ITMO980248A1 - Apparecchiatura per il controllo e la gestione di utilizzatori alimentati ad energia elettrica. - Google Patents

Description

D E S C R I Z I ON E

Forma oggeto del presente trovato un’apparecchiatura per il controllo e la gestione di utilizzatori alimentati ad energia eletrica.

L’apparecchiatura oggeto dell’invenzione serve a controllare e gestire il funzionamento di uno o più utilizzatori in particolare del tipo richiedente una grande potenza eletrica, anche se l’apparecchiatura stessa è in grado di operare su utilizzatori di bassa potenza. La gamma di applicazioni possibili di tale apparecchiatura è piutosto vasta. Si segnalano, a titolo di esempio, non limitativo: - controllo ed avviamento di uno o più motori elettrici in maniera congiunta o disgiunta con possibilità di variazione del regime di rotazione in funzione di parametri esterni; - controllo della potenza di gruppi di lampade per illuminazione con possibilità di variare il flusso luminoso in funzione di parametri esterni; - controllo di grandi impianti di riscaldamento e condizionamento in funzione delle effettive richieste energetiche; - controllo di gruppi di macchine elettriche nell ambito dell’automazione industriale.

Lo stato della tecnica attuale, relativo a questo tipo di apparecchiature, comprende, ad esempio, apparecchiature dotate di resistenze variabili, di variatori di tensione, di inverter, di variatori di tensione su scheda elettronica a relè, eccetera. Queste apparecchiature presentano i seguenti problemi.

Le resistenze variabili, generalmente poste in serie all’utilizzatore per ridurre la tensione ai capi dell’ utilizzatore stesso, sono generalmente comandate da un commutatore manuale. Queste apparecchiature hanno lo svantaggio di dissipare molta energia per effetto Joule. Inoltre le potenze che si possono regolare sono limitate a qualche Kw. Inoltre tali apparecchiature non sono in grado di interagire, in modo semplice ed automatico, su una pluralità di macchine.

I variatori di tensione attualmente noti sono di tipo manuale e possono servire un utilizzatore per volta e gestire piccole potenze da 20 a 60 Kw. Gli inverter (apparecchiature elettroniche che possono variare la tensione modificandone la frequenza) sono utilizzati esclusivamente nella regolazione della velocità dei motori elettrici. Uno svantaggio di questa apparecchiatura è legato al fatto che le potenze gestibili sono limitate al massimo ad un centinaio di Kw. Inoltre per le potenze elevate gli inverter hanno un costo elevato legato alla particolare tecnologia. Un altro svantaggio è legato al fatto che la frequenza dell’energia che arriva all’utilizzatore è diversa da quella per cui l’utilizzatore è stato progettato, il che può provocare fenomeni di surriscaldamento e di rumore evidenziato da un caratteristico fruscio. Sono state create macchine con una pluralità di inverter funzionanti in parallelo su motori elettrici, ma con le limitazioni di potenze e con gli elevati costi sopra detti.

I variatori di tensione mediante una scheda elettronica dedicata a relè comandata da microprocessore hanno una limitazione dovuta al fatto che possono governare potenze massime di 70-100 Kw. Queste macchine inoltre sono impiegate per regolare la tensione di un solo utilizzatore per volta.

presente trovato si propone di realizzare un’apparecchiatura in grado di migliorare e razionalizzare i consumi energetici degli utilizzatori e di fornire agli utilizzatori una tensione variabile controllata, in maniera automatica, in finizione di parametri provenienti da opportuni sensori che rilevano le variabili che si intendono controllare.

Un ulteriore scopo del trovato è quello di fornire una apparecchiatura che utilizzi componenti elettronici ed elettromeccanici prodotti in larga serie e che possa essere prodotta in grande quantità ed a costi contenuti.

Un vantaggio del trovato è quello di poter regolare in continuo apparecchi utilizzatori anche di grande potenza.

Un altro vantaggio è quello di consentire il funzionamento in continuo degli utilizzatori con eliminazione delle fasi di arresto e spegnimento durante l’esercizio.

Un ulteriore vantaggio del trovato è la maggiore durata degli utilizzatori in quanto gli stessi vengono fatti funzionare in modo ottimale e limitatamente alle prestazioni effettivamente richieste.

Un ulteriore vantaggio del trovato è di consentire di controllare utilizzatori lavoranti in parallelo a diversi regimi e di diversa specie (motori, sistemi di illuminazione, sistemi di riscaldamento, condizionamento, frigoriferi, eccetera), cosa molto utile nel caso di impiego nell’automazione industriale.

Un ulteriore vantaggio del trovato è rappresentato dal fatto che la tensione in uscita può avere la stessa frequenza della tensione in ingresso; ciò consente agli utilizzatori di lavorare alla frequenza di progetto.

Questi scopi e vantaggi ed altri ancora vengono tutti raggiunti dal trovato in oggetto così come esso risulta caratterizzato dalle rivendicazioni sotto riportate.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del presente trovato meglio appariranno dalla descrizione dettagliata che segue di una preferita forma di realizzazione del trovato in oggetto, illustrata a titolo esemplificativo ma non limitativo nella allegata figura che mostra uno schema a blocchi dell’apparecchiatura.

Con riferimento all’allegato schema a blocchi, l’apparecchiatura comprende un trasformatore elettrico l , collegato in ingresso alla tensione di rete e dotato di una pluralità di uscite TM, TS a tensioni diverse; una prima parte TM delle pluralità di uscite fornisce delle tensioni aventi differenze discrete, fra di loro costanti mentre una seconda parte TS di queste uscite fornisce tensioni aventi differenze discrete, fra di loro costanti, il cui valore fraziona ciascuna delle differenze di tensione esistente fra una uscita della prima parte TM delle uscite e l’uscita successiva.

Per chiarire come devono essere le tensioni in uscita dal trasformatore si fa un esempio pratico: se vogliamo controllare un apparecchio utilizzatore che funziona nominalmente a 220 Volt in un campo di tensioni variabile da 140 a 220 Volt con variazioni di tensione di 4 in 4 Volt, il trasformatore avrà in uscita le seguenti tensioni, tensioni alla prima parte di uscite = 140, 160, 180, 200, 220 Volt; tensioni alla seconda parte di uscite = 0, 4, 8, 12, 16 Volt. Risulta quindi possibile, come meglio verrà detto in seguito, ottenere all’utilizzatore tensioni variabili da 140 a 220 Volt con variabilità 4 Volt.

II dimensionamento della potenza del trasformatore, che potrebbe anche essere un autotrasformatore e che può essere sia monofase che trifase a seconda delle esigenze, è in funzione delle potenze assorbite dagli apparecchi utilizzatori.

L’apparecchiatura comprende inoltre almeno una serie di contattori di potenza 2, che svolgono fondamentalmente la funzione di interruttore, ciascuno dei quali è associato, in ingresso, ad una relativa uscita del trasformatore. L’uscita di ciascun contattore è collegata alle fasi della alimentazione elettrica di un utilizzatore 5 che, come detto, può essere di varia natura. Ciascun contattore è dotato di mezzi di azionamento 3 che comandano l’apertura e la chiusura del contattore stesso; questi mezzi di azionamento sono sostanzialmente costituiti da relè che, eccitati come verrà descritto, provvedono all’apertura e chiusura del contattore.

Il dimensionamento dei contattori deve tener conto della potenza attiva e reattiva del sistema ai fini di una buona durata degli stessi. Le taglie dei contattori attualmente in commercio arrivano fino a flussi di 2000 Ampere per fase. Pertanto, allo stato attuale è possibile, con una tensione trifase di 380 Volt, realizzare apparecchiature di controllo fino ad una potenza di 760 Kw, mentre con una tensione trifase di 480 Volt (come è ad esempio negli Stati Uniti) è possibile arrivare fino a 960 Kw.

Per ogni utilizzatore 5 è previsto almeno un sensore 4 che è atto a rilevare almeno un parametro legato ad una condizione operativa dell’ utilizzatore e a fornire un segnale elettrico di controllo proporzionale al valore rilevato del parametro. A seconda del tipo di parametro di cui controllare il valore, il sensore, che è comunque un componente di tipo noto, può essere un semplice temporizzatore, un sensore pH, un sensore redox, un sensore di pressione, un sensore di luminosità, eccetera.

E’ infine previsto un controllore logico programmabile 6, di tipo noto, atto a ricevere all’ingresso i segnali di controllo provenienti dai sensori 4 e a fornire in uscita dei segnali di comando di tipo on-off ciascuno dei quali viene inviato ai mezzi di azionamento 3 dei contattori 2 al fine di comandarne l’apertura o la chiusura.

Il controllore logico programmabile è in grado di elaborare, mediante un opportuno programma residente nella memoria, i segnali di controllo provenienti dai vari utilizzatori in modo da inviare gli opportuni segnali di comando per attivare i mezzi di azionamento dei contattori.

In commercio esistono diversi tipi di controllori logici programmabili. La scelta di questo componente sarà evidentemente fatta in modo che lo stesso abbia tutti gli ingressi e le uscite necessarie per il funzionamento della apparecchiatura. Inoltre, qualora si voglia eseguire un controllo a distanza sarà necessario prevedere un controllore logico dotato di porta di comunicazione con il mondo esterno; questa funzione può risultare particolarmente utile in certi casi come, ad esempio, il controllo centralizzato a distanza di servizi quali l illuminazione pubblica..

Il software di gestione e controllo, residente in memoria del controllore logico programmabile e specifico per ogni tipologia di utilizzatori da controllare, sovrintende a tutte le funzioni della apparecchiatura.

La funzione principale è quella di permettere la variazione della tensione in uscita entro un campo predefinito. Il modo di operare della apparecchiatura dipende ovviamente dal tipo di utilizzatore; pertanto tutte le variabili del sistema da controllare verranno memorizzate nel programma al fine di permettere il funzionamento desiderato.

A titolo di esempio: se l’apparecchiatura deve essere usata per controllare una soffiante di un impianto di depurazione, sarà previsto un sensore 4 di pressione che comunica al programma eventuali scostamenti della pressione dell’aria nelle condotte rispetto ad una pressione prestabilita; il programma provvede ad attivare i relè 3, quindi i contattori opportuni, per modificare la tensione in ingresso nella soffiante e quindi variare la pressione in rete.

L’apparecchiatura comprende inoltre una pluralità di condensatori (o batterie di condensatori) 7 che sono collegabili, a comando e separatamente gli uni dagli altri, alla linea della rete elettrica che alimenta il trasformatore 1 (in sostanza, sul circuito di ingresso dell’energia). Il collegamento di uno o più dei condensatori viene comandato da segnali di comando di tipo on-off, generati dal controllore logico programmabile 6, che agiscono su sistemi di connessione 8 analoghi a quelli precedentemente descritti, ossia contattori comandati da relè.

Questi condensatori realizzano un sistema di rifasamento automatico; il segnale di controllo per razionamento di tale sistema viene fornito da un sensore 9 disposto sulla linea di alimentazione elettrica, che rileva lo sfasamento fra tensione e corrente.

Nello schema riportato è stato indicato un utilizzatore 5 con il relativo gruppo di contattori 2, mentre è stato indicato un secondo utilizzatore 5' con alcuni contattori 2’ ed i relativi relè 3'; come detto comunque, gli utilizzatori possono essere in numero qualsiasi e di qualsiasi natura, in quanto il limite del funzionamento dell’apparecchiatura è rappresentato unicamente dalla potenza elettrica gestibile.

Il modo di funzionamento del dispositivo, che verrà descritto relativamente ad un utilizzatore ma che è analogo (ma indipendente) per ciascun utilizzatore, può riassumersi come segue.

L’energia elettrica, attraverso una morsettiera di ingresso 10, viene fornita al trasformatore; le diverse uscite del trasformatore vengono collegate ciascuna all’ingresso di un contattore di ciascun gruppo. L’uscita di ciascun contattore è collegata alle fasi della alimentazione elettrica del relativo utilizzatore, i cui comuni sono collegati al comune del trasformatore, mediante una morsettiera 11.

Il sensore 4 rileva costantemente il valore della grandezza da controllare dell’ utilizzatore esterno ed invia il relativo segnale di controllo all’ingresso del controllore logico programmabile. Il software di controllo e gestione elabora il segnale in ingresso ed attiva o disattiva gli opportuni relè che agiscono sui contattori in modo che ciascuno di tali contattori possa aprire o chiudere il contatto fra la uscita del trasformatore collegata al suo ingresso e le fasi di alimentazione dell’ utilizzatore in modo da alimentare Γ utilizzatore stesso, attraverso il morsetto di uscita 11, con la tensione predisposta dal software del controllore logico programmabile. La tensione di alimentazione deH’utilizzatore sarà evidentemente determinata dalla combinazione delle tensioni fomite dal contattore collegato all’uscita di tipo TM e dal contattore collegato all’uscita di tipo TS attivati (nell’esempio illustrato e precedentemente descritto quindi una tensione variabile da 140 a 220 Volt con variabilità 4 Volt).

Nel caso in cui sia previsto il sistema di rifasamento automatico, il software calcola inoltre le condizioni di lavoro dell’intero sistema ed attiva o disattiva i vari condensatori dedicati al rifasamento.

L’apparecchiatura in oggetto permette fra l’altro di conseguire un risparmio energetico; ad esempio, nel caso di illuminazione pubblica tale risparmio è quantificabile, con insensibili variazioni delle condizioni di illuminazione, in una riduzione della potenza assorbita attorno al 40%. Come detto in precedenza, un notevole vantaggio dell’apparecchiatura in oggetto è quello di consentire il controllo, contemporaneo ma indipendente, di utilizzatori di diversa natura.

Per un più agevole confronto fra le caratteristiche dell’apparecchiatura oggetto del presente trovato (indicata nella tabella come invenzione), e le caratteristiche delle tecnologie note, si fornisce, a seguito, una tabella indicativa nella quale vengono riportate, per “l’invenzione” e per ciascuna delle tecnologie note menzionate nel preambolo della descrizione, le varie caratteristiche e parametri di funzionamento, nonché le varie capacità operative. Da tale tabella si evince come l apparecchiatura in oggetto risolva problemi e presenti vantaggi che nessuna delle tecnologie note è in grado di risolvere o presentare complessivamente.

Al trovato potranno essere applicate numerose modifiche di natura pratico applicativa dei dettagli costruttivi senza che per questo si esca dall’ambito di tutela dell’idea inventiva sotto rivendicata.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura per il controllo e la gestione di utilizzatori alimentati ad energia elettrica, caratterizzata per il fatto che comprende: un trasformatore elettrico (1), collegato in ingresso alla tensione di rete e dotato di una pluralità di uscite (TM, TS) a tensioni diverse; almeno una serie di contattori di potenza (2), ciascuno dei quali è associato, in ingresso, ad una relativa uscita del trasformatore e, in uscita, alle fasi di alimentazione di un utilizzatore (5), dotati ciascuno di mezzi di azionamento (3) che comandano l’apertura e la chiusura del contattore stesso; almeno un sensore (4) per ogni utilizzatore (5), atto a rilevare almeno un parametro legato ad una condizione operativa dell’utilizzatore e a fornire un segnale elettrico di controllo proporzionale al valore rilevato del parametro; un controllore logico programmabile (6), di tipo noto, atto a ricevere all’ingresso i detti segnali di controllo provenienti dai sensori (4) e a fornire in uscita dei segnali di comando di tipo on-off che vengono inviati ai detti mezzi di azionamento (3) dei contattori (2).
2. 2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che: una prima parte (TM) della detta pluralità di uscite (TM, TS) fornisce tensioni aventi differenze discrete, fra di loro costanti; una seconda parte (TS) della detta pluralità di uscite (TM, TS) fornisce tensioni aventi differenze discrete, fra di loro costanti, il cui valore fraziona ciascuna delle differenze di tensione esistente fra una uscita della prima parte (TM) della detta pluralità di uscite e l’uscita successiva.
3. 3. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che comprende una pluralità di condensatori (7) collegabili a comando e separatamente gli uni dagli altri, alla linea della rete elettrica che alimenta il detto trasformatore; il collegamento di uno o più dei detti condensatori essendo comandato da segnali di comando di tipo on-ofif generati dal detto controllore logico programmabile (6).
4. 4. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1 , caratterizzata dal fatto che il detto controllore logico programmabile (6) è dotato di una porta di comunicazione con l’esterno atta a ricevere segnali di controllo a distanza.
5. 5. Apparecchiatura secondo le rivendicazioni precedenti e secondo quanto descritto ed illustrato con riferimento alle figure dei disegni allegati e per gli scopi sopra citati.