Frenatura di un motore elettrico con recupero in Rete o su Resistenza di frenatura?

[marco_a]

Quali sono i vantaggi economici di effettuare una frenatura con recupero in rete dell'energia e come quantificare quando diventa remunerativa rispetto a una "classica" frenatura tramite resistenze di dissipazione?

[SandroCalligaro]

Sicuramente per prima cosa si dovrà valutare quanta energia è possibile recuperare.

Supponendo per eccesso un'efficienza vicina al 100%, l'energia recuperabile dipende da quanto di frequente si effettuano frenature e da quanta energia cinetica viene accumulata nel carico (che dipenderà a sua volta dall'inerzia e dalla velocità di funzionamento al momento di iniziare la frenatura).

 

Il costo di un'unità rigenerativa è spesso parecchio più maggiore di quello di un raddrizzatore e di una unità di frenatura dissipativa.

Per taglie piccole (qualche kW) penso che attualmente sia difficile che convenga il recupero di energia in rete, ma è possibile magari, se ci sono più azionamenti attivi, mettere in comune il DC-bus, utilizzando così l'energia recuperata da un inverter per alimentarne altri.

In ogni caso, anche la complessità e l'affidabilità delle due soluzioni andrà presa in considerazione.

[Livio Orsini]

Quote

Quali sono i vantaggi economici di effettuare una frenatura con recupero in rete dell'energia e come quantificare quando diventa remunerativa rispetto a una "classica" frenatura tramite resistenze di dissipazione?

 

Premesso che l'energia che riversi in rete non te la paga nessuno, i vantaggi di una frenatura a recupero sono....che non scaldi i resistori.

Nel caso di inverters le frenature con recupero in rete in genere si effettuano per azionamenti >100kW.

Come ha scritto Sandro è molto più economico prevedere DC bus in comune e dissipare bilanciando l0'energia tra i vari azionamenti.

[marco_a]

Grazie mille, molto pronti ed esaustivi.

[ken]

per alcune applicazioni si può immagazzinare l'energia rigenerata su batterie di condensatori. 

[epoch_ita]

Che sappia io (ma sono ignorante), la frenatura rigenerativa in rete viene usata sui locomotori dei treni, con azionamenti politensione/polifrequenza.

Però quando hai un motore di qualche Megawatt da frenare che condivide una "rete" isolata come quella ferroviaria e che ti evita di acquistare energia dalla rete primaria ha sicuramente un grande vantaggio, diversamente non l'ho mai sentito...

 

 

[gabri-z]

Quote

per alcune applicazioni si può immagazzinare l'energia rigenerata su batterie di condensatori. 

Io cerco di capire , ma non riesco .... ; per fare cosa ?

[ken]

semplicemente risparmio energetico. la macchina accelera e frena continuamente. ciò che immagazzini in frenatura (sono cicli ben definiti e quindi i condensatori vengono calibrati) lo riutilizzi alla prossima accelerazione.

[Mario Maggi]

Livio, 

Quote

Premesso che l'energia che riversi in rete non te la paga nessuno

vero, se intendi la rete di distribuzione a monte del contatore. Pero' nella stragrande maggioranza dei casi il motore che recupera energia e' inserito in una rete di fabbrica a valle del contatore, dove ci sono altri carichi che riutilizzano l'energia recuperata. 

Ciao 

Mario 

[Livio Orsini]

Quote

che ti evita di acquistare energia dalla rete primaria ha sicuramente un grande vantaggio, diversamente non l'ho mai sentito...

 

Si usano anche su grossi azionamenti industriali. Come sempre sono stati giapponesi e coreani a sviluppare questi metodo glià dagli anni '90 del secolo scorso. Devo avere ancora in giro, tra le mie carte, alcuni "paper" che descrivevano questi sistemi innovativi.

Quote

semplicemente risparmio energetico. la macchina accelera e frena continuamente. ciò che immagazzini in frenatura (sono cicli ben definiti e quindi i condensatori vengono calibrati) lo riutilizzi alla prossima accelerazione.

 

Questo è quanto accade usando il DC bus in comune tra i vari inverters. un unico alimentatore per più inverters.

 

Quote

Pero' nella stragrande maggioranza dei casi il motore che recupera energia e' inserito in una rete......

 

Si Mario, però il maggior costo di queste soluzioni si giustifica solo quando sono in gioco potenze rilevanti.

Ricordo un laminatoio fatto da Mitsubishi impiegante questa tecnologia, ma si trattava di parecchie centinaia di kW di potenza installata.

[ken]

Quote

semplicemente risparmio energetico. la macchina accelera e frena continuamente. ciò che immagazzini in frenatura (sono cicli ben definiti e quindi i condensatori vengono calibrati) lo riutilizzi alla prossima accelerazione.

 

Questo è quanto accade usando il DC bus in comune tra i vari inverters. un unico alimentatore per più inverters.

no, si parlava di immagazzinare l'energia rigenerata su batterie di condensatori. questo è quando il motore è uno solo e non ha bus dc in comune. se fosse così a cosa servirebbero le batterie di condensatori?

[Livio Orsini]

Appunto a che servono le batterie di condensatori? Ci sono già nell'inverter.

Se hai un solo motore la tensione sui condensatori cresce durante la frenatura e, superato il limitie di soglia, scatta l'allarme. Questo è l'unico modo possibili di lavorarare. Se non c'è un secondo motore che usufruisce dell'energia immagazzinata, questa deve essere dissipata su di un resistore.

[ken]

Non mi sembra che sia così fuori luogo mettere più batterie di condensatori esterni oltre a quelli già presenti che ok, ci sono ma evidentemente non sono sufficienti sempre. più condensatori e, se calcolati giusti, non sorpassi la soglia quindi nessun allarme. non mi sembra così strano, è un modo per immagazzinare l'energia cinetica e riutilizzarla. Sono configurazioni che si usano da più di 20 anni almeno senza problemi e per risparmio energetico; pensa che si usavano anche su motori in continua (ovvio, di grossa potenza). se la cosa è possibile farla, intendo dal punto di vista della macchina, ovvero macchine che eseguono passi ben definiti e accelerazioni e decelerazioni sempre simili (alimentatori, posizionatori etc etc), perchè non usarlo, è meglio forse scaldare una resistenza e buttare via tutta quell'energia?

 

ovvio, se ho più motori che non frenano contemporaneamente sto con te, bus in comune e resistenza come sicurezza. ma se il motore è uno o se più motori eseguono lo stesso ciclo perchè devo buttare via l'energia?

[ken]

riporto un manuale che spiega bene questo concetto:

Multiple inverter units can be operated from a single converter unit. This allows applications that naturally share regenerative energy, such as an uncoiler and recoiler, to reuse the energy, rather than dissipate it as heat through resistors. A much smaller converter is therefore needed than would be required using two integrated drives. Alternately, an inverter can be used in place of the converter to regenerate power to the line. In cyclic applications, an optional capacitor bank can be used to store regenerated energy and to return stored energy to the load.

 

[SandroCalligaro]

Tra l'altro, la quantità di energia immagazzinata nelle capacità aumenta con il quadrato della tensione, perciò avere un drive che sopporta tensioni anche di poco più alte può portare ad una differenza significativa.

[Livio Orsini]

Quote

più condensatori e, se calcolati giusti, non sorpassi la soglia quindi nessun allarme.

 

O hai un qualche dispositivo che inserisce i condensatori gradualmente, con tutti i problemi connessi, mentre l'energia viene generata o, fatalmente, questa fa superare immediatamente la soglia di tensione. Perchè? Perchè se i condensatori son sempre connessi fatalmente si caricano in breve tempo al valore di picco della rete.

Se fosse una tecnica economicamente conveniente sarebbe diffusa, mentre non lo è.

Non confondiamo le possiiblità teoriche con le applicazioni pratiche.

[ken]

nelle applicazioni che faccio è parecchio diffusa. più costruttori di applicazioni elettriche per taglio al volo (volante, rotante, drum) la utilizzano. come ti ho detto era già usata anche su applicazioni vecchie (applicazioni di 25 anni fa), con motori in continua, ormai superati e sostituiti da motori ac.

economicamente è molto vantaggiosa per l'utente finale. uguali applicazioni senza batterie di condensatori (resistenza) hanno un costo elevatissimo in bolletta energetica. come già detto non sono semplici svolgitori avvolgitori ma motori che ripetono un ciclo in continuo, conosci i tagli al volo e anche bene. allo spunto, lanciare 35 ton di macchina a 40 metri al minuto in un metro e mezzo di spazio chiede molta energia. se questa viene presa solo dalla rete è un conto, se viene usata invece l'energia immagazzinata su condensatori è un altro.

[gabri-z]

Chiedo scusa , mi viene in mente una domanda e non posso trovarle risposta (che mi accontenti ) :

Se io devo frenare il sistema , comincio a caricare (in modo controllato ) le batterie di condensatori aggiuntivi -OK

Poi devo mettere in moto il sistema , sono certo di ''svuotare'' abbastanza i condensatori , in modo che alla prossima frenata ci sia spazio per contenere la E_c=> C x U² / 2  perché a condensatori carichi , dubito che la frenata avvenga ...

 

[ken]

certo che li scarichi. i cicli di accelerazione e decelerazione nel tipo di macchine che ho indicato sono simili quindi i condensatori li scarichi certamente. unica "protezione" da considerare è batterie effettivamente funzionanti, se per caso dovessero guastarsi all'ora si che la tensione di bus aumenterebbe oltre la soglia.

 

questo sistema non si sposa con tutte le applicazioni, ovvio.

[Livio Orsini]

Mi sa che stai facendo un poco di confusione. Perchè generalizzi un caso particolare come quello di un cesoiia volante che ha cicli di lavoro particolari.

Se non c'è chi dissipa l'energia il condensatore continua a caricaricarsi.

Tu parti da un condensatore che è già carico con il valore di picco della tensione di rete. Quando freni la tensione ai capi del condensatore aumenta. Se aumenti la capacità dei condensatori rallenti la velocità con cui si carcano ma, a parità di condizioni, anche la velocità di scarica.

 

Certamente su alcune applicazioni particolari si può giocare sugli equilibri tra energia resa ed energia consumata.

Ne ho fatti anch'io di queste applicazioni particolari. una delle ultime era un guida filo che doveva frenare per un tempo brevissimo a fine corsa, per poi riaccelerare velocemente. In questi casi si gioca sul livello di soglia massima di tensione e di valore capacitivo.

Però ripeto che sono applicazioni particolari e non si può generalizzare.

Prova a spiegare, ad esempio, come potresti usare la medesima confugurazione di uno svolgitore regolato in coppia, macchina che rigenera praticamente sempre. Se non c'è nessuna altra utenza hai voglia di caricare condensatori.

[ken]

se leggi bene ho detto dall'inizio: "per alcune applicazioni". quindi non ho certamente generalizzato. Non mi sembra di aver fatto confusione, forse non sono bravo a scrivere e quindi i miei post potrebbero non essere comprensibili, non so.

si parla di risparmio energetico, la domanda era

Quali sono i vantaggi economici di effettuare una frenatura con recupero in rete dell'energia e come quantificare quando diventa remunerativa rispetto a una "classica" frenatura tramite resistenze di dissipazione?

la mia risposta era che per alcune e determinate applicazioni non esiste solo il rigenerare in rete ma esistono anche altre alternative al dissipare l'energia su resistenza. ha forse spiegato di che applicazione si parla? no. quindi si parla di applicazioni in generale dove ci sono le più classiche applicazioni e dove ci sono pure quelle più particolari.

Non ho mai detto e menzionato che questa cosa può funzionare con tutto, anzi, ho sempre detto che va bene con applicazioni particolari. Ho sempre scritto ed evidenziato che non sto parlando di svolgitori perchè evidentemente non è possibile utilizzare tale soluzione. Anzi ti ho anche dato ragione scrivendo:

ovvio, se ho più motori che non frenano contemporaneamente sto con te, bus in comune e resistenza come sicurezza.

 

[SandroCalligaro]

Quote

Se aumenti la capacità dei condensatori rallenti la velocità con cui si carcano ma, a parità di condizioni, anche la velocità di scarica.

Immagino che in generale, dove c'è un solo motore nel macchinario, e compie un ciclo che si ripete, sul totale del ciclo ci sarà sempre un po' di consumo, quindi si dovrà per forza tornare al punto di partenza (tensione di rete raddrizzata) anche in termini di tensione del bus.

 

Non si potrà aumentare a piacere la capacità del bus, visto che ci sono vincoli sui tempi di carica e di scarica (all'accensione ed allo spegnimento), giusto?

 

Chissà se vedremo mai banchi di supercap in applicazioni industriali...

[gabri-z]

So che sto per fare la figura di (quello che sono ) ma , mi domando , in condizioni di riposo , i condensatori non sono già carichi dalla rete ?

 

Non sparatemi tutti insieme , uno alla volta....

[SandroCalligaro]

Quote

So che sto per fare la figura di (quello che sono ) ma , mi domando , in condizioni di riposo , i condensatori non sono già carichi dalla rete ?

Certo, ma se è sopportabile una tensione superiore allora si può accumulare dell'energia nel bus DC.

 

Quote

Non sparatemi tutti insieme , uno alla volta....

Io sono abituato a sparare... stupidaggini!

[Livio Orsini]

Quello che va sotto il nome di inverter è in  realtà un dispositivo composto da due dispositivi distinti: un convertitore alternata-continua ed un invertitore a freqeunza variabile.

L'invertitore dovrebbe essere alimentato da un generatore di tensione continua, in sua vece si usa raddrizzare la rete a 50Hz e filtrare con una batteria di condensatori. Per avere un volano tale da essere praticamente insensibule alle prese di carico dell'inverter, la batteria di condensatori deve aver un valore generoso. Questo fatto comporta un'elevatissima corrente di carica, pertanto si deve prevederne la limitazione.

Negli inverters  di normale utilizzo si usa inserire un resistore di limitazione che è cortocircuitato da un contattore qaundo la tensione sul dc bus ha raggiun to una determinata soglia; la batteria dei condensatori raggiunerà quindi il valore di tensione pari a circa il di picco della tensione di rete, in europa circa 565 V nominali.

Tale valore rimane pressochè costante durante il funzionamento normale dell'inverter.

 

Quando il motore viene trascinato non assorbe enrgia dall'inverter ma la genera; questa energia si riversa sul dc bus. Se la batteria dei condensatori fosse alimentata non da un ponte di diodi ma da un ponte SCR total controllato su 4 quadranti, come negli azionamenti cc, l'energia in eccesso si trasferirebbe sulla rete di alimentazione, mentre nel caso di un ponte a diodi l'energia non può far altro che far crescere la tensione sui condensatlori.

 

La tensione non può crescere all'infinito perchè c'è un limite di isolamento sia dei condensatori sia degli interruttori a stato solido (IGBT o altro) che costituiscono l'inverter.

Per evitare la distruzione dell'inverter si usa stabilire una soglia di tensione massima sul dc bus; superata quella soglia si bloccano i commutatori e si da l'allarme di amssima tensione.

Maggiore è il valore di capacità maggiore è l'energia richiesta per far crescere la tensione sul dc bus. Verrebbe spontaneo quindi inserire condensatori aggiuntivi quando si richiede la rigenerazione, però non è praticamente possibile per quanto ho spiegato all'inizio sulla carica dei condensatori.

 

Ci sono lavorazioni particolari dove il motore deve frenare rapidamente  e poi deve riaccelerare rapidamente.

Durante la fase di frenatura la tensione sul dc bus si alza sopra il livello di picco della tensione di rete; nel momento che il motore riaccelera richiede energia quindi scarica i condensatori di quel surplus che avevano immagazzinato; non appena il livello di tensione scende al disotto del valore di picco della rete, l'enrgia verrà nuovamente fornita dalla rete stessa.

 

Ora alcune applicazioni possono sfruttare, con un lavoro da equilibristi, quel poco di sovratensione di bus dc che la componentistica ammette.

Oggi ci sono parecchi inverters che possono lavorare anche con reti da 440 V nominali, come quelle USA. Questo permette di salire sino a circa 680 V di limite di tensione, contro i circa 650 V delle reti nostrane. Questi 30 V in più permettono, in casi molto particolari, di non far uso di gruppi di fenatura.

 

A suo tempo feci un'appliazione simile con un chopper dc. Tenendo la tensione di alimentazione al limite inferiore mi creai un margine per poter effetturare una frenatura seguita da una repentina accelerazione.

Son sempre applicazioni molto al limite e basta molto poco perchè il sistema vada in allarme. Bisogna ponderarle molto, ma veramente molto, bene.

 

Completamente differente la soluzione su dc bus comune; li basta garantirsi che l'energia prodotta dai motori in frenatura sia dissipata dagli altri motori.