IT202000004768A1 - Rifasatore statico ad onda sinusoidale per carichi induttivi - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

dell?Invenzione Industriale dal titolo:

RIFASATORE STATICO AD ONDA SINUSOIDALE PER CARICHI INDUTTIVI

TESTO DELLA DESCRIZIONE

Ambito tecnico di applicazione

L?invenzione si rivolge al settore degli apparati per la gestione dello sfasamento tra corrente elettrica e tensione di alimentazione di un circuito o di un impianto, indotto da carichi reattivi di natura induttiva.

Pi? in dettaglio, l?invenzione riguarda un rifasatore statico ad onda sinusoidale per carichi induttivi, ad uso civile o industriale, in grado di determinare il rifasamento della corrente elettrica con la tensione di alimentazione di un circuito o di un impianto, per ridurre, fino ad annullare, la componente di Potenza Reattiva che gli utilizzatori prelevano dalla rete elettrica.

Tecnica preesistente

Negli impianti elettrici civili o industriali sono presenti usualmente carichi di tipo resistivo puro o di tipo resisitivo-induttivo. Nel caso di carichi di tipo resistivo-induttivo, i generatori si trovano ad erogare, oltre alla Potenza Attiva, che compie il lavoro, anche una Potenza Reattiva, che produce soltanto il campo elettrico necessario ai carichi per funzionare, la cui entit? dipende dal Fattore di Potenza dei carichi stessi. La componente reattiva, come quella attiva, impegna la linea di distribuzione, pur non mostrando alcun aumento della potenza sfruttabile, ed obbliga l?ente distributore a produrre una potenza pari alla somma tra la Potenza Attiva e la Potenza Reattiva, definita Potenza Apparente.

Il Fattore di Potenza dei carichi, indicato come cos ?, ? il rapporto tra la Potenza Attiva e la Potenza Apparente, e pu? variare tra 0 e 1.

Indipendentemente dall?entit? della Potenza Reattiva richiesta dagli utilizzatori, si deve evitare che tale potenza venga assorbita dalla rete dell?ente distributore, provvedendo a compensarla direttamente sul luogo di utilizzo con una potenza di segno opposto. Per ridurre l?energia reattiva richiesta dagli utilizzatori si ricorre quindi alla tecnica del rifasamento.

Il principio del rifasamento, che mira all?ottimizzazione dei carichi, si basa sulla compensazione dell?energia reattivo-induttiva con l?energia reattivo-capacitiva, avendo tali energie segni reciprocamente opposti. Per rifasare un carico, si deve quindi ridurre l'angolo di sfasamento tra la corrente elettrica e la tensione di alimentazione alle quali ? sottoposto.

Il principale sistema di attuazione del principio suesposto, circuitalmente molto semplice, consiste nel collegare in parallelo a un carico resistivo-induttivo un carico capacitivo, costituito da una batteria di condensatori, che determina la circolazione di una corrente elettrica sfasata di 90? in anticipo rispetto alla tensione di alimentazione.

Sommando vettorialmente le correnti elettriche del carico resistivoinduttivo e del carico reattivo-capacitivo si ottiene una corrente elettrica risultante contraddistinta da un?intensit? e da un angolo di sfasamento inferiori alla corrente elettrica del carico resistivo-induttivo stesso. Tale corrente elettrica risultante ? la corrente elettrica assorbita dalla rete.

In genere per?, i carichi da sottoporre a rifasamento sono variabili e creano l?esigenza di adeguare il rifasamento alla loro variabilit?, per ottenere un cos ? che vari a sua volta all?interno di un intervallo prestabilito.

I sistemi di rifasamento che si basano sul principio suesposto, anche adottando soluzioni tecnologiche diverse, si possono suddividere nelle seguenti tipologie:

? sistemi di rifasamento con inserzione controllata a contattori di banchi di condensatori;

? sistemi di rifasamento con inserzione controllata, a tiristori, di banchi di condensatori;

? sistemi di rifasamento con compensatori statici a tiristori.

Nei sistemi di rifasamento con inserzione a contattori di banchi di condensatori, il banco di rifasamento viene frazionato in banchi di rifasamento parziali, il cui inserimento ? controllato da interruttori. Un apparato di controllo verifica in modo continuo il cos ? dell?impianto e provvede ad inserire o disinserire i banchi di rifasamento parziali in relazione agli assorbimenti, in modo da mantenere il cos ? complessivo entro i limiti richiesti.

L?inserzione dei banchi di rifasamento parziali presenta alcuni inconvenienti, dovuti principalmente alla difficolt? di gestione dei condensatori in essi presenti, che devono essere scaricati fino ad una tensione residua del 10% prima di essere nuovamente energizzati e che quindi rendono necessario attenderne il tempo di scaricamento.

Normalmente, l?opportuno apparato di controllo introduce un ritardo prefissato per la re-inserzione dei banchi di rifasamento parziali, ma tale accorgimento rende tali sistemi molto lenti e poco adatti a variazioni repentine del cos ?. Inoltre, l'inserzione di un singolo banco di rifasamento parziale determina una sovracorrente notevole tra un banco di rifasamento e l'altro, con conseguente maggiore usura e possibile danneggiamento dei relativi interruttori.

Ci? rende necessario introdurre dei reattori di blocco in serie ai banchi di rifasamento parziali, le cui reattanze di blocco devono essere piccole rispetto alla reattanza capacitiva, ma sufficienti a mantenere la corrente di inserzione al di sotto del valore desiderato.

Nei sistemi di rifasamento con inserzione a tiristori di banchi di condensatori, i banchi di rifasamento parziali vengono inseriti o disinseriti per mezzo di comandi a tiristori, che assicurano migliori caratteristiche di velocit? e controllo. Nonostante presentino miglioramenti in termini di velocit? di commutazione dei banchi di rifasamento parziali, tali sistemi mostrano una limitata capacit? di adattamento a variazioni repentine del cos ? e una limitata capacit? di regolazione fine del cos ? stesso. Infatti, per averne una regolazione fine occorre una batteria di condensatori molto ampia, con notevole incremento di costi, e comunque mai sufficiente a raggiungerne una variazione considerabile, lineare e continua.

Nei sistemi di rifasamento con compensatori statici a tiristori, l'utilizzo di componenti elettronici di potenza (tiristori) permette la costruzione di apparati in cui il controllo elettronico permette una regolazione rapida e sostanzialmente continua della Potenza Reattiva. Tali sistemi sono costituiti da un banco di condensatori collegato in parallelo a un reattore controllato a tiristori. Il banco di condensatori pu? essere composto da banchi fissi e da banchi inseribili per mezzo di un comando a tiristori. La corrente elettrica che percorre gli induttori ? parzializzata in modo continuo dai tiristori. La potenza reattivo-induttiva compensa la potenza reattivo-capacitiva del banco dei condensatori, eventualmente annullandola nel caso di massimo inserimento degli induttori. Si ottiene quindi una variazione continua della potenza reattiva, controllabile da un opportuno sistema di controllo in funzione dell'assorbimento di potenza reattiva dei carichi. Il tempo di intervento dei tiristori ? molto rapido e ci? rende tali sistemi adatti al rifasamento di carichi estremamente variabili. Bench? i sistemi di rifasamento con compensatori statici a tiristori presentino notevoli vantaggi in termini di linearit? e di velocit?, essi presentano notevoli inconvenienti in termini di distorsioni armoniche causate dalla parzializzazione della corrente elettrica per mezzo dei tiristori. Ci? rende necessario l?utilizzo di opportuni banchi di filtraggio, con notevoli effetti sul piano dei costi e delle dimensioni, rendendo tali sistemi adeguati solo nei casi di impianti che ne giustifichino la spesa.

I sistemi di rifasamento suesposti presentano poi svantaggi comuni, legati a situazioni in cui vi sia la presenza di carichi non lineari, che generano la distorsione armonica della tensione e della corrente. Questo fenomeno ? potenzialmente pericoloso per un sistema di rifasamento, in quanto la capacit? di rifasamento forma, con l'induttanza della linea, un circuito risonante parallelo, che, in condizioni di risonanza, amplifica ulteriormente l'effetto delle correnti armoniche.

Scopi dell?invenzione

? scopo dell?invenzione superare le negativit? suesposte, proprie dei sistemi di rifasamento di tipo tradizionale.

Lo scopo dell?invenzione ? raggiunto con rifasatore statico ad onda sinusoidale per carichi induttivi, secondo la rivendicazione principale indipendente 1.

Ulteriori caratteristiche dell?invenzione sono contenute nelle rivendicazioni dipendenti.

Presentazione dell?invenzione

Il rifasatore statico ad onda sinusoidale oggetto dell?invenzione non prevede di variare la capacit? elettrica per modificare la corrente reattiva di compensazione, ma bens? di agire sulla tensione applicata al condensatore per variarne la corrente che vi circola. Da un punto di vista matematico, la grandezza che viene presa in considerazione ? la Reattanza Capaciva (Xc), misurata in Ohm (?).

Partendo dalla formula:

ove f ? la frequenza della corrente elettrica, misurata in Hertz (Hz), che nella rete elettrica europea ? notoriamente pari a 50 Hz, e C ? la capacit? elettrica del condensatore, misurata in Farad (F), che rimane fissa, secondo la legge di Ohm, la corrente elettrica che attraversa un condensatore ? pari a:

Da ci? si evince che se invece di variare C si variasse V, si otterrebbe una variazione della corrente Ic assorbita dal condensatore. Ipotizzando un reostato che varia la tensione ai capi di un condensatore in modo perfettamente sinusoidale, si otterrebbe una corrente che potrebbe essere variata nella sua intensit? in funzione della necessit? di compensazione della potenza reattiva induttiva.

Il principio fondamentale del rifasatore statico ad onda sinusoidale oggetto dell?invenzione ? appunto quello di fornire ai capi di detto condensatore una tensione perfettamente sinusoidale.

Il rifasatore statico ad onda sinusoidale oggetto dell?invenzione produce i seguenti importanti vantaggi:

? non introduce distorsioni armoniche;

? non necessita di filtri di compensazione per distorsioni armoniche;

? rende la compensazione immediata e continuativa;

? non ha livelli discreti di compensazione, ma risulta lineare;

? non presenta rischi di risonanza fra la capacit? e la componente induttiva dell?impianto;

? pu? essere applicato anche a carichi o impianti di piccole dimensioni;

? pu? raggiunge livelli di cos ? pari a 1;

? presenta dimensioni e pesi ridotti rispetto ai sistemi di rifasamento tradizionali.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche dell?invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione pi? dettagliata esposta nel seguito, con l?aiuto dei disegni che ne mostrano un modo d?esecuzione preferito, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, in cui:

? la Fig. 1 mostra, in schematizzazione a blocchi circuitale, la struttura di un rifasatore statico ad onda sinusoidale per carichi induttivi, secondo l?invenzione;

? la Fig.2 mostra, in schematizzazione circuitale semplificata, un modello di simulazione di detto rifasatore applicato ad un circuito di prova;

? le Figg. 3-4-5 mostrano, con l?uso grafici, l?effetto della variazione della tensione sulla capacit? di rifasamento, rispettivamente al 10%, 50%, 100% del ciclo di lavoro di detto modello di simulazione di detto rifasatore.

Descrizione dettagliata di un modo di attuazione preferito dell?invenzione

Con riferimento ai particolari delle figure 1 e 2, un rifasatore statico ad onda sinusoidale, secondo l?invenzione, comprende sostanzialmente:

? mezzi di controllo 1, posti a monte di un circuito o di un impianto comprendente almeno un carico 4 resistivo-induttivo; ? mezzi di regolazione 2, associati a detti mezzi di controllo 1, atti a generare una forma d?onda sinusoidale, agganciata alla rete, avente lo stesso parametro di frequenza, ma un differente parametro di ampiezza;

? almeno un condensatore 3, associato a detti mezzi di regolazione 2 e posto in parallelo a detto carico resistivoinduttivo 4 presente sul circuito o sull?impianto servito dal rifasatore stesso.

Secondo il modello di simulazione di detto rifasatore, mostrato in figura 2, i mezzi di controllo 1 comprendono:

? un generatore V3 di impulsi, a modulazione di ampiezza;

? un dispositivo di sincronismo V1, per la semionda positiva degli impulsi prodotti dal generatore V3;

? un dispositivo di sincronismo V2, per la semionda negativa degli impulsi prodotti dal generatore V3.

Secondo detto modello di simulazione, i mezzi di controllo 2 comprendono:

? una matrice di semiconduttori S1, S2, S3, S4, a regolazione di linea con filtro di uscita.

I mezzi di regolazione 2 possono altres? essere realizzati con componenti elettronici allo stato solido (MOSFET, IGBT, ecc.) oppure con componenti elettromeccanici (VARIAC motorizzati, ecc.).

Il principio di funzionamento di un rifasatore statico ad onda sinusoidale, secondo l?invenzione, ? riassumibile come descritto nel seguito.

I mezzi di controllo 1 provvedono a rilevare i parametri di corrente e tensione a monte del circuito per determinarne la Potenza Attiva, la Potenza Apparente e la Potenza Reattiva e di conseguenza il cos ?.

In base a questi parametri, detti mezzi di controllo 1 stabiliscono l?entit? della potenza reattivo-capacitiva necessaria a compensare la potenza reattivo-induttiva generata dal carico 4, per poi trasformarla nel livello di tensione da applicare ai capi del condensatore 3.

I mezzi di regolazione 2, in base a quanto elaborato dai mezzi di controllo 1, provvedono a generare una forma d?onda perfettamente sinusoidale, agganciata alla rete, avente lo stesso parametro di frequenza ma un differente parametro di ampiezza.

Il condensatore 3 provvede a generare la componente reattivocapacitiva atta a compensare la componente reattivo-induttiva generata dal carico 4.

Il rifasatore statico ad onda sinusoidale come descritto basa il suo funzionamento sulla legge di Ohm, mettendo in relazione la reattanza capacitiva Xc del circuito, la corrente circolante su un condensatore 3 di detto circuito e la tensione applicata a detto condensatore 3.

Il rifasatore statico ad onda sinusoidale come descritto determina un rifasamento della corrente circolante nel circuito con la tensione applicata allo stesso per ridurre, fino ad annullare, tramite il condensatore 3, la componente di potenza reattivo-induttiva generata dal carico 4.

Il rifasatore statico ad onda sinusoidale come descritto determina in particolar modo un rifasamento della corrente circolante nel circuito con la tensione applicata allo stesso, che risulta essere immediato, costante e lineare fino a cos? pari a 1 e privo gli effetti collaterali causati dai sistemi di rifasamento tradizionali.

Quanto detto risulta evidente dalle figure 3-4-5, nelle quali sono evidenziati gli effetti della variazione della corrente e della tensione del condensatore 3 sulla relativa capacit? di rifasamento, in riferimento alla corrente e alla tensione di linea.

Le rispettive misurazioni sono state effettuate nei punti P3, P4 e P1, P2 del modello di simulazione riportato in fig. 2, con il generatore di impulsi V3 impostato rispettivamente al 10%, al 50% e al 100% del proprio ciclo di lavoro.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1. Rifasatore statico ad onda sinusoidale per carichi resistivoinduttivi, caratterizzato dal fatto che comprende: ? mezzi di controllo (1) di un circuito o di un impianto comprendente almeno un carico (4) resistivo-induttivo; ? mezzi di regolazione (2), associati a detti mezzi di controllo (1), atti a generare una forma d?onda sinusoidale, agganciata alla rete, avente lo stesso parametro di frequenza ma un differente parametro di ampiezza; ? almeno un condensatore (3), associato a detti mezzi di regolazione (2), atto a generare la componente reattivocapacitiva atta a compensare la componente reattivo-induttiva generata dai carichi (4) resistivo-induttivi, ove detti mezzi di controllo (1) comprendono: - mezzi di rilevazione di parametri di corrente e tensione di detti circuito o impianto; - mezzi di elaborazione atti a: determinare la potenza attiva, la potenza apparente, la potenza reattiva e il fattore di potenza; stabilire la potenza reattivo-capacitiva necessaria a compensare la potenza reattivo-induttiva generata dai carichi (4) resistivo-induttivi di detto circuito o impianto; imporre il livello di tensione da applicare ai capi dell?almeno un condensatore (3), tramite detti mezzi di regolazione (2).
2. 2. Rifasatore secondo la riv.1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di controllo (1) sono posti a monte del circuito o dell?impianto servito dal rifasatore stesso.
3. 3. Rifasatore secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che detto almeno un condensatore (3) ? posto in parallelo a detto carico (4) resistivo-induttivo presente sul circuito o sull?impianto servito dal rifasatore stesso.
4. 4. Rifasatore secondo la riv.1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di controllo (1) comprendono: ? un generatore (V3) di impulsi, a modulazione di ampiezza; ? un dispositivo di sincronismo (V1), per la semionda positiva degli impulsi prodotti dal generatore (V3); ? un dispositivo di sincronismo (V2), per la semionda negativa degli impulsi prodotti dal generatore (V3).
5. 5. Rifasatore secondo la riv.1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di regolazione (2) comprendono: ? una matrice di semiconduttori (S1, S2, S3, S4), a regolazione di linea con filtro di uscita.
6. 6. Rifasatore secondo la riv.1, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di regolazione (2) comprendono componenti elettronici allo stato solido, quali MOSFET e/o IGBT, oppure componenti elettromeccanici, quali VARIAC motorizzati.