ESAME DI STATO Istituto Professionale Industriale Anno 2004 Indirizzo TECNICO INDUSTRIE ELETTRICHE Tema di ELETTROTECNICA, ELETTRONICA ED APPLICAZIONI Un impianto funicolare è alimentato, oltre che dalla rete Enel, da un impianto fotovoltaico che riversa energia anche nella rete stessa. La trazione avviene mediante un motore in corrente continua ad eccitazione derivata che presenta le seguenti caratteristiche: - tensione di alimentazione 400 V; - potenza resa 48 kw; - resistenza del circuito di eccitazione 160 Ω; - velocità 1500 giri/min; - rendimento 0,92. L'inserimento del campo fotovoltaico si concretizza, inoltre, per l'impianto funicolare in una linea di alimentazione per: 1. un quadro carica batteria di potenza; 2. un gruppo di continuità di potenza per i servizi dell'impianto compresa l'illuminazione. La batteria di accumulatori ha una tensione nominale di 400 V e una capacità di 300 Ah. L'alimentazione del motore principale potrà, quindi, essere effettuata sia della rete Enel sia dalla batteria, necessariamente seguita da un convertitore cc-cc per la regolazione dell'energia; la commutazione è resa possibile da un commutatore di potenza. Il candidato: a) illustri la struttura dell'impianto mediante uno schema corredato dalla descrizione dei dispositivi necessari per il suo funzionamento, approfondendo uno di essi relativamente alla conversione di energia; b) calcoli la coppia sviluppata, la corrente assorbita, la corrente di eccitazione e la corrente circolante negli avvolgimenti rotorici del motore; c) scelga una protezione del motore. Inoltre il candidato, fatte eventuali ipotesi aggiuntive, descriva una possibile configurazione di un sistema che consenta di automatizzare il funzionamento della funicolare, tenendo presente che il tracciato della funicolare è lungo 720 metri ed è costituito da un unico binario, ad eccezione della parte centrale dove, per un tratto di 20 metri, il binario raddoppia allo scopo di consentire l'incrocio della vettura ascendente con quella discendente. Illustri quindi, con un metodo di sua scelta, una soluzione dell'automatismo.
Soluzione del prof. Paolo Guidi Viene suddivisa nei seguenti punti: 1) studio dell impianto in generale; 2) analisi di un impianto di conversione; 3) analisi dei parametri del motore; 4) scelta della protezione del motore; 5) realizzazione dell impianto funicolare; 6) soluzione dell automatismo. Parte 1) Studio dell impianto In Fig. 1 viene riportato lo schema a blocchi dell impianto. Fig. 1 Risulta evidente che: - la rete Enel fornisce i 400 V in alternata trifase; - l impianto fotovoltaico fornisce una continua alternativa alla precedente; - le batterie possono essere caricate: dalla rete (attraverso un trasformatore seguito da un convertitore ac-dc) o dall impianto fotovoltaico (attraverso un convertitore dc-dc); - il quadro di controllo stabilisce da dove deve provenire l alimentazione delle batterie; - la batteria alimenta direttamente il motore in continua e il carico luce e servizi attraverso un convertitore dc-ac. Parte 2) Analisi di un impianto di conversione Per analizzare la conversione di energia si prende in esame il convertitore ac-dc alimentato dalla rete trifase attraverso un trasformatore.
Il convertitore in questione può essere un ponte trifase semicontrollato. Esso è caratterizzato dalla presenza contemporanea di un gruppo controllato (con SCR) e da un gruppo non controllato (con diodi non controllati). Lo schema di un raddrizzatore trifase semicontrollato a onda intera viene riportato in Fig. 2 insieme con le forme d onda tipiche rappresentate per un angolo di innesco pari a 60 ; gli impulsi di sincronismo inviati ai gate degli SCR sono intervallati di 120. Fig. 2 Si dimostra che la tensione d uscita media V um è proporzionale all angolo di ritardo secondo la relazione: V um0 V um = ---------- (1+ cos α) π essendo V um0 il valore della tensione media d uscita corrispondente a quella del ponte non controllato ed α l angolo di innesco. Parte 3) Analisi dei parametri del motore I parametri da calcolare sono: a. coppia sviluppata; b. corrente assorbita; c. corrente di eccitazione; d. corrente negli avvolgimenti rotorici. a. Conoscendo il numero di giri al minuto n, risulta: 2 π n 1500 2 π ω = -------------- = ------------------ = 157 rad/s 60 60
Essendo P r la potenza resa, per la coppia sviluppata C M risulta quindi: P r 48000 C M = ------- = ------------ = 305,7 N m ω 157 b. La corrente assorbita I si ricava sostituendo i dati a disposizione nella relazione: P r 48000 I = ----------- = ----------------- = 130,4 A η V 0,92 400 essendo η il rendimento e V la tensione di alimentazione. c. La corrente di eccitazione I e si ricava sostituendo i dati a disposizione nella relazione: V 400 I = ---------- = ----------- = 2,5 A R e 160 essendo R e la resistenza di eccitazione. d. Essendo la corrente assorbita I data dalla somma della corrente di eccitazione Ie con quella di avvolgimento rotorico Ia, risulta quindi: Ia = I - Ie = 130 2,5 = 127,5 A Parte 4) Scelta della protezione del motore La linea del motore viene protetta con fusibili (dal cortocircuito) e relè termico (dal sovraccarico). Lo schema elettrico viene riportato in Fig. 3 ; si prevede un avviamento automatico tramite contattore. Fig. 3
Parte 5) Realizzazione dell impianto funicolare Uno schema del tracciato dell impianto della funicolare viene proposto in Fig. 4. Fig. 4 Per rendere possibile il funzionamento automatico dell impianto vengono utilizzati due sensori che segnalano il passaggio delle vetture; il movimento dei due scambi avviene di conseguenza. Si suppone inoltre che: - le due vetture partono simultaneamente dalle due stazioni; - inizialmente lo scambio D1 è deviato verso il tratto salita e lo scambio D2 verso il tratto discesa. La logica di funzionamento del sistema prevede: - una prima commutazione della posizione degli scambi quando la vettura che sale passa sul sensore S1; - una seconda commutazione della posizione degli scambi, che riporta il sistema nella condizione iniziale, quando la vettura che sale passa sul sensore S2; - il passaggio sul sensore S2 della vettura che scende non induca alcun cambiamento nella posizione degli scambi. La Fig. 5 descrive lo stato del sistema nella condizione di funzionamento iniziale e dopo la prima commutazione degli scambi. Fig. 5
Parte 6) Soluzione dell automatismo Per una possibile soluzione dell automatismo ci si può riferire allo schema in logica elettromeccanica riprodotto in Fig. 6. Fig. 6 Vengono stabilite le seguenti ipotesi semplificative: - il sistema viene abilitato dal pulsante di avvio SB1 che provoca la chiusura del contatto di autoritenuta della bobina di comando sistema K. - il contatto del sensore S1, normalmente aperto, si chiude con il transito della vettura ed eccita di conseguenza la bobina KS1; - il contatto del sensore S2, normalmente aperto, si chiude con il transito della vettura ed eccita di conseguenza la bobina KS2; - gli scambi vengono deviati verso il tratto salita quando la bobina corrispondente (K1 per D1 e K2 per D2) non viene eccitata; - il funzionamento del sistema può essere disabilitato premendo il pulsante di alt SB2. Alla pressione del pulsante di avvio si ha che: - il contatto di autoritenuta K si chiude; - di conseguenza il sistema si porta nello stato iniziale in cui la bobina K1 non è eccitata (scambio deviato verso il tratto salita) e la bobina K2 è eccitata (scambio deviato verso il tratto discesa); - la vettura che scende transita su S2 ma lo stato delle bobine non cambia; - la vettura che sale passa su S1 e si eccita la bobina KS1; - conseguentemente si eccita la bobina K1 e si diseccita la bobina K2 facendo invertire la posizione degli scambi; - lo stato permane anche quando la vettura oltrepassa il sensore per la presenza del contatto di autoritenuta della bobina K; - la vettura che sale passa su S2 e si eccita la bobina KS2; - conseguentemente si diseccita la bobina K1 e si eccita la bobina K2. facendo nuovamente invertire la posizione degli scambi; - il sistema ritorna così nella posizione iniziale. Il ciclo si ripete alternativamente per le due vetture.
Si suppone infine che la realizzazione pratica avvenga utilizzando un PLC. In Fig. 7 viene proposto lo schema di cablaggio. Fig. 7 Il sistema ha evidentemente quattro ingressi e due uscite. In Fig. 8 viene proposto lo schema ladder corrispondente allo schema in logica elettromeccanica.. Fig. 8 Con B0 è indicato il bit interno abilitato dagli ingressi I0 e I1 che fornisce il consenso al funzionamento del sistema; rappresenta in pratica l equivalente della bobina K della logica elettromeccanica. Gli ingressi I2 e I3 si appoggiano ai bit interni B1 e B2, rappresentano in pratica l equivalente delle bobine KS1 e KS2 della logica elettromeccanica.