In una piccola industria di floricoltura, l impianto elettrico per l alimentazione degli uffici

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1 Esame di Stato di Istituto Professionale Indirizzo: Tecnico delle industrie elettriche Tema di: Elettrotecnica, Elettronica e Applicazioni Luigi Manzo - Giuseppe Gallo In una piccola industria di floricoltura, l impianto elettrico per l alimentazione degli uffici e della serra prevede le seguenti linee: 1. per gli uffici: A. illuminazione 1,5 kw B. reparto informatico 2 kw cosϕ = 0,9 C. servizi vari monofase 2,5 kw cosϕ2 = 0,8 2. per la serra: A. illuminazione 2,5 kw B. servizi vari monofase 1,5 kw cosϕ =0,8 C. un motore a corrente continua ad eccitazione indipendente per l irrigazione: potenza 4 kw; tensione 110 V; rendimento 0,89; coppia 15 Nm D. tre motori asincroni trifase per la movimentazione dei nastri trasportatori Inoltre, l impianto prevede un gruppo di continuità per l alimentazione del reparto informatico, dei servizi vari della serra e dell illuminazione di sicurezza (P = 800 W) in caso di interruzione dell erogazione dell energia dalla rete da 230/400 V. Il candidato, fatte le eventuali ipotesi aggiuntive: 1. rappresenti l impianto mediante uno schema semplificato specificando la funzione e le principali caratteristiche di ogni componente e in particolare la struttura del gruppo di continuità; 2. scelga tra i seguenti (S1 = 4,3 KVA; S2 = 6 KVA; S3 = 8 KVA) il gruppo di continuità più idoneo ad assicurare l alimentazione e determini la carica elettrica della batteria di accumulatori con tensione pari a 50 V necessaria per assicurare un autonomia di 12 minuti. 3. calcoli la corrente per dimensionare la linea che alimenta i tre motori asincroni trifase. 4. determini la corrente assorbita, la velocità di rotazione del motore in corrente continua nelle condizioni nominali e illustri le conseguenze di una diminuzione del 15% della coppia applicata. Il sistema automatico per l irrigazione prevede una pompa che preleva l acqua da un bacino per riversarla a pioggia sulle piante e un ciclo comprendente una prima fase di irrigazione di durata T1, una pausa di durata T2 e una seconda fase di irrigazione T1. Il candidato, nell ipotesi che l avvio del ciclo è manuale o automatico, se l umidità va oltre il valore previsto, e formulate altre eventuali ipotesi che ritiene opportune, illustri una soluzione per il sistema automatico del prelievo dell acqua usando un linguaggio di sua scelta. Soluzione quesito 1 Il quadro generale dell industria di fluoricultura è costituito da: 1 interruttore differenziale magnetotermico generale Id 300 ma 3 interruttori differenziali magnetotermici a protezione delle linee degli uffici, dell UPS, e delle linee della serra Id 30 ma 8 interruttori magnetotermici a protezione delle singole linee di alimentazione degli utilizzatori. 16 btscuola La pompa di irrigazione è azionata da un motore in c.c., collegato ad una linea trifase attraverso un trasformatore trifase e un convertitore statico CA/CC, con comando per le fasi di irrigazione a PLC.

2 Per distribuire meglio il carico alcune linee sono state ipotizzate con una distribuzione trifase più neutro SCHEMA SEMPLIFICATO DEL QUADRO ELETTRICO Descrizione della struttura del gruppo di continuità Il gruppo di continuità trifase È costituito da un sistema statico UPS (UNINTERRUPTIBLE POWER SYSTEM) Ha la funzione primaria di garantire la continuità di alimentazione ai carichi, in assenza della tensione di rete, fornendo in uscita energia elettrica di alta qualità con tensione e frequenza stabilizzate idonee ad alimentare i carichi più sofisticati e delicati come il reparto informatico. Schema a blocchi I blocchi componenti l apparato UPS sono i seguenti: ORGANO DI SEZIONAMENTO di ingresso (S1) che permette di scollegare l UPS dalla rete di alimentazione. FUSIBILI di ingresso (1) che consentono, in caso di guasto, una rapida disconnessione dalla rete. FILTRO RF (2) di ingresso che permette di limitare la reiezione di disturbi ad alta frequenza entro i limiti posti dalla norma europea EN (EN ). RADDRIZZATORE (3) che converte la tensione alternata trifase di rete in tensione continua. INVERTER statico ad IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). (4)che converte la tensione continua in tensione alternata di elevata qualità, destinata all alimentazione dei carichi privilegiati. BATTERIA (9) dalla quale viene prelevata l energia necessaria al funzionamento dell inverter in caso di assenza della tensione di rete (l organo di sezionamento di batteria (SB), nel caso in cui le batterie non sono previste all interno dell UPS, deve essere compreso nell armadio batterie). btscuola 17

3 ESAME DI STATO DI ISTITUTO PROFESIONALE COMMUTATORE STATICO (5) che, in caso di sovraccarico o interruzione di alimentazione, provvede a commutare il carico sull inverter assicurando la continuità di alimentazione al carico. FILTRO RF di uscita (6) che permette di limitare la reiezione di disturbi ad alta frequenza entro i limiti imposti dalla Normativa Europea EN (EN ). CARICABATTERIE (7) che permette la ricarica delle batterie dopo un loro intervento. DIODO (8) che permette il naturale intervento delle batterie in caso di mancanza della tensione di rete. Il Raddrizzatore (3) effettua la conversione della tensione di rete in tensione continua fornendo la corrente necessaria al funzionamento dell inverter. Soluzione quesito 2 Per determinare la scelta del gruppo di continuità, più idoneo, tra quelli proposti è necessario risalire alla potenza apparente totale S T dei carichi alimentati dall UPS applicando il teorema di Boucherot: Poiché l UPS deve avere una potenza di targa di valore superiore alla potenza apparente dei carichi che alimenta, si sceglie quello di 6 KVA. La corrente che può fornire l UPS è determinata dalla formula: Pertanto la carica della batteria con tensione 50 V, espressa in Ah, per assicurare un autonomia di 12 min, sarà data da: Soluzione quesito 3 Per determinare la corrente assorbita dai motori asincroni trifase alimentati da un unica linea è necessario risalire alla potenza assorbita e successivamente applicare il teorema di Boucherot. 1 MOTORE 2 e 3 MOTORE Potenza totale assorbita dai motori 18 btscuola Potenza reattiva totale dei motori

4 La potenza apparente S T sarà data da: Dalla potenza apparente si ricava la corrente di assorbimento dei motori in base alla quale verrà dimensionata la linea con la scelta della apparecchiature di protezione, ipotizzando che i motori funzionano tutti contemporaneamente e tutti a pieno carico: Dalla tabella 14-XVI riportate sul manuale Cremonese si sceglie la sezione dei cavi in funzione del numero dei conduttori del tipo di isolante e al tipo di posa. Cavi unipolari con guaina su passerella, isolati in PVC numero di conduttori 3: portata in regime permanente in (A) 50, sez. 10 mm 2 la protezione con interruttore magnetotermico viene fatta secondo la tabella 15-IX del manuale Cremose. Tenendo presente che: I B < I N < I Z si sceglie l interruttore btdin tripolare con In = 45 A Soluzione quesito 4 La pompa di irrigazione è azionata da un motore in cc, collegato ad una linea trifase attraverso un trasformatore trifase e un convertitore statico CA/CC. La corrente assorbita dal motore in cc sarà: mentre la velocità di rotazione sarà data: Una diminuzione della coppia nominale del 15% a parità di coppia resistente applicata determina una nuova velocità con un aumento del numero dei giri: Significa che è cambiata la corrente di eccitazione; pertanto la coppia è diminuita e quindi c è stato un aumento del numero di giri. btscuola 19

5 ESAME DI STATO DI ISTITUTO PROFESIONALE Descrizione convertitore AC/DC: data la ridotta potenza in gioco si ritiene sufficiente l utilizzo di un raddrizzatore semicontrollato, che richiede solamente tre SCR più tre diodi e del relativo circuito di innesco dei tiristori. Può essere conveniente l inserimento del diodo di circolazione, che consente di ridurre il valore medio della corrente nei semiconduttori del ponte qualora si lavori con angoli di innesco elevati. I diodi del ponte devono essere dimensionati in base alla corrente media che li attraversa pari a un terzo della corrente del carico poiché ogni diodo conduce per un terzo di periodo. ; l altro parametro che condiziona la scelta dei diodi è la massima tensione inversa che sono in grado di sopportare. Tale tensione deve essere maggiore del valore massimo della tensione concatenata di alimentazione. Prevedendo per il convertitore un angolo di ritardo nullo per una tensione di uscita pari a quella nominale e ipotizzando una caduta complessiva del ponte di circa 2,5V (1,5V per l SCR e 1V per il diodo). Soluzione quesito 5 La figura seguente mostra la disposizione topografica della pompa. Descrizione del sistema Questo progetto descrive la gestione di un sistema di irrigazione automatico o manuale per una serra. Tale sistema consiste in un serbatoio di accumulo, che è collegato alla rete idrica, il cui livello di riempimento è regolato dal galleggiante G1. Al serbatoio è collegata una elettropompa che fa circolare l acqua all interno della serra attraverso dei tubi di distribuzione a pioggia. La pompa viene avviata per due fasi di irrigazione e una di pausa durante la giornata. Il comando nella fase automatica è dato da un sensore di umidità Su posto all interno del terreno che rivela il grado di umidità e avvia l irrigazione. La pompa può essere avviata anche manualmente bypassando il sensore di umidità, attraverso il selettore automatico-manuale. 20 btscuola

6 btscuola 21

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