Sez 2a FUNZIONAMENTO. 26 MARZO 2014 dalle ore alle ore c/o Museo della Tecnica Elettrica Via Ferrata Pavia

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1 Sez 2a FUNZIONAMENTO CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE 26 MARZO 2014 dalle ore alle ore c/o Museo della Tecnica Elettrica Via Ferrata Pavia

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3 Unità cinetica o PGM Funzionamento normale: l unità cinetica immagazzina energia mantenendo in rotazione un volano 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 frenatura elettromagnetica

4 Il motore asincrono: Unità cinetica o PGM può essere integrato nel volano oppure installato separatamente (due versioni, D-UPS e Q-UPS) mette in rotazione il volano (conversione energia elettrica energia cinetica) mantiene in rotazione il volano (compensazione degli attriti di entità assai modesta) Il volano: costituisce il serbatoio per l energia cinetica, che viene accumulata e mantenuta immediatamente disponibile

5 Unità cinetica o PGM Il dispositivo di frenatura elettrica consente di trasferire l energia cinetica sotto forma di coppia motrice dal volano all albero dell alternatore basa il suo funzionamento sulle correnti di Foucault costituisce l attuatore della regolazione di frequenza durante il transitorio del diesel

6 D-UPS: catena cinematica del PGM 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 di frenatura in cc. rotore della macchina asincrona: ruota libero a circa rotore della macchina asincrona: ruota libero a circa 3000 giri/min rispetto al suo statore (quindi a circa 4500 giri/min rispetto ad un osservatore esterno) e ha lo scopo di immagazzinare energia cinetica

7 D-UPS: unità cinetica L unità cinetica è costituita da: rotore della macchina asincrona (volano) statore della macchina asincrona, dotato di doppio avvolgimento (in a.c. e c.c.) e contenuto in una cassa non in rotazione l avvolgimento in 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 in 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)

8 Funzionamento dell unità cinetica Accoppiamento magnetico modulabile tra rotore e statore Accumulo energia: statore (1500 giri/min) alimentato a 50 Hz rotore in rotazione a vuoto (4500 giri/min) L energia disponibile è pari a j m (100 ) [ J ] 2 ω = 4 r π Con m = massa del volano r = raggio del volano ω = 2πf Restituzione energia: 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)

9 ns Velocità del volano (rispetto al suo statore) f = 60 pp n s = velocità di rotazione del campo statorico f = frequenza di alimentazione pp = numero coppie avvolgimenti 50 Hz n s = Hz n s = 3600 giri/min Scorrimento s = n s n ns r [In realtà il sistema brushless consente di ampliare il campo della velocità di rotazione, vedi approfondimenti]

10 QPS: Unità cinetica con volano e pony motor 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 dimensioni) ETM: modulo di trasferimento energia: Rotore interno solidale con il volano Rotore esterno con avvolgimento in c.c. che genera il campo magnetico utilizzato per la frenatura

11 QPS: catena cinematica del PGM Alloggiamento FANLESS Rotore Esterno Rotore Interno Macchina Elettrica Sincrona Pony motor Volano Lamierino statore Avvolgimento cc Eccitatrice brushless

12 QPS: modulo di potenza (PGM) Motore Diesel Modulo di Trasferimento Energia (ETM) Innesto a ruota libera Alternatore Volano

13 Unità cinetica: D-UPS e Q-UPS le unità cinetiche dei due 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 Q-UPS è composta da più oggetti separati: macchina asincrona per la rotazione del volano (pony motor), volano di accumulo, sistema di frenatura il sistema di accumulo energetico del Q-UPS ha consentito di superare i limiti di taglia di quello del D-UPS (limiti meccanici)

14 I principali anelli di regolazione V V r Il sistema dispone di tre anelli di regolazione principali che garantiscono una tensione di uscita ± 1% Vn Una regolazione di frequenza sul diesel G 3 Una regolazione di frequenza sul giunto G 1 ω 1 ω r G 2 ω 2 ω r Una regolazione di tensione/potenza reattiva sulla macchina sincrona

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16 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 giri/min classe d isolamento: H classe di protezione: IP 21

17 Macchina sincrona In funzionamento normale: ruota a 1500 giri/min, solidalmente allo statore del giunto a induzione; produce energia reattiva; In funzionamento diesel: trascinata dal motore a In funzionamento diesel: trascinata dal motore a combustione, si comporta da alternatore, producendo energia attiva e reattiva.

18 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 E E 0 energia reattiva Q = 3E con xd = reattanza sincrona x d

19 Rifasamento Cos φ lato rete a V n Cos φ lato carico 0,96 0,48 0,98 0,60 0,99 0,70

20 Macchina sincrona Alcune caratteristiche peculiari Macchina sincrona sovradimensionata (potenza circa doppia) per garantire correnti di guasto confrontabili a 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 Inom no break Potenza attiva (cos ϕ=0,8) Potenza di targa macchina sincrona (H1) kva A kw kva

21 Macchina Sincrona - Icc Presenza rete, cc all uscita, I picco 45 ka = 18 In Diesel, cc all uscita, I picco 25 ka = 10,2 In

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23 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 <2I n Il reattore utilizzato è costituito da un unico avvolgimento trifase, con una presa intermedia, quindi elettricamente si configura come due induttori magneticamente accoppiati connessi in serie. Alla presa intermedia è collegata la macchina sincrona (H1) o il carico (H2). Tale reattore può essere schematizzato in modo semplice utilizzando la trasformazione a T.

24 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

25 Trasformazione a T Reattore rete a b carico c U in Trasformatore (solo sistemi MT) tr U out l g Macchina sincrona E g.

26 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.

27 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: m rete a Macchina sincrona c tr g E g b Lato carico eq = b ( + a + m )( c a m c tr tr + Il reattore è dimensionato in modo tale che + + = 0 c tr g Per cui risulta: eq = All ennesima armonica risulta che = eqn Da ciò discende: U = I = I out n out n b n out n n b1 VALE SEMPRE, PER QUALSIASI ARMONICA GENERATA DAL CARICO b g g ) bn

28 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, l induttanza equivalente vista dal carico è data dalla seguente: m rete I in Funzione filtro per armoniche a Macchina sincrona c tr g E g b Lato carico I out I in = I out + a ( + c m + + tr c + + g tr ) + Il reattore è dimensionato in modo tale che + + = 0 c tr g Per cui risulta: I in n = 0 VALE SEMPRE, PER QUALSIASI ARMONICA GENERATA DAL CARICO g

29 Collegamento reattore / macchina sincrona HITEC 1 Q3 Rete Q1 Q2 Carico attenuazione bidirezionale armoniche = 95% I cc 13 In HITEC 2 * Q3 Rete Q1 Q2 Carico attenuazione bidirezionale armoniche = 75% + 2-3% di rendimento con carichi 50% I cc 17 In * Coperto da brevetto

30 Attenuazione delle armoniche e rendimenti Due diversi comportamenti: Hitec 1 attenuazione bidirezionale 95% Hitec 2 attenuazione bidirezionale 75% Hitec 2 verso Hitec 1 : miglioramento del rendimento 1-2% con carichi > 50 % 2-3% con carichi 50%

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32 Quadro di comando e controllo (UCP) Il quadro, dotato di interfaccia HMI «touchscreen» e della scheda «riduzione numero di avviamenti del diesel», è predisposto per il collegamento al BMS (building management system) del cliente.

33 QMS software di controllo Stato del sistema Storico del sistema Misure delle uscite Stato del Diesel

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35 Caratteristiche degli interruttori Gli interruttori sono tripolari, dimensionati in accordo alla corrente del sistema D-UPS e idonei a sostenere le correnti di corto circuito lato rete e lato generatore. Tutti gli interruttori sono del tipo estraibile completi di pulsante di sgancio, coperchio e contatti di stato. Q1 interruttore non automatico Q2 interruttore automatico con relè di protezione Q3 interruttore non automatico

36 ESO Mode (Energy Store Optimization) * unità cinetica eccitatrice a 2 livelli Il carico effettivo è molto spesso inferiore alla potenza installata (durante la fase di sviluppo del DC e/o per i livelli di ridondanza sempre più spinti) con conseguente penalizzazione dell efficienza complessiva dei sistemi. Rotore interno Il sistema ESOmode monitorizza in continuo il carico e le sue variazioni e adegua automaticamente l eccitazione (e quindi l energia cinetica immagazzinata) al carico effettivo. Quando il carico si stabilizza < 80% della potenza nominale, si attiva il sistema ESOMODE, per cui l eccitatrice dell unità cinetica utilizza il livello inferiore di tensione con conseguente riduzione del numero di giri del rotore interno. Quando il carico supera l 80% il sistema torna ai valori normali di eccitazione (l l ESOmode è studiato per privilegiare comunque la sicurezza di funzionamento) * Disponibile anche per i gruppi esistenti (solo alcuni modelli)

37 ESOmode : sistema di controllo ECCITAZIONE NORMALE ECCITAZIONE ESOmode All avvio del gruppo (*) Dopo una caduta rete (*) Se il carico supera l 80% per più di 5 min (senza gradino di carico) Se il carico supera l 80% con un gradino di carico (in combinazione, per maggiore sicurezza, con l avvio del diesel) Quando il carico è minore dell 80% della potenza disponibile per più di 30 min Riduzione perdite per gruppo: ~ 10 kw Aumento della vita dei cuscinetti RISPARMIO TOTALE: ~ /anno per gruppo * Per un tempo predefinito

38 ESO Mode (Energy Store Optimization) Velocità (giri/min) Variabile con il carico Rotore Interno ESO mode Saving ~ 10 kw Rotore Interno normale 1500 (50Hz) Rotore esterno 0 Diesel Tempo Presenza rete FUNZIONAMENTO IN EMERGENZA Presenza rete

39 Esomode in continuo 8,00 7,00 Energia cinetica massima immagazzinabile nel volano 6,00 Flywheel energy [MJ] 5,00 4,00 3,00 Flywheel ESO 2,00 1,00-0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Load [%]