incrementare il
prodotto m r 2 ωm2
Di conseguenza per
risolvere i nuovi problemi
meccanico strutturali
vengono studiate nuove
configurazioni
LANCIO ACCUMULO TRASFERIMENTO ALTERNATORE
