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INVERTER IN MEDIA TENSIONE con tecnologia Direct-to-Drive™

IE FOR - Industrial EfficiencyforGiovedì, 28 Ottobre 2010

Centro Congressi Fiera di VicenzaDiego MarazziniCommercial Engineer Power

[email protected]

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• Le applicazioni a “Coppia Variabile” sono le potenziali aree per ilrisparmio energetico

• Le applicazioni tipiche sono ventilatori, pompe centrifughe ealcune tipologie di compressori

• Riducendo la velocità di un’applicazione a Coppia Quadratica solo del 20%, si può ottenere un risparmio di potenza fino al 50%!!

Potenza kW

Flusso

Risparmio kW

Valvola

Inverter

Confronto tra il consumo di energia con un controllo a Valvola rispetto ad un controllo con Variazione della Velocitàin un sistema a Coppia Variabile

Risparmio Energetico con Inverter


Dove possiamo ottenere maggior Risparmio?

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0.37 3.7 37 355

Costo per kW

00.5

11.5

22.5

33.5

44.5

5

0.37 3.7 37 355

Payback (anni)

Basato sul prezzo di listino dell’Inverter+ funzionamento 8 ore al giorno

+ costo energetico di € 0.1 per kWh

kW kW


….ecco l’importanza delle grosse potenze (1)

La Media Tensione è diventata più attraenteIn passato la maggior parte degli Inverter in MT erano dei prodotti sofisticati con tempidi consegna molto lunghi. Oggi i maggiori livelli di standardizzazione hanno ridottonotevolmente i tempi di consegna per la maggior parte degli Inverter in MT

Standardizzazione del prodotto

Volume Ordini

Pre-Progettati

StoccaggioInverter

Quantità Unitaria


Aumento dei prezzi delle Materie Prime• Il prezzo del rame e dei lamierini hanno fatto registrare grossi aumenti negli ultimi anni• L’impatto sui costi delle applicazioni di grossa Potenza con l’utilizzo di un Inverter in BT

diventa sempre più significativo rispetto all’Inverter in MT• La quantità di materiale conduttivo necessario è direttamente proporzionale alla corrente

totale e quindi ai componenti ausiliari del sistema (cablaggio, trasformatori, ecc)esempio: un sistema con Inverter a 690V richiede circa 10 voltela corrente utilizzata da un sistema a 6600V della stessa Potenza

Costi dicablaggio

Trasformatoridi Ingresso

Trasformatoridi Uscita

Sistema diDistribuzione

….ecco l’importanza delle grosse potenze (2)


La nostra esperienza nella MT…

1931 – First Allen-Bradley Medium Voltage Starter

1989 – First Allen-Bradley MV Vacuum Contactor

1989 – First Allen-Bradley MV Drive

1956 – First Allen-Bradley MV Air Break Contactor

1993 – First Allen-Bradley MV Smart Motor Controller

2000 – First Allen-Bradley MV PowerFlex Drive


L’Inverter in MT di Rockwell Automation

PowerFlex 7000• 3° generazione di drive in MT di Rockwell Automation (1989 1° MV Drive)• Range di Potenza da 150kW a 25.4MW• Range di Tensione da 2400V a 6600V

– Senza trasformatori abbassatori / inalzatori• Prodotto globale

– IEC / NEMA / UL / CSA standards• Raffredamento ad aria o ad acqua

Oltre ai motivi di carattere generale che hanno reso nel tempo la Media Tensionepiù attraente, il PowerFlex 7000 offre una serie di caratteristiche innovative


Confronto tra le tipologie di Inverter in MT

PowerFlex 7000 CSI PWM •SGCT inverter switch•Basso n° di componenti•Struttura di potenza moltosemplice VSI-PWM 3 Level

•IGCT o MV IGBT inverter switch•Medio n° di componenti•Struttura di potenza complessaa causa della serie e paralleli deicomponenti di potenza sui trelivelli

VSI-PWM Multi-Level (Series Cell) •LV IGBT inverter switch•Elevato n° di componenti•Struttura di potenza moltocomplessa a causa dei livelli multiplidi tensione e trasformatore speciale

SempliceComplesso

Molto Complesso



Tipologie complesseLa maggior parte dei costruttori di Inverter in MT per mitigare gli effetti indesiderati delleArmoniche e della Tensione di Modo Comune utilizza dei trasformatori d’isolamentomulti avvolgimento

• Il trasformatore può avere finoa 15 avvolgimenti secondari

• Gli svantaggi di questo metodo sono: - il costo- la complessità- trasformatore customizzato

L i n e a

T 2

T 3

H 1H 2

H 3

T 1

M o t o r e


Tipologie complesse (esempio)Ecco raffigurato un trasformatore multisecondario con 53 cavi di interconnessionetra il secondario del trasformatore ed il circuito di ingresso dell’Inverter

PowerFlex 7000 – Modern Thinking

Rockwell Automation ha Rockwell Automation ha modificatomodificato tuttotutto questoquestointroducentointroducento la la tecnologiatecnologia: :

““Direct-to-Drive™””



Tipologia semplice• La struttura di potenza semplice e affidabile del PowerFlex 7000 risulta di facile

utilizzo in un ampio range di potenze e tensioni• I semiconduttori di potenza a 6500V permettono di ridurre al minimo il numero dei

componenti di potenza:– Solo 6 semiconduttori nella sezione Converter e 6 nell’Inverter a 2400V– 12 a 3300-4160V– 18 a 6600V

Grazie al controllo CSI ed all’induttanza sul circuito intermedio che limita la corrente, non sono richiesti fusibili di protezione per i Semiconduttori di Potenza


PowerFlex 7000: Direct-to-Drive™

Il PowerFlex 7000 con la tecnologia Direct-to-Drive permette:

– collegare il VFD direttamente allarete di alimentazione senza un trasformatore d’isolamento

– collegare al VFD un motore nuovo o esistente, non è richiesto un motorecon isolamento speciale

La tecnologia Direct-to-DrivePerchè installare un Trasformatore d’Isolamento se non serve?


PowerFlex 7000: Caratteristiche e vantaggi

Forme d’onda al Motore• Corrente e Tensione quasi sinusoidali a tutte le condizioni di velocità

– Non avremo surriscaldamento o sollecitazioni di tensione aggiuntive all’isolamento del motore se paragonato al funzionamento da rete sinusoidale

• Compatibile con tutti i motori standard– Ad induzione o sincroni– Non è richiesto nessun declassamento per funzionamento con inverter– Può essere applicato a motori nuovi o esistenti

• Potenzialmente la lunghezza cavi verso il motore è illimitata– Funzionamento stabile testato fino a 15 Km– Vengono eliminate le problematiche impiantistiche relative a dv/dt– Utilizzo di cavi motore standard/esistenti

• Controllo motore dolce e armonioso– Alta qualità delle forme d’onda V e I – Basso ripple di coppia


IGBT forme d’onda al Motore


SGCT forme d’onda al Motore

dv/dt = 10 - 50 Volts/microsecondidv/dt = 750 -1176 Volts/microsecondi

Tensione

Corrente

Tensione

Corrente

Forme d’onda al Motore



Riduzione dei Costi Totali di esercizioLa semplicità della tecnologia Direct-to-Drive consente un minore investimento iniziale, minori costi operativi, costi di installazione più bassi e minori costi di manutenzione rispetto alle tipologie di Inverter che richiedono l’utilizzo del Trasformatore d’Isolamento:• Nessun costo aggiuntivo per l’acquisto del

trasformatore• Nessun costo aggiuntivo per la spedizione• Nessun costo aggiuntivo per l’installazione• Nussun costo aggiuntivo per la cabina elettrica

di trasformazione• NO climatizzazione del trasformatore• NO perdita di efficienza nel trasformatore• NO relè di protezione del trasformatore

• Non è richiesto isolamento addizionalecavi di alimentazione

• Non è richiesto isolamento addizionalecavi motore

• Non è richiesto isolamento addizionaledell’avvolgimento motore

• NO filtri armonici aggiuntivi• NO correzione del fattore di potenza• NO filtro sinusoidale dv/dt


Selective Harmonic EliminationIl ponte raddrizzatore Active Front-End riduce l’emissionedel contenuto armonico mediante una commutazione attiva ed unaeliminazione selettiva delle armoniche stesse


Raddrizzatore Active Front-EndGrazie all’utilizzo di un ponte raddrizzatore switching “Active Front-End” le armoniche di corrente di linea vengono ridotte ad un livello accettato da tuttigli standard mondiali

Vengono inoltre utilizzati dei piccoli filtri interni cheaiutano ad eliminare il contenuto armonicho residuo



Raddrizzatore Active Front-EndGrazie all’utilizzo di un ponte raddrizzatore switching “Active Front-End” le armoniche di corrente di linea vengono ridotte ad un livello accettato da tuttigli standard mondiali

Vengono inoltre utilizzati dei piccoli filtri interni cheaiutano ad eliminare il contenuto armonicho residuo

Questo è il modopiù semplice per ridurre e cancellarele armoniche poichènon ha la complessitàe l’elevato numerodi componenti delletecnologiemulti-impulsi



Raddrizzatore Active Front-End• Soddisfa gli standard Mondiali in termini di generazione di armoniche

(IEEE-519)• Il contenuto totale delle armoniche (THD) sarà approssimativamente:

– 4.5% THD in corrente– 1.5% THD in tensione (fase-fase)*

*THD generate sulla tensione di alimentazione dipendono anche dall’impedenza totale del sistema

Corrente di Linea

Tensione di Lineafase-fase



0%2%4%6%8%

10%12%14%16%18%

5th 7th 11th 13th 17th 19th 23rd 25th

AFE

18-Pulse

12-Pulse

6-Pulse

Raddrizzatore Active Front-End

Corrente di ingresso

Tensione di ingresso

AFEAFE


PowerFlex 7000 - Caratteristiche e vantaggi

Rigenerazione verso la reteIl PowerFlex 7000 rigenera in linea l’energia inviata dal motore in frenatura– applicazioni ad alta inerzia dove il motore deve essere fermato in tempi brevi– applicazioni in cui il motore potrebbe essere trascinato dal carico

Energia Rigenerata in un nastro trasportatore

0

10

20

30

40

50

60

70

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20Time seconds

Freq

uenc

y H

z

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

Perunit

Speed f/b

RegenerativePower



Semiconduttori di Potenza (SGCT)• Maggior efficienza

– Il Semiconduttore conduce uniformemente su tutta la sua superficie

• Minori perdite durante la commutazione– La scheda Driver Board a contatto diretto con il dispositivo di potenza crea

un percorso a bassa impedenza– Minori perdite durante la commutazione

• Minimizzati i guasti– 100 guasti su un miliardo di ore di funzionamento

• Migliore dissipazione termica– Raffreddamento sui due lati del componente

• In caso di guasto il componente non sidistrugge e non crea archi o esplosioni



Il PowerCage• Costruzione modulare

– Utilizzata sia per la sezione Converter sia per la sezione Inverter• Radiatori studiati per ottenere l’espulsione del calore ad alta efficienza

– Trasferimento di calore ottimizzato = minori sollecitazioni termiche sui semiconduttori

Air Cooled Drive Liquid Cooled Drive


PowerFlex 7000 - Topology

18

36

Miglior Componente X Minor N° Componenti = Altissima Affidabilità

12

60

18

36

12

36

18

60

010203040506070

MV SGCT MV IGBT MV IGCT LV IGBT

……il miglior MTBF sul mercato


Fluxys LNG

• Fluxys LNG (società del Gruppo Suez) ha un terminale per lo scarico di Gas Naturale Liquefatto dalle navi, le sue principali attività sono lo scarico, lo stoccaggio, la rigassificazione ed il trasporto di Gas Naturale.

• Su una pompa preesistente ad alta pressione della potenzadi 870 kW a 6,0 kV è stato installato un Inverter in MT. Ne è risultato un risparmio energetico del 37%.

• Payback dell’installazione:– 11 mesi

• Risparmio di energia / anno stimato:– 150.000,- Euro

• Prodotto utilizzato:– Inverter PowerFlex 7000

• Caratteristiche dell’impianto:– motore pre-esistente– lunghezza cavo motore 200 mt.– ambiente EEx– applicazione critica


Industeel

• Industeel (società del Gruppo Arcelor / Mittal) specializzatanella produzione e nella laminazione dell’acciaio inossidabilecon livelli tecnologici avanzati.

• Su una pompe di decalcificazione della potenza di 2,5 MW a 6,0 kV è stato installato un Inverter in Media Tensione. Il risultato ottenuto è stato una migliore qualità del prodotto, un migliore controllo del processo ed un notevoleabbassamento del consumo energetico

• Payback dell’installazione:– 8 mesi

• Risparmio di energia / anno stimato:– 600.000,- Euro


• Caratteristiche dell’impianto:– motori preesistenti vecchi di 28 anni– lunghezza cavi motore 150 mt.– applicazione critica


Vattenfal

• Vattenfal Mining è una miniera a cielo aperto. Per arrivare al giacimento di carbone bruno, una scavatrice rimuove uno strato diterra che varia dai 60 ai 120 metri. I nastri convogliatoritrasportano la terra dalla zona dello scavo ad un’area dedicataall’accumulo, la stessa viene poi riutilizzata per ricoprire le zone diestrazionePer poter trasportare, per diversi Km, 115 milioni di metri cubi diterra all’anno, il mezzo più efficiente dal punto di vista energeticosono i nastri trasportatori

• Questi nastri trasportatori, prima della ristrutturazione, necessitavano per la movimentazione di 6 unità motorizzanti da1,5MW per un totale di 9MW

• Dopo la ristrutturazione, applicando una soluzione a velocitàvariabile, lo stesso nastro a parità di materiale trasportato vienemovimentato da sole 3 unità da 2MW per un totale di 6MW

• Payback dell’installazione: – 5 mesi

• Risparmio di energia / anno stimato:– 1.200.000,- Euro


• Caratteristiche dell’impianto:– lunghezza cavi motore 1,2 Km– applicazione a coppia costante– applicazione critica: rigenerativa


Intelligent Motor Control

07:49


Intelligent Motor Control


PowerFlex® AC Drives


PowerFlex® AC Drives Pe

rform

ance

/Fun

ction

ality

kW0.25 6’200

V/Hz

SVC

FVC

FOC

Low High

Simp

leAd

vanc

edCo

mplex

750


PowerFlex® AC DrivesPe

rform

ance

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kW0.25 6’200

VHz

SVC

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PowerFlex® AC DrivesPe

rform

ance

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kW0.25 6’200

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