ITVI20080247A1 - Sistema di distribuzione dell'energia elettrica comprendente generatori sincroni a magneti permanenti montati internamente - Google Patents

Description

SISTEMA DI DISTRIBUZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA COMPRENDENTE GENERATORI SINCRONI A MAGNETI PERMANENTI MONTATI INTERNAMENTE.

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda la configurazione di un sistema di distribuzione dell’energia elettrica comprendente un generatore particolarmente adatto per essere connesso in parallelo alla rete di distribuzione senza l’interposizione di un dispositivo invertitore.

L’invenzione concerne, altresì, il metodo per la distribuzione dell'energia elettrica tramite l'utilizzo del suddetto sistema di distribuzione.

E’ noto che diverse industrie e, molto più spesso, anche utenti privati si servono di un generico gruppo di alimentazione, costituito da uno o più dispositivi per la generazione di energia elettrica connessi alla rete elettrica per la realizzazione di un sistema di distribuzione in cui avviene lo scambio della suddetta energia tra i generatori e la rete di distribuzione.

Tale configurazione consente alle stesse aziende o ai privati di risparmiare sul prelievo dell'energia elettrica proveniente dalla rete di distribuzione nazionale e, inoltre, nel caso in cui lo stesso gruppo generasse una quantità di energia elettrica in esubero rispetto a quella consumata dall'utente, tale energia può venire immessa nella rete di distribuzione e messa a disposizione di altre utenze.

Per tale contributo, da un lato le centrali elettriche della società di distribuzione dell’energia elettrica sarebbero meno sollecitate per la produzione dell’energia stessa, risparmiando sulle materie prime e diminuendo l’impatto ambientale, e dall’altro lato le aziende o le utenze private ricevono un compenso economico o un abbuono sul costo dei prelievo dì energia elettrica dalla rete, rendendo tale operazione vantaggiosa in entrambi i sensi.

E’ altrettanto noto che a livello strutturale, tali generatori di energia elettrica sono collegati alla rete di distribuzione attraverso l’interposizione di dispositivi invertitori, chiamati in gergo tecnico “inverter†, i quali permettono di regolare, trasformare e adattare le caratteristiche dell’energia elettrica prodotta in modo da poterla immettere nella rete di distribuzione, senza alcun problema di incompatibilità.

L’utilizzo di un dispositivo invertitore comporta, però, l’inconveniente comune a tutte le tipologie di gruppi di alimentazione dell’arte nota di un abbassamento del rendimento della generazione dell’energia elettrica, dovuto ai consumi energetici necessari per il funzionamento dello stesso inverter e alle perdite annesse.

In dettaglio, l’efficienza di tale dispositivo invertitore può variare tra il 94% e il 96% sul totale dell’energia elettrica proveniente dal generatore, il quale a sua vota presenta un rendimento che può variare tra il 92% e il 96%.

Perciò, il rendimento totale dell'intero gruppo di alimentazione può abbassarsi fino ad una percentuale attorno al 86% rispetto al totale dell’energia elettrica generata.

E' altrettanto noto che attualmente esistono varie tipologie di dispositivi che provvedono alla generazione di energia elettrica, come per esempio i sistemi fotovoltaici, che sfruttano l’energia solare per la generazione di energia elettrica.

D'altro canto, il modo più comune per la produzione di energia elettrica à ̈ quello di utilizzare una macchina elettrica comprendente uno statore ad avvolgimenti e un rotore messo in rotazione da una forza esterna.

Ancora più dettagliatamente, le tipologie di macchine elettriche a disposizione per la generazione di energia elettrica possono essere di vario genere, scelte in base alle specifiche progettuali e alle esigenze dell'azienda o del privato.

In seguito, si prenderanno in considerazione le tre principali tipologie di macchine elettriche maggiormente utilizzate per la generazione di energia elettrica e per l’immissione di quest’ultima nella rete di distribuzione.

Si introdurranno, altresì, gli inconvenienti dovuti alle caratteristiche strutturali delle suddette macchine.

Una prima tipologia di macchina elettrica utilizzata à ̈ un generatore sincrono, il quale presenta il rotore che comprende degli avvolgimenti in corrispondenza dei poli magnetici.

Tali avvolgimenti devono essere “eccitati" in modo che sia possibile la generazione del flusso magnetico in direzione radiale.

Con la rotazione del rotore, dovuta come già accennato in precedenza a forze esterne, come per esempio una turbina, il suddetto flusso magnetico à ̈ rilevato in modo variabile dagli avvolgimenti presenti sullo statore, in cui viene indotta l’energia elettrica che potrà poi essere utilizzata per vari scopi.

Per quanto riguarda l'eccitazione degli avvolgimenti presenti sul rotore, essa à ̈ realizzata introducendo in essi la così detta “corrente di eccitazione†.

Tale tipologia di generatore à ̈ largamente utilizzata perché presenta la possibilità di poter regolare la potenza reattiva immessa in rete o la tensione generata, modulando opportunamente la corrente di eccitazione.

Nei casi in cui, però, non sia necessario avere la possibilità di variare con ampio margine la potenza reattiva immessa in rete o la tensione generata, questo generatore risulta sovradimensionato rispetto alle caratteristiche richieste.

Perciò si ha, svantaggiosamente, una spesa economica troppo elevata per l’acquisto del suddetto generatore, che non giustifica il suo utilizzo nella particolare situazione descritta in precedenza.

In questo caso si tende ad utilizzare altre due tipologie di generatori che presentano caratteristiche differenti da quelle descritte fino ad ora.

La prima delle due tipologie di generatori appena accennate riguarda i generatori di tipo asincrono. Tale dispositivo si adegua alla tensione di rete assorbendo energia reattiva, mentre à ̈ in grado di erogare solamente energia attiva. In caso di disconnessione dalia rete il generatore asincrono non ha un campo magnetico al suo interno e pertanto non genera alcuna tensione. La presenza della corrente magnetizzante di statore e di correnti nei circuiti di rotore comporta, svantaggiosamente, che questi stessi circuiti siano sede di consistenti perdite per effetto Joule.

Per superare gli inconvenienti dovuti all’ utilizzo del generatore appena descritto si tende, recentemente, ad utilizzare i generatori a magneti permanenti.

Tali dispositivi presentano, appunto, sull'estremità esterna del rotore una pluralità di magneti permanenti in corrispondenza dei poli magnetici al fine di generare il flusso magnetico con direzione radiale al rotore stesso.

I generatori a magneti permanenti montati esternamente presentono però due fondamentali inconvenienti che ora andremo ad enunciare. Un primo inconveniente consiste nel fatto che, a velocità costante, l'intervallo del valore di tensione dell’energia elettrica prodotta à ̈ limitato.

Questo à ̈ dovuto al fatto che i magneti permanenti realizzano un flusso magnetico di intensità fondamentalmente fissa e perciò la tensione generata non può discostarsi di molto dal valore nominale come può farlo la tensione dell'energia elettrica presente nella rete di distribuzione.

In particolare, nel caso in cui si verificasse una variazione della tensione dell’energia presente nella rete di distribuzione, il generatore non sarebbe in grado di variare la propria tensione per adeguarsi a tale cambiamento e di conseguenza si realizzerebbe un assorbimento o un rilascio nella rete stessa di un'elevata quantità di energia reattiva.

il secondo grave inconveniente à ̈ dovuto al fatto che nel caso di guasto, chiamato in gergo tecnico “fuga†, il generatore non à ̈ più connesso alla rete di distribuzione e perciò non ha più la possibilità di immettere la potenza attiva nella stessa rete di distribuzione.

Tutta la potenza in questo caso potrebbe accelerare il moto di rotazione della macchina stessa, fino ad arrivare alia così detta “velocità di fuga†con il conseguente aumento della tensione dell'energia generata.

Per poter far sì che il generatore riesca a sopportare tale aumento di tensione, che potrebbero raggiungere valori anche multipli di quelli che si riscontrano durante il normale funzionamento del gruppo di alimentazione, à ̈ necessario sovradimensionare le caratteristiche del generatore stesso.

Questo, di conseguenza, provoca un aumento dei costi di realizzazione del gruppo di alimentazione per il sistema di distribuzione, mantenendo però un rendimento pari a quello che si potrebbe ottenere con un generatore di caratteristiche inferiori.

Lo scopo della presente invenzione à ̈ di realizzare un sistema di distribuzione comprendente un gruppo di alimentazione di una rete elettrica che superi gli inconvenienti ora ricordati.

In particolare, un primo scopo dell’invenzione à ̈ la realizzazione di un sistema di distribuzione avente uno o più generatori, i quali abbiano la possibilità di variare la tensione dell'energia da loro prodotta in un intervallo più ampio rispetto a quello ottenibile con i generatori de arte nota attraverso l’apporto di una limitata quantità di energia reattiva per l'eccitazione dello stesso generatore, a parità di potenza nominale dei gruppi di alimentazione dell'arte nota.

Di conseguenza, un ulteriore scopo à ̈ la realizzazione di un sistema di distribuzione comprendente un gruppo di alimentazione in grado di adattare la tensione dell’energia prodotta alle variazioni dell’energia distribuita dalla rete elettrica, rendendo possibile un assorbimento limitato di energia reattiva nella stessa rete di distribuzione.

Inoltre, un altro scopo à ̈ quello di realizzare un sistema di distribuzione in cui il gruppo di alimentazione consenta di ottenere condizioni di maggiore sicurezza rispetto ai gruppi di alimentazione a magneti permanenti dell’arte nota, nel caso di mancato apporto di energia elettrica da parte della rete di distribuzione.

Gli scopi detti sono raggiunti da un gruppo di alimentazione di una rete elettrica avente le caratteristiche secondo la rivendicazione principale.

Fa parte dell’invenzione anche il metodo per la distribuzione dell’energia elettrica, tramite l'utilizzo del sistema di distribuzione dell’invenzione.

Ulteriori caratteristiche del gruppo di alimentazione vengono descritte nelle rivendicazioni dipendenti.

Vantaggiosamente il sistema di distribuzione, non necessitando dell’azione del dispositivo invertitore, presente delle dimensioni fisiche più limitate rispetto ai sistemi dell’arte nota, occupando meno spazio.

Ancora vantaggiosamente, non essendoci il dispositivo invertitore interposto tra il generatore e la rete di distribuzione, non si verificano le perdite dovute al funzionamento dello stesso invertitore e perciò il rendimento totale del gruppo di alimentazione e di conseguenza del sistema di distribuzione dell'invenzione risulta più elevato rispetto a quello dei sistemi di distribuzione dell'arte nota.

Un ulteriore vantaggio del sistema di distribuzione dell’invenzione à ̈ il conseguente risparmio economico, dovuto alla non necessità di acquistare e di includere il dispositivo invertitore nel sistema stesso. Gli scopi ed i vantaggi detti verranno meglio evidenziati durante la descrizione di una preferita forma di esecuzione dell’invenzione che viene data al seguito a titolo indicativo e non limitativo facendo riferimento alle allegate tavole di disegno ove:

- la fig. 1 rappresenta lo schema di configurazione del sistema di distribuzione dell’energia elettrica dell’invenzione in una prima forma realizzativa in cui i generatori sono connessi direttamente alla rete di distribuzione;

- la fig. 2 rappresenta la vista frontale secondo una sezione verticale dello schema costruttivo del generatore sincrono a magneti permanenti, montati internamente alla struttura del rotore, utilizzato per la realizzazione del sistema di distribuzione dell’invenzione;

- la fig. 3 rappresenta in dettaglio uno dei poli magnetici del generatore di fig. 2 con le linee del flusso magnetico principale generato dai magneti permanenti;

- la fig. 4 rappresenta in dettaglio uno dei poli magnetici del generatore di fig. 2 con le linee del flusso magnetico secondario generato lungo i percorsi a bassa riluttanza;

- la fig. 5 rappresenta lo schema di configurazione del sistema di distribuzione dell'energia elettrica dell’invenzione in una seconda forma realizzativa in cui i generatori sono connessi alla rete di distribuzione con l’interposizione di dispositivi trasformatori.

II sistema di distribuzione dell’energia elettrica dell'invenzione à ̈ rappresentato nel suo complesso nella fig. 1 ove à ̈ indicata con 1. Secondo l’invenzione, il sistema di distribuzione 1 dell’invenzione comprende una rete di distribuzione 2 che nella forma esecutiva qui descritta à ̈ la rete di distribuzione dell'energia elettrica nazionale, In differenti forme esecutive la rete di distribuzione 2 può essere una rete di tipo privato o qualsivoglia tipologia di rete di distribuzione, purché presenti caratteristiche secondo l'arte nota.

Il sistema di distribuzione 1 comprende, inoltre, uno o più generatori 3 di energia elettrica connessi in parallelo alla suddetta rete di distribuzione 2.

In particolare, come si può osservare in fig. 2, tali generatori comprendono uno statore 4 realizzato con avvolgimenti 41 e da un rotore 5 in cui i poli magnetici sono realizzati con magneti permanenti 51

Sempre secondo l’invenzione, a differenza dei generatori a magneti permanenti esterni utilizzati nell’arte nota, questa tipologia di generatori 3 prevede che i magneti permanenti 51 siano disposti all’interno della struttura del rotore 5 stesso.

Nonostante il suddetto generatore 3 sia già noto, l’inventore ha verificato e dimostrato il fatto che tale macchina elettrica, grazie alle proprie caratteristiche intrinseche, può essere collegata ad una rete di distribuzione elettrica 2 senza la necessità di interporre un dispositivo invertitore, per assolvere al compito di immettere la stessa energia elettrica nelle rete di distribuzione 2.

Infatti, tale tipologia di macchina elettrica à ̈ comunemente denominata in gergo tecnico generatore del tipo “interior permanent magnet" ed à ̈ tipicamente utilizzata per esempio nel settore così detto “automotive" ed in particolare come motore/generatore nella auto ibride, tuttavia sempre utilizzato in presenza di un dispositivo invertitore.

Ancora, in altri casi, il suddetto generatore viene utilizzato nel settore eolico dove però necessita sempre del controllo elettronico effettuato dall’inverter.

In modo differente dalle applicazioni precedenti, l'utilizzo del generatore 3 in un sistema di distribuzione dell’energia 1 apporta sorprendenti vantaggi, che non sono riscontrabili nei sistemi di distribuzione dell’arte nota.

Entrando nello specifico, la particolare distribuzione dei magneti permanenti 51 all’interno della struttura del rotore 5 consente di ottenere un flusso magnetico totale con intensità variabile che permette di adattare la tensione dell’energia prodotta dallo stesso generatore 3 alle caratteristiche di tensione dell’energia presente nella rete di distribuzione 2, senza l'aggiunta di particolari dispositivi di regolazione.

In dettaglio, per ogni polo magnetico vengono ricavati dei percorsi a bassa riluttanza 7, intervallati da barriere di flusso magnetico 6 che nella particolare forma esecutiva qui descritta sono costituite da spazi vuoti.

In una differente forma esecutiva tali barriere di flusso 6 possono essere realizzate con materiali con caratteristiche non ferromagnetiche.

All’interno di tali barriere di flusso 6 vengono posti i magneti permanenti 51 con direzione di magnetizzazione fondamentalmente perpendicolare alla linea di minima riluttanza, come si può notare in fig. 4.

Tale composizione consente perciò di ottenere un flusso magnetico principale 8, come si osserva in fig. 3, direzionato radialmente rispetto al rotore 6 e con intensità fondamentalmente fissa dovuta al contributo dei magneti permanenti 51 stessi.

Inoltre, ed à ̈ questa la caratteristica determinante dell'efficacia del sistema di distribuzione 1 dell’invenzione rispetto a quelli dell’arte, si verifica lo sviluppo di un flusso magnetico secondario 9, che si osserva in fig. 4, dovuto alla corrente di magnetizzazione che scorre nello statore 4, con direzione ortogonale a quella del flusso principale 8, la cui intensità può essere variata e dar luogo così ad un flusso magnetico totale a sua volta con intensità variabile.

Il suddetto flusso magnetico totale permette di indurre sugli avvolgimenti 41 dello statore 4 un’energia elettrica che può assumere un valore di tensione variabile all'interno di un intervallo più ampio rispetto a quello ottenuto con i generatori dell'arte nota,

Questa caratteristica, di conseguenza, consente al generatore 3 di adattarsi alle variazioni della tensione presente nella rete di distribuzione 2.

Inoltre, in caso di fuga, nello statore 4 non à ̈ più presente la corrente di magnetizzazione e quindi non si sviluppa più il suddetto flusso magnetico secondario 9.

In questo caso, la tensione totale dell'energia generata dallo stesso generatore 3 può essere mantenuta ad un livello compatibile con un eventuale sistema di isolamento e di protezione, non rappresentato nelle figure, progettato per la tensione nominale, a differenza di quello che poteva accadere con i generatori sincroni a magneti permanenti posti sulla superficie del rotore.

Ancora, nei generatori utilizzati nel sistema di distribuzione 1 dell'invenzione, l'intensità della corrente di magnetizzazione necessaria per l’ottenimento del flusso magnetico secondario 9 à ̈ notevolmente più bassa nei confronti di quella presente nei generatori asincroni utilizzati nei sistemi deN’arte nota.

Questo, di conseguenza, determina sia un risparmio sui costi, sia un aumento del rendimento, dovuti entrambi alla mancanza di perdite di Joule nel rotore 5 e alla riduzione delle stesse perdite nello statore 4. Inoltre, nella particolare forma esecutiva qui descritta, all'interno delle suddette barriere di flusso 6 possono essere inseriti una pluralità di conduttore elettrici per poter realizzare una, così detta, “gabbia di smorzamento", analogamente a quanto si fa normalmente nei generatori sincroni dell’arte nota.

In differenti forme esecutive, tali conduttori possono essere omessi. Per quanto riguarda la modalità di connessione tra i generatori 3 e la rete di distribuzione 2, essa, nella forma esecutiva qui descritta, avviene in modo diretto.

In una seconda forma realizzativa, à ̈ prevista la presenza di un dispositivo trasformatore 10 interposto tra uno o più generatori 3 e la rete di distribuzione 2, come si può osservare in fig.5.

Al sistema di distribuzione 1 dell’invenzione à ̈ associato il metodo per la realizzazione del sistema di distribuzione dell'energia elettrica che prevede di collegare in parallelo uno o più generatori 3 ad una rete elettrica 2 in modo da immettere l'energia elettrica generata in esubero.

Come già detto in precedenza, ognuno di tali generatori 3 comprende uno statore 4 e un rotore 5 con poli magnetici del tipo a magneti permanenti 51 in cui i magneti permanenti 51 sono disposti internamente alla struttura del suddetto rotore 5.

In base a quanto detto si comprende quindi che il sistema di distribuzione dell’invenzione e il metodo di distribuzione dell'energia elettrica dell’invenzione raggiungono tutti gli scopi prefissati.

In particolare, l'invenzione raggiunge lo scopo di realizzare un sistema di distribuzione dell'energia elettrica comprendente uno o più generatori, i quali hanno la possibilità di variare la tensione dell’energia da loro prodotta in un intervallo più ampio rispetto a quello ottenibile con i generatori dell’arte nota attraverso l’apporto di una limitata quantità di energia reattiva per l’eccitazione dello stesso generatore, a parità di potenza nominale dei gruppi di alimentazione dell’arte nota.

E’ raggiunto anche lo scopo di realizzare un sistema di distribuzione comprendente un gruppo di alimentazione in grado di adattare la tensione dell’energia prodotta alle variazioni dell’energia distribuita dalla rete elettrica, rendendo possibile un assorbimento limitato di energia reattiva nella stessa rete di distribuzione.

Un ulteriore scopo raggiunto à ̈ quello di realizzare un sistema di distribuzione in cui il gruppo di alimentazione consenta di ottenere condizioni di maggiore sicurezza rispetto ai gruppi di alimentazione a magneti permanenti dell’arte nota, nel caso di mancato apporto di energia elettrica da parte della rete di distribuzione.

In fase esecutiva, al sistema di distribuzione dell’energia elettrica dell'invenzione e al metodo ad esso associato, potranno essere apportate varianti esecutive che, quantunque non rappresentate e non descritte in questa sede, qualora dovessero rientrare nel contenuto delle rivendicazioni che seguono, saranno tutte da ritenersi protette dal presente brevetto.

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1) Sistema di distribuzione dell'energia elettrica (1 ) del tipo comprendente uno o più generatori (3) connessi in parallelo ad una rete elettrica (2), ciascuno di detti generatori (3) essendo composto da uno statore (4) e da un rotore (5) con poli magnetici del tipo a magneti permanenti (51 ), caratterizzato dal fatto che detti magneti permanenti (51 ) sono disposti internamente alla struttura di detto rotore (5), in corrispondenza di ciascuno di detti poli magnetici, con direzione di magnetizzazione sostanzialmente radiale in modo da generare radialmente un flusso magnetico principale (8).
2. 2) Sistema di distribuzione dell’energia elettrica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che ognuno di detti poli magnetici (5) à ̈ realizzato, secondo una direzione sostanzialmente radiale, da percorsi a bassa riluttanza (7) alternati a barriere di flusso magnetico (6) in cui vengono inseriti detti magneti permanenti (51), in modo che venga generato in detti percorsi a bassa riluttanza (7) un flusso magnetico secondario (9) ortogonalmente alla direzione di detto flusso magnetico principale (8).
3. 3) Sistema di distribuzione dell’energia elettrica secondo la rivendicazione 2) caratterizzato dal fatto che dette barriere di flusso (6) sono realizzate da spazzi vuoti.
4. 4) Sistema di distribuzione dell’energia elettrica secondo la rivendicazione 2) caratterizzato dal fatto che dette barriere di flusso (6) sono realizzate da materiali con caratteristiche non ferromagnetiche.
5. 5) Sistema di distribuzione dell’energia elettrica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere un dispositivo trasformatore (10) interposto tra uno o più di detti generatori (3) e detta rete elettrica (2).
6. 6) Sistema di distribuzione dell’energia elettrica secondo una qualsiasi delie rivendicazioni da 1 ) a 4) caratterizzato dal fatto che uno o più di detti generatori (3) à ̈ collegato direttamente a detta rete elettrica (2).
7. 7) Sistema di distribuzione dell’energia elettrica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che dette barriere di flusso (6) sono connesse tra loro mediante una pluralità di conduttori elettrici in modo da realizzare una gabbia di smorzamento.
8. 8) Metodo per realizzare un sistema per la distribuzione dell'energia elettrica che prevede di collegare in parallelo uno o più generatori (3) ad una rete elettrica (2), ciascuno dei quali à ̈ composto da uno statore (4) e da un rotore (5) con poli magnetici del tipo a magneti permanenti (51 ), caratterizzato dal fatto che detti magneti permanenti (51) sono disposti internamente alla struttura di detto rotore (5), in corrispondenza di ciascuno di detti poli magnetici, con direzione di magnetizzazione sostanzialmente radiale in modo da generare radialmente un flusso magnetico principale (8). Per incarico.