Power Quality:
Gruppi rotanti di continuità
e
compensatori dei buchi di tensione (DVC)
Interazione con l’impianto elettrico
Dott. Ing. Gabriele Tacchi
23 febbraio 2017
Scuola di Ingegneria ed Architettura – Università di Bologna
Macchina sincrona
• Funzionamento normale: la macchina sincrona funziona da motore
elettrico e da compensatore sincrono
• Funzionamento diesel: la macchina sincrona funziona da generatore
• tensione:
400 V
• frequenza:
50 Hz
• velocità di rotazione 1500 giri/min
• classe d’isolamento: H
• classe di protezione: IP 21
Macchina sincrona
• In funzionamento normale ruota a 1500 giri/min alimentata dalla
rete:
produce energia reattiva.
• In funzionamento diesel ruota a 1500 giri/min azionata dal motore a
combustione:
si comporta da alternatore e produce energia attiva e reattiva.
Macchina sincrona
• Il compensatore sincrono, detto anche condensatore rotante, è di fatto
costituito da una condizione particolare di funzionamento della macchina
sincrona, che si ha sotto le seguenti ipotesi:
• funzionamento da motore della macchina sincrona;
• fem di fase indotta dal flusso di rotore > tensione di fase
(sovraeccitazione)
In questa condizione, la macchina sincrona
produce potenza reattiva
Q 3E
E0 E
xd
Con: xd = reattanza sincrona
E = tensione di fase ai morsetti
E0 = f.e.m. di fase indotta dal flusso di rotore
I
E0 E
= corrente di statore
xd
E0 > E produzione di potenza reattiva
E0 < E assorbimento di potenza reattiva
Macchina sincrona
Alcune caratteristiche peculiari
• Macchina sincrona sovradimensionata per garantire correnti
di guasto confrontabili con quelle dei trasformatori
• L’ andamento delle correnti di guasto (corto circuito a valle
del DUPS) in “normal operation” o in funzionamento diesel
sono molto simili
• si può quindi utilizzare un unico criterio di selettività delle
protezioni a valle del sistema
Potenza apparente di targa “no break”
2.000 kVA
Inom “no break”
2.890 A
Potenza attiva (cos =0,8)
1.600 kW
Potenza di targa macchina sincrona (H1)
3.550 kVA
Il reattore
• La presenza del reattore consente di assolvere a diverse funzioni.
•
•
•
•
consente la regolazione di tensione a valle della macchina;
costituisce parte del sistema di filtraggio delle armoniche;
elimina piccoli disturbi di rete in modo autonomo;
in caso di cortocircuito a monte garantisce:
– variazione di tensione < 20%
– recovery time < 1 s
– componente della corrente di guasto <2In
Il reattore
• Il reattore utilizzato è costituito da un unico avvolgimento trifase su
nucleo, con una presa intermedia, quindi elettricamente si configura
come due induttori magneticamente accoppiati connessi in serie. Alla
presa intermedia è collegata la macchina sincrona.
• Tale reattore può essere schematizzato in modo semplice utilizzando
la trasformazione a T.
Trasformazione a “T”
L’induttore “virtuale” M* serve a tener conto del mutuo
accoppiamento tra L1 e L2, la scelta dei segni dipende dal
verso di accoppiamento delle induttanze
L1*=L1 M
L2*=L2 M
M* = - M
Trasformazione a “T”
L1*=L1 M
L2*=L2 M
M* = - M
L1+M
L2+M
-M
L1
M
M
-M
L2
Trasformazione a “T”
Reattore
rete
Xa
Xb
Xc
Uin Trasformatore
(solo sistemi MT)
Uout
Xtr
Xg
Macchina
sincrona
Eg.
Xl
carico
Metodo di calcolo
Dati:
•
•
reattanza reattore
Np/(Np+Ns) – definisce il punto in cui è derivato il terzo ramo
Procedimento:
•
•
Dai dati, si ricavano i valori di Lp, Ls ed M
Si attua la trasformazione a T ricavando Xa, Xc, Xb
Richiami sulle armoniche
• I carichi non lineari assorbono correnti non sinusoidali;
• Le correnti non sinusoidali causano cadute di tensione non sinusoidali ai capi
dell’impedenza di rete (legge di Ohm);
• Le tensioni non sinusoidali (armoniche) si propagano sulle reti;
• Le armoniche causano problemi di varia natura (disturbi, surriscaldamenti,
malfunzionamento dei motori, flicker etc.);
• I carichi lineari non esistono quasi più.
Richiami sulle armonica
Un tipico carico non lineare può essere schematizzato come il
parallelo di m generatori a corrente impressa di frequenza
f (2n 1) con n = 2, m e f = 50 per la rete europea.
150 Hz
\
\
350 Hz
\
\
250 Hz
\
\
(2n-1) Hz
\
\
450 Hz
\
\
Impianto
Funzione filtro per armoniche
Distorsioni armoniche all’uscita del D-UPS dovute al carico
• Il carico non lineare assorbe correnti distorte, ovvero affette da armoniche;
• La distorsione della tensione dipende dall’entità delle correnti armoniche e dall’impedenza
equivalente di rete vista dal carico (legge di Ohm).
Calcolo dell’impedenza equivalente
Utilizzando le note regole dell’elettrotecnica, l’induttanza equivalente vista dal carico è
data dalla seguente:
Xa
rete
Xg
Macchina
sincrona
Eg
Lato carico
Xc
Xtr
Xm
X
Xb
eq
X
b
( X a X m)( X c X tr X g )
X
a
X m X c X tr X g
Il reattore è dimensionato in modo tale
che
X c X tr X g 0
Per cui risulta: X eq X b
All’ennesima armonica risulta che X eqn X bn
Da ciò discende: U out n I out n X b n I out n nX b 1
VALE SEMPRE, PER QUALSIASI ARMONICA
GENERATA DAL CARICO
Funzione filtro per le armoniche
Distorsioni armoniche all’ingresso del D-UPS dovute al carico
• Il carico non lineare assorbe correnti distorte, ovvero affette da armoniche;
• La distorsione della tensione dipende dall’entità delle correnti armoniche e
dall’impedenza equivalente di rete vista dal carico (legge di Ohm).
Calcolo dell’impedenza equivalente
Utilizzando le note regole dell’elettrotecnica, la corrente armonica verso l’ingresso è data
dalla seguente:
rete
Iin
Xb
Xc
Xtr
Xg
Macchina
sincrona
Lato carico
Xm
Xa
Iout
( X c X tr X g )
I in I out
X X X X X
Il reattore è dimensionato in modo
tale che X c X tr X g 0
a
m
Per cui risulta: I
Eg
c
in n
tr
g
0
VALE SEMPRE, PER QUALSIASI ARMONICA
GENERATA DAL CARICO
Icc
La Icc del sistema DRUPS non è la Icc del generatore!
La parte elettrica della macchina non è costituita solo dal
generatore.
Icc – schema equivalente
Icc
Presenza rete, cc all’uscita, I picco 45 kA = 18 In
Diesel, cc all’uscita, I picco 25 kA = 10,2 In
Stato del neutro
• Il problema non si pone nel caso di impianti in bassa tensione: il
centro stella del generatore è collegato francamente a terra, il
conduttore di neutro proveniente dal trasformatore MT/BT è
passante e non è interessato dal quadro di potenza del sistema, che
non modifica lo stato del neutro dell’impianto.
Stato del neutro
• Sistema TNC
Stato del neutro
• Sistema TNS
Stato del neutro
• In caso di impianto con distribuzione MT si pone il problema dello
stato del neutro della rete MT.
• Lo stato del neutro MT può essere gestito a piacere solo se ciò non
altera lo stato del neutro della rete di pubblica distribuzione.
• Ciò implica che il neutro, in impianti non galvanicamente separati
dalla rete, non debba essere collegato a terra
Stato del neutro
Sistema in media tensione
Stato del neutro
Sistema in media tensione
Attenzione, modifica stato neutro rete MT!!
In Italia ammesso solo con separazione galvanica a monte
rete AT (fornitura a un diverso livello di tensione, AT o MT)
Stato del neutro
• Attenzione, lo stato del neutro MT desiderato deve essere
segnalato al costruttore del sistema poiché ha impatto sul
dimensionamento dell’isolamento del reattore MT.
• Per gruppi con neutro MT isolato da terra, in caso di guasto
monofase a terra, la sollecitazione dielettrica tra avvolgimenti e
nucleo magnetico del reattore assume valori che possono
1
arrivare molto vicino a Vn (1 ) durante il funzionamento in
3
isola.
Funzionamento di breve durata in parallelo
Norma tecnica CEI 0-16 par 8.5.4.1.
• La NT recepisce l’esigenza di fare le prove a “carico” dei
Gruppi di soccorso ed emergenza e regolamenta la
possibilità del funzionamento in parallelo con la Rete
permettendo di “caricare” i Gruppi con la potenza
necessaria e variabile al fine di una più puntuale verifica e
messa a punto degli stessi
• Le prescrizioni tecnico – autorizzative per il parallelo
fino a 30 minuti sono semplificate e non richiedono
autorizzazione, ma solo notifica.
• Per durate maggiori, è da concordare con il Distributore
l’applicazione integrale della Norma, ma con le
semplificazioni praticabili a giudizio del Distributore stesso.
Funzionamento di breve durata in parallelo
Norma tecnica CEI 0-16 par 8.5.4.1.
• È richiesto l’inserimento di un Sistema di Protezione di
Interfaccia (SPI) che comprende una protezione di controllo
dello stato della Rete al fine di fornire un consenso o una
inibizione (in caso di cadute Rete) all’Interruttore di
Interfaccia (DDI), ossia all’interruttore che realizza la
condizione di parallelo tra la Rete Pubblica e il Generatore
in prova.
• Nell’esempio specifico (vedere Schema Unifilare
semplificato,) la condizione di erogazione di potenza tra il
Generatore in prova e la Rete BT interna dell’Utenza
(collegata alla Rete Pubblica), si realizza nella condizione di
interruttore Q2 aperto, e con la chiusura dell’interruttore
Q1, previa sincronizzazione, effettuando così il parallelo.
Esempio schema di inserzione PPR
Predisposizioni e procedura autorizzativa
A) Predisposizione della funzione
• settaggio dei parametri di gestione del gruppo per adattarli alla
configurazione di impianto e alle normative italiane;
• installazione di selettore di comando nel quadro UCP
• prove e test in bianco;
• collaudo finale;
• B) Procedura autorizzativa
• Espletamento delle pratiche di notifica, come previsto dalla Norma
CEI presso le autorità preposte.
• Installazione del pannello Protezione Rete.
PPR: funzioni di protezione
secondo CEI 016
Codice
ANSI/IEEE
Descrizione
27
Minima tensione
59
Massima tensione
59N
Massima tensione residua
81O
Massima frequenza
81U
Minima frequenza
81R
Derivata di frequenza
Norma tecnica CEI 0-16 par 8.5.4.1.
Funzionamento di breve durata < 30 s in
parallelo
• Qualsiasi impianto di produzione trifase, statico o rotante,
anche privo di SPI può funzionare in parallelo rete purché la
durata non ecceda, tramite relè temporizzatore, 30 s.
• Trascorso tale tempo, la condizione di parallelo deve essere
interrotta.
• Il suddetto relè deve quindi:
• avviarsi al momento di inizio del funzionamento breve in
parallelo
• separare l’impianto di produzione dalla rete alla fine del
tempo di ritardo.
Cogenerazione e DRUPS
Un DRUPS e un cogeneratore nello stesso unifilare?
SI, come:
1. Il cogeneratore deve lavorare in parallelo rete a monte del
DRUPS.
2. In caso di mancanza rete è opportuno aprire l’interruttore a monte
del DRUPS lasciando a quest’ultimo il compito di alimentare i
carichi critici.
Cogenerazione e DRUPS: rete presente
Cogenerazione e DRUPS: rete non presente
