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Compatibilità elettrica e dei segnali degli attuatori per generatori
Abbinamento di tensione, corrente e potenza
L'allineamento di precisi parametri elettrici è fondamentale per prevenire il guasto degli attuatori del generatore. Un assorbimento eccessivo di corrente o una sovratensione, una tensione non corrispondente e un assorbimento di corrente non adeguato possono aumentare la temperatura dei componenti e ridurne la durata fino al 40% (Electrical Safety Foundation, 2023). La tolleranza in ingresso dell’attuatore, in particolare la tolleranza in ingresso dell’attuatore, la tolleranza in ingresso e la corrente di picco in ingresso, sono importanti per far corrispondere l’ingresso/uscita dell’attuatore alla corrente di picco in uscita del regolatore di velocità. Le discrepanze di tensione nelle prestazioni del generatore costituiscono esempi di violazioni dello standard IEC 60034 pari al 5% o superiore. Esse includono:
La distorsione armonica è [minore o uguale a] il 5% della distorsione armonica totale (THD).
Protocolli di segnale PWM, analogici e digitali (ad es. CANopen DS402, Modbus RTU)
L'allineamento dei segnali di funzionamento e di controllo è fondamentale per garantire la risposta del generatore all'azionamento in un'unità di generazione di energia. L'allineamento tra il protocollo CANopen DS402 e i segnali di controllo consente un controllo in tempo reale e istantaneo della coppia del generatore verso la rete; il controllo Modbus RTU della ventilazione in entrata e in uscita dal generatore richiede invece un corretto allineamento dei segnali. I protocolli operativi dei segnali sono soggetti a controllo nei sistemi multi-azionamento. Un allineamento dei segnali superiore a 20 ms costituisce un allineamento dei segnali di controllo, mentre la tempistica di formulazione del segnale di controllo rappresenta il ritardo massimo assoluto consentito (Soglia del segnale di controllo). Il ritardo di formulazione del segnale di controllo è l'allineamento dei segnali di controllo definito dai protocolli di segnale relativi alle colonie Attive/Non attive. Il ritardo massimo di formulazione del segnale di controllo previsto dai protocolli di segnale di controllo è pari a 20 ms. Il ritardo massimo di formulazione del segnale di controllo previsto dai protocolli di segnale di controllo è pari a 20 ms. p/colonie Attive. Il ritardo massimo di formulazione del segnale di controllo previsto dai protocolli di segnale di controllo è pari a 20 ms. p/colonie eteree. Il collasso del segnale e il carico devono essere controllati. In entrambi i casi, la presenza dell'allineamento dei segnali di controllo deve essere controllata. p/colonie Attive. Il ritardo massimo di formulazione del segnale di controllo previsto dai protocolli di segnale di controllo è pari a 20 ms.
Accordo sulle prestazioni dinamiche: coppia, velocità e risposta
Allineamento della curva coppia-velocità in condizioni di carico variabile
Nessuna discordanza tra le caratteristiche coppia-velocità che causi intasamenti, altrimenti sorgono problemi di efficienza e di produzione della macchina. Nel caso di carico generatore connesso, frequente nelle applicazioni di coordinamento con la rete, si verifica il rischio di una condizione di stallo oppure di funzionamento del generatore in modalità di controllo della velocità. In caso di picco, il valore massimo di coppia dell’attuatore è inferiore a quello del generatore e la stabilità rotazionale, in corrispondenza della richiesta massima sull’attuatore, scende al 15%. In caso di sovradimensionamento, l’attuatore dissipa la richiesta di potenza di picco verso il generatore. L’allineamento ottimale richiede:
- Analisi dei cicli di carico e identificazione dei punti di flesso della funzione coppia/velocità
- Efficienza dimostrata maggiore o uguale all’85% su tutto il campo operativo
- Erogazione di coppia a bassa velocità per l’intera durata del periodo operativo, per garantire una sincronizzazione affidabile con la rete
Latenza del feedback e sincronizzazione del profilo di movimento
La latenza del feedback influisce sulla precisione della sincronizzazione; valori maggiori o uguali a 20 ms provocano errori di posizione pari o superiori allo 0,5% della velocità complessiva del cilindro. L’ultima generazione di controller aumenta significativamente la velocità di risposta grazie all’impiego del controllo predittivo per compensare l’inerzia meccanica, della comunicazione CANopen per eliminare le fluttuazioni di controllo e di loop PID regolati con estrema precisione, che consentono cicli di controllo inferiori o uguali a 10 ms.
Sono necessari errori di sincronizzazione maggiori o uguali allo 0,1% per prevenire danni all’isolamento degli avvolgimenti.
Integrazione del generatore: vincoli termici, meccanici e ambientali
Gli attuatori dei generatori sono soggetti ad alcune delle condizioni termiche, meccaniche e ambientali più severe, che determinano la fattibilità di integrazione e la durata operativa del sistema. Dal punto di vista termico, temperature ambientali superiori a 40 °C provocano un’usura significativa degli elementi elettronici e dei lubrificanti. Ciò richiede il raffreddamento forzato ad aria o a liquido per mantenere le temperature interne al di sotto di 85 °C. In condizioni di freddo, gli attuatori dei generatori sono dotati di un kit per climi rigidi, comprendente un riscaldatore del blocco motore e un lubrificante sintetico. Dal punto di vista meccanico, le vibrazioni prolungate superiori a 5 g, insieme agli urti, devono essere assorbite e mitigate mediante involucri rinforzati e supporti antirisonanza, che riducono al minimo le sollecitazioni meccaniche legate alla fatica e allo spostamento dell’allineamento. In ambienti con particolato aerodisperso o agenti corrosivi, devono essere utilizzati contenitori caratterizzati da un grado di protezione contro l’ingresso di corpi estranei pari almeno a IP54. A quote superiori a 1.000 m, la riduzione dell’efficienza del raffreddamento convettivo e l’aumento dell’altitudine devono essere compensati da una riduzione della potenza nominale pari a circa il 3% ogni 300 m. Per garantire la conformità alle normative in materia di protezione ambientale e ai limiti di emissione di particolato, ulteriori limitazioni sui materiali e restrizioni progettuali devono essere integrate nelle strategie termiche e nei sistemi dei contenitori.
Convalida e valutazione dell'integrazione del sistema di generazione
La convalida e l'interoperabilità sono fondamentali per garantire che gli attuatori del generatore si integrino in modo affidabile con i regolatori di velocità nei sistemi di generazione di energia, critici per il successo della missione. Questi processi identificano e quantificano l'allineamento delle connessioni elettriche, della dinamica di controllo e delle risposte termodinamiche, assicurando al fornitore del sistema l'assenza di eventuali guasti di comunicazione, di disallineamento della coppia o di degrado dovuto a sollecitazioni operative continue.
Quadri di prova standardizzati (IEC 61800-7, IEC 60034-25)
La verifica della interoperabilità senza soluzione di continuità degli attuatori per generatori è resa globale grazie ai framework IEC 61800-7 e IEC 60034-25. L'IEC 61800-7 regola la conformità di vari protocolli di comunicazione, quali CANopen DS402 e Modbus RTU, per lo scambio sicuro di dati relativi ai comandi di velocità e coppia. Per quanto riguarda la verifica della resistenza termica degli attuatori, l'IEC 60034-25 richiede che gli attuatori eroghino coppia con una deviazione di ±2% per oltre 1.000 ore in un ambiente a temperatura ambiente di 155 °C. Oltre ai criteri di fine vita, gli attuatori devono essere sottoposti a test su profili dinamici robusti, definiti come una risposta inferiore a 5 ms a un carico a gradino, e devono essere utilizzati in ambienti considerati ostili, ad esempio quelli con nebbia salina.
Nel settore industriale, studi hanno dimostrato una riduzione media del 63% dell’errore di integrazione quando vengono rispettati i requisiti di queste specifiche. Inoltre, il settore ha evidenziato una riduzione del 40% dei guasti segnalati sul campo quando i test sono certificati come eseguiti secondo i criteri IEC. Ciò evidenzia l’importanza del programma di prove standardizzato implementato nel settore per la produttività e l'affidabilità del prodotto quando viene utilizzato in un ambiente di rete di grandi dimensioni.
Casi d’uso della tecnologia reale per attuatori di generatori, insieme alle conoscenze ed esperienze acquisite
Dati forniti dai principali produttori di sistemi di controllo del passo per turbine eoliche
Gli attuatori di pitch per turbine eoliche sono soggetti a condizioni estreme: si fermano per soli 0,2 secondi nella posizione più alta del mozzo della pala, che può trovarsi a oltre 80 m di altezza, controllando al contempo le avverse condizioni meteorologiche di una tempesta e regolando in modo ottimale il recupero di potenza, prossimo al valore massimo, durante una raffica. I dati raccolti sul campo da vari grandi impianti eolici hanno identificato tre principali aree di criteri di integrazione:
Robustezza ambientale: controllo del posizionamento con una tolleranza di ±0,1° anche in presenza di venti subartici a -40 °C, nebbia salina ed erosione da sabbia desertica
Sincronizzazione risposta alla coppia: controllo dell’assorbimento della coppia alle estremità della pala e dell’attuatore (tipicamente compresa tra 3.500 e 6.000 Nm) per sincronizzare la coppia dell’attuatore con il sistema SCADA e garantire un passaggio fluido del controllo della pala durante le oscillazioni della rete
Protocolli di sicurezza: In condizioni di vento pari o superiore a 25 m/s, il controllo delle modifiche allo standard CANopen DS402 impone l’arresto immediato della turbina, conformemente allo standard stabilito dalla norma IEC 61400-22
Dopo lo studio post-messa in servizio degli impianti installati per una potenza complessiva di 12 GW, il 41% delle turbine è stato costretto a fermarsi a causa di un insufficiente controllo del collasso della comunicazione con gli attuatori o della mancanza di un ciclo di retroazione. Queste problematiche sono state risolte implementando un quadro di sensori ridondanti, abbinato al controllo del rilascio dell’energia inerziale del sistema. Il controllo del grado di temperature inferiori allo zero richiede una validazione primaria per garantire che il fluido idraulico non si degradi. Ciò che conta maggiormente: i sistemi di controllo devono essere integrati. L’implementazione rapida di carichi di controllo più stringenti, protocolli di comunicazione integrati, controllo ambientale e protezione del sistema sono imperative.
Domande frequenti
Perché il controllo del livello di tensione e corrente generati dagli attuatori è così critico?
Gli sbalzi di tensione e corrente hanno un effetto dannoso causato dal surriscaldamento dei componenti, e il degrado del sistema diventa evidente a causa del successivo controllo del sistema.
Quali protocolli garantiscono l'allineamento del segnale?
Protocolli come CANopen DS402 e Modbus RTU sono fondamentali per la sincronizzazione del segnale e consentono il controllo e gli aggiustamenti in tempo reale o quasi in tempo reale.
Quali sono gli effetti della latenza del feedback sulle prestazioni di un generatore?
Quando la latenza del feedback supera i 20 ms, si verificano errori di sincronizzazione significativi, con conseguente instabilità del sistema del generatore e degrado delle prestazioni.
Quali sono alcune delle principali preoccupazioni ambientali relative agli attuatori?
Fattori quali temperatura, umidità e altitudine, esposizione a particolato, nonché un adeguato design OEM per il raffreddamento, i materiali e i rivestimenti. Ciò richiede spesso involucri con grado di protezione pari ad almeno IP54.
Quali sono gli impatti potenziali derivanti dalla mancata osservanza di norme quali IEC 61800-7 o IEC 60034-25?
Eludere questi standard può portare a una convalida inadeguata, con conseguente malfunzionamento e mancanza di affidabilità dei sistemi di generazione a lungo termine.
