3c Dettagli costruttivi e funzionali 2
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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
