Recupero di Energia V02/08

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1 Recupero di Energia V02/08

2 Introduzione Spesso sistemi dinamici azionati da motori con grandi masse rotanti o utilizzati per muovere carichi di peso elevato, accumulano alti livelli di energia cinetica o di energia potenziale e ciò fa si che quando venga richiesta la decelerazione o l arresto allora si presenti un problema. Viene richiesto al motore di lavorare in modo inverso e il motore si comporta come un generatore di energia elettrica che deve essere dirottata o dissipata. Un modo semplice per ottenere questo consiste nel fornire il surplus di energia elettrica a una resistenza di frenatura che la converte in energia termica. Esempi di sistemi che accumulano energia cinetica sono centrifughe, presse piegatrici, generatori eolici, grandi ventilatori e treni, mentre esempi di sorgenti di energia potenziale sono ascensori, scale mobili e gru. Oggi l energia elettrica sta diventando sempre di più un bene prezioso ed è quindi essenziale che la maggior parte possibile di questa energia venga riciclata facendola ritornare verso la rete di alimentazione un processo noto come recupero. Tuttavia le resistenze di frenatura possono essere ancora richieste come sistema di riserva quando la rete di alimentazione non è in grado di ricevere la potenza recuperata, come nel caso di assenza di corrente, livelli di tensione incompatibili o situazioni critiche per la sicurezza. Con l impiego crescente di convertitori controllati collegati all estremità anteriore di inverter a frequenza variabile (ponti a commutazione forzata che utilizzano GTO o IGBT controllati con commutazione PWM) sta diventando molto più semplice immettere l energia in eccesso nella rete elettrica perché il sistema di controllo può controllare il flusso della corrente in entrambe le direzioni utilizzando i semiconduttori di potenza per controllare quando la corrente deve fluire o arrestarsi, sia lato carico sia lato rete, contrariamente a quanto avviene con un ponte rettificatore non controllato (a commutazione naturale) che si basa sul passaggio della corrente per lo zero per spegnere i suoi tiristori. Ci sono altri vantaggi nell adottare questo sistema, ad esempio la sequenza di commutazione del convertitore controllato può essere utilizzata per attenuare la corrente durante la carica e la scarica dei condensatori nel circuito DC link e può anche essere utile per la riduzione delle correnti armoniche condotte lato rete di alimentazione del sistema. Con l introduzione delle nuove disposizioni comunitarie quali la Direttiva Europea EuP 2005/32/EC (Eco design of Energy-using Products) è responsabilità dei progettisti e dei costruttori assicurare che i prodotti siano ad efficienza energetica. I governi di alcuni paesi offrono inoltre incentivi come contributi e finanziamenti agli installatori di apparecchiature verdi. E solamente quindi una questione di tempo prima che il recupero di energia diventi pratica comune sia negli ambienti residenziali sia negli ambienti industriali. 1 Lay-out preliminare di un sistema a recupero di energia REO

3 Un tipico sistema rigenerativo connesso alla rete di distribuzione Nell esempio che segue relativo a un convertitore rigenerativo (convertitore a recupero di energia) ci sono quattro componenti principali che sono collegati tra la rete elettrica e il convertitore, che è collegato al carico, in questo caso un motore asincrono. Un inverter back-to-back è stato scelto per recuperare energia verso la rete. 1) Connessione alla rete di alimentazione pubblica attraverso un normale filtro EMC per la rimozione dei disturbi condotti 2) Resistori di precarica che vengono connessi al circuito quando l inverter viene inizialmente messo in tensione, per ridurre i picchi di corrente e proteggere i condensatori del DC link durante la carica 3) Filtro per la rimozione delle frequenze armoniche nell onda sinusoidale di corrente quando la potenza viene recuperata dal carico verso la rete di distribuzione 4) Reattore survoltore separato che eleva il valore della tensione del DC link, consentendo così alla corrente di scorrere verso la rete di distribuzione Il convertitore a matrice A differenza degli inverter back-to-back, i convertitori a matrice non richiedono un DC link con condensatori di capacità elevata perché convertono la tensione trifase AC direttamente in tensione trifase AC variabile. Richiedono però 18 dispositivi di commutazione di potenza completamente controllabili e 18 diodi veloci mentre gli inverter back-to-back richiedono solamente 12 di ognuno di questi componenti. I convertitori a matrice sono quindi molto più costosi da produrre ma forniscono una miglior capacità di recupero dell energia. Vi è anche un problema legato al rapporto di trasferimento di tensione che è limitato all 86% del valore della tensione di ingresso e ciò significa che motori standard non possono essere utilizzati su linee di alimentazione standard. Il grande vantaggio dei convertitori a matrice è che hanno un flusso di potenza bidirezionale intrinseco con caratteristiche tensionecorrente a quattro quadranti da entrambe le parti e le correnti di ingresso e di uscita sono sinusoidali. I convertitori a matrice richiedono un filtro di ingresso per far circolare le armoniche della frequenza di commutazione e alcuni sistemi di commutazione utilizzano un circuito risonante ausiliario per ottenere una commutazione sicura. 2

4 Recupero di energia elettrica da una scala mobile Ascensori e scale mobili sono due buoni esempi di come l energia elettrica possa essere convertita dall energia potenziale. Quando i passeggeri vengono trasportati da un piano superire a uno inferiore il motore si comporta come un generatore e l energia in eccesso può essere convertita in calore utilizzando resistenze di frenatura dinamica o può essere immessa nella rete elettrica pubblica di distribuzione, cosa che ovviamente risulta più soddisfacente se i costi addizionali di un sistema di azionamento più sofisticato possono essere giustificati per l applicazione. Considerazioni per il progetto Quando viene utilizzato un sistema a recupero di energia si devono prendere particolari precauzioni per essere certi che la qualità della potenza rigenerata sia di sufficiente qualità per essere accettata dalla rete e che la rete sia completamente protetta da corto circuiti e disturbi. I valori di capacità dei condensatori per la rimozione delle armoniche devono essere attentamente calcolati per assicurarsi che unitamente al trasformatore di distribuzione i condensatori non creino un circuito risonante Il tipo di drive a frequenza variabile e l hardware, possono influenzare la scelta dei componenti dei filtri e ciascuno dei punti seguenti deve essere preso in attenta considerazione: - il tipo di modulazione e il fattore di modulazione del drive - la frequenza di commutazione per la rigenerazione - l impedenza del drive e della rete di alimentazione - la lunghezza dei cavi - caratteristiche speciali del drive (circuiti per elevare la tensione del DC link) E anche importante ricordare che la rete di distribuzione elettrica può non sempre essere libera di accettare energia elettrica rigenerata, a causa d interruzioni di corrente non programmati o di altri problemi imprevisti. Quindi una resistenza di frenatura sarà quasi certamente richiesta per la frenatura dinamica di riserva o per situazioni di emergenza. può aiutare nel progetto e nella scelta dei componenti che costituiscono la miglior soluzione per la Vostra applicazione, utilizzando competenze ingegneristiche, vasta esperienza in tutti i settori industriali e attività di produzione specializzate. 3

5 Sistemi rigenerativi nei treni Durante il servizio normale ai treni può essere richiesto di fermarsi piuttosto frequentemente e a volte rapidamente. L energia cinetica viene dissipata nei freni ad attrito assistiti da resistenze di frenatura dinamica per ridurre l usura delle parti meccaniche. Con le linee ferroviarie elettrificate a corrente continua (DC) non è possibile restituire energia alla rete di distribuzione nazionale ma se altri treni sono in trazione nella stessa sezione (che viene rivelata misurando la tensione di alimentazione per accertarsi che non aumenti quando il treno rigenera energia) allora l energia può essere trasferita. Quando non vi sono altri treni nella stessa sezione allora devono essere utilizzate le resistenze di frenatura per dissipare l energia in eccesso. Nelle linee elettrificate a corrente alternata (AC) la rigenerazione è qualcosa di più complesso ma che sta diventando di giorno in giorno sempre più raggiungibile con l utilizzo di un raddrizzatore controllato al silicio. Comunque, poiché le linee elettriche aeree AC sono alimentate da fasi differenti della rete nazionale e il cavo di contatto è alimentato in sezioni distinte con una sezione isolata di cavo nota come sezione neutra, a intervalli regolari del percorso vi sono sezioni che non sono recettive al recupero di energia. Lungo queste sezioni è richiesta una resistenza di frenatura dinamica per poter far rallentare il treno. In tutti i sistemi è utile utilizzare energia rigenerata quando la normale energia non è disponibile dalla linea elettrica aerea e in particolare quando il treno deve essere portato all arresto controllato con tutti circuiti di emergenza, illuminazione e comunicazione in funzione. Le locomotive diesel elettriche sono in grado di utilizzare solamente le resistenze di frenatura. Un tipico sistema AC per trazione ferroviaria 1) Pantografo per linea aerea 15kV 16.67Hz oppure 25kV 50Hz 2) Interruttore di protezione extrarapido 3) Trasformatore step-down 4) Convertitore a quattro quadranti per la conversione AC/DC 5) Filtro LC risonante per la riduzione della quinta armonica e per il livellamento della tensione DC utilizzata dall inverter a frequenza variabile 6) Condensatori di accumulo del DC link per il livellamento della tensione 7) Resistenza di frenatura 8) Inverter a frequenza variabile 9) Motore di trazione trifase 10) Inverter per I sistemi ausiliari 11) Trasformatore di adattamento per il circuito di alimentazione dei sistemi ausiliari 12) Filtro per la soppressione dei disturbi EMC di modo comune e di modo differenziale 13) Ritorno di corrente attraverso il contatto tra i carrelli e le rotaie 4

6 Il sistema Bus DC Un altro modo per recuperare energia elettrica può essere utilizzato con i sistemi multi drive. Il collegamento in parallelo dei DC link di più drive consente a un drive il cui motore è in trazione di utilizzare l energia di frenatura/rigenerata proveniente da un altro drive. Ciò aumenta l efficienza del sistema poiché non tutta l energia recuperata viene sprecata in calore generato dalle resistenze di frenatura e viene prelevata meno energia dalla rete di alimentazione. Ciò può risultare particolarmente vantaggioso se si sta utilizzando uno dei motori del sistema per fornire tensione a una fune. Molti sistemi Bus DC vengono utilizzati in applicazioni servo-drive a elevate prestazioni dove sostanziali quantità di energia vengono utilizzate in accelerazione e in frenatura dai drive. 1) Il gruppo di varistori in ingresso fornisce protezione contro le sovratensioni fase-fase e fase-terra 2) L utilizzo di un convertitore di ingresso bulk è preferito se l installazione richiede che vengano collegati insieme drive di differenti potenze 3) Un condensatore ad alta tensione in polipropilene dovrebbe essere inserito tra i terminali del modulo raddrizzatore perché ciò aiuta a ridurre i picchi di tensione di commutazione inversa e può anche fornire una via alle correnti di disturbo RFI nelle applicazioni dove vi sono lunghi percorsi cavi 4) Le induttanze dei DC link dei drive standard tendono a non essere in funzione se il drive è alimentato con tensione DC e quindi è necessario avere una induttanza esterna di valore adatto per tutti i drive collegati al DC link. Suddividendo in modo uguale l induttanza tra la linea positiva e la linea negativa del DC link, può fornire una certa impedenza per limitare le correnti di guasto se compare un guasto a terra nella linea positiva o nella linea negativa del DC link. L induttanza del DC link dovrebbe essere scelta con un valore tale da mantenere costante in modo ragionevole la costante di tempo del DC link. 5) Il Bus DC è collegato a tutti gli inverter 6) La limitazione della corrente di inserzione non è richiesta se ogni singolo drive ha il proprio circuito di avviamento graduale (resistore di limitazione e relais/contatti) in funzione fino a quando la tensione del DC link non raggiunge il livello corretto 7) Può essere ancora necessario avere un resistore per requisiti di frenatura a prova di guasto. 5 REO Powerpack

7 Una selezione di componenti forniti da Filtri per le armoniche Le armoniche sono generate dalle rapide commutazioni dei semiconduttori di potenza negli inverter a frequenza variabile e dalla carica e scarica dei condensatori di accumulo del DC link. La distorsione armonica può essere rimossa inserendo una induttanza a monte e una induttanza a valle dei convertitori di potenza. Le reattanze induttive REO sono progettate per bloccare tutte le armoniche e per consentire alla fondamentale di passare e ciò viene ottenuto perché l impedenza induttiva aumenta di valore con l aumentare del valore della frequenza. Resistenze di frenatura Resistenze di avviamento Quando un sistema dinamico è in rotazione accumula energia cinetica e quando accelera troppo rapidamente o viene richiesto l arresto ciò può essere ottenuto con l utilizzo di resistenze di frenatura. Le resistenze di frenatura possono essere collegate al DC link di un inverter per convertire l energia cinetica in eccesso in energia termica. La maggior parte dei convertitori di frequenza hanno un dispositivo al loro interno che connette la resistenza di frenatura quando il livello di tensione del DC link supera un certo limite e la disconnette quando il valore della tensione del DC link ritorna a un valore di sicurezza. Quando un componente induttivo viene collegato alla rete assorbe un valore elevato di corrente di magnetizzazione che può causare microinterruzioni di tensione, scariche e flicker nella rete. Ciò crea anche forti sollecitazioni meccaniche al sistema. Per ridurre l effetto di questa corrente di inserzione, possono essere collegati resistori in serie alla linea di alimentazione e dopo un breve intervallo di tempo i resistori possono essere by-passati con un interruttore. Resistenze raffreddate ad acqua Quando un generatore raffreddato ad acqua o un inverter viene utilizzato per ridurre il rapporto potenzadimensioni e potenza-peso di un generatore eolico, allora il circuito può essere progettato per incorporare anche resistenze raffreddate ad acqua. I resistori prodotti da hanno molte caratteristiche particolari una delle quali è lo speciale contenitore-dissipatore di alluminio che incorpora canali di raffreddamento diretto ad acqua all interno dell estruso. Gli avvolgimenti del resistore sono circondati da riempitivo al quarzo che fornisce resistenza agli urti, protezione contro i corto circuiti e veloce trasferimento del calore. 6

8 REO World-wide Contacts REO ELEKTRONIK AG Brühler Strasse 100 D Solingen Brühler Strasse 100 D Solingen Setzermann Medical Division IBK Drives Division Test and Power Quality Division Train Technologies Nieke Division Centre of Competence REO ELEKTRONIK AG Schuldholzinger Weg 7 D Pfarrkirchen Holzhausener Strasse 52 D Kyritz Brühler Strasse 100 D Solingen Erasmusstrasse 14 D Berlin Im Halbiacker 5a CH-8352 Räterschen REO (UK) Ltd. Units 2-4 Callow Hill Road Craven Arms Shropshire SY7 8NT REO Engineering Services Parc d`activités HERACLES Chaussée de Charleroi 91 bat 5 B-6060 Gilly (Charleroi) REO VARIAC S.A.R.L. ZAC Du Clos aux Pois 1 6/8 rue de la Closerie-LISSES F Evry Cédex REO ITALIA S.r.l. Via Treponti, 29 I Rezzato (BS) REO CROMA Sp.zo.o. ul. Pozaryskiego 28, bud 20 PL Warszawa REO-USA, Inc North Post Road, Suite #132 USA-Indianapolis, IN REO-ESPAÑA 2002 S.A. REO Shanghai Inductive Components Co., Ltd. Moscow Representative Office NEEL REO SYSTEMS PVT.LTD. C/Manuel Ventura i Campeny 21B local 9 E Vilassar de Dalt (Barcelona) No. 536 ShangFeng Road, Pudong, Shanghai, China Vienna House ul. Petrovka Moskau 406 Saphire Arcade 42, M.G. Road Ghatkopar (E), Mumbai Tel. +49 (0) Fax +49 (0) main@reo.de Tel. +49 (0) Fax +49 (0) main@reo.de Tel. +49 (0) Fax +49 (0) setzermann@reo.de Tel. +49 (0) Fax +49 (0) ibk@reo.de Tel. +49 (0) Fax +49 (0) main@reo.de Tel. +49 (0) Fax +49 (0) mail@nieke.com Tel. +41 (0) Fax +41 (0) info@reo.ch Tel. +44 (0) Fax +44 (0) main@reo.co.uk Tel. +32 (0) Fax +32 (0) reoes@skynet.be Tel. +33 (0) Fax +33 (0) reovariac@reo.fr Tel Fax info@reoitalia.it Tel. +48 (0) Fax +48 (0) croma@croma.com.pl Tel. +1 (0) Fax +1 (0) main@reo-usa.com Tel. +34 (0) Fax +34 (0) info@reospain.com Tel. +86 (0) Fax +86 (0) info@reo.cn Tel. +7 (0) Fax +7 (0) main@reo.de Tel. +91 (0) Fax +91 (0) info@neel.in