regolatori di tensione trifase per turbine eoliche: Stabilizzazione dell’uscita

L'energia eolica è una delle tecnologie rinnovabili a più rapida crescita; tuttavia presenta un problema fondamentale: non è prevedibile. La tensione in uscita da una turbina eolica varia costantemente in risposta diretta ai cambiamenti della velocità del vento, alle raffiche e alla turbolenza. Ciò non è accettabile per i sistemi connessi alla rete, nei quali le tensioni devono essere mantenute entro tolleranze molto strette, né per carichi industriali indipendenti, che potrebbero subire danni a causa di eventi di sovratensione o sottotensione. I regolatori di tensione trifase convertono l'energia CA irregolare proveniente da una turbina in energia utilizzabile e stabile eseguendo le seguenti operazioni.

Compensazione delle rapide variazioni della velocità del vento

La velocità del vento può variare di diversi metri al secondo in pochi secondi; le raffiche possono causare un aumento del regime di rotazione del rotore e, di conseguenza, un innalzamento della tensione generata, mentre l’attenuazione del vento può provocare un calo di tensione. Questa tensione a variazione rapida—compresa tra ±15 e ±30 percento rispetto al valore nominale—eccede le capacità della maggior parte degli apparecchi: pompe, motori e circuiti di controllo possono andare in protezione o guastarsi, causando eventi indesiderati. Un regolatore di tensione trifase progettato per applicazioni eoliche utilizza una tecnologia a tiristori (SCR) ad alta velocità di risposta oppure una tecnologia a commutazione dei prelievi azionata da motore servo, in grado di monitorare continuamente la tensione di uscita e di modificare il prelievo del regolatore o l’angolo di accensione entro 20–40 millisecondi—molto più rapidamente della risposta meccanica della turbina. Mentre la velocità del vento varia in modo estremo, il regolatore mantiene la tensione entro il 3–5 percento del valore di riferimento, proteggendo i carichi sensibili da interventi indesiderati della protezione, rendendolo idoneo all’uso in sistemi ibridi eolico-diesel o con piccole turbine connesse alla rete.

Gestione dell'ingresso sbilanciato causato dall'asimmetria della turbina

I generatori eolici trifase (in particolare quelli a magneti permanenti) non producono tipicamente una tensione perfettamente bilanciata; lo squilibrio, che può raggiungere il 5–15% tra le fasi a causa di asimmetrie delle pale, di un allineamento errato rispetto alla direzione del vento (yaw misalignment) o di un rotore parzialmente ombreggiato, provoca surriscaldamento nei motori trifase, riduzione dell’efficienza dei raddrizzatori e generazione di correnti armoniche. Un regolatore di tensione trifase offre un controllo indipendente per ciascuna fase: il sistema regola individualmente le tre fasi compensando lo squilibrio mediante aumento (boost) o riduzione (buck) della tensione su ciascuna linea. Uno squilibrio del 5–15% può essere ridotto a 1–2% in uscita dal regolatore. Per quelle turbine eoliche che alimentano carichi trifase, come pompe per acqua, compressori o sistemi di ricarica di batterie, è indesiderabile che tale squilibrio raggiunga il carico, poiché potrebbe danneggiare o degradare le apparecchiature. Il fattore di qualità dell’energia viene migliorato, un parametro sempre più richiesto dai codici di rete.

Protezione contro eventi di sovratensione causati da sovravelocità

Durante condizioni di tempesta, quando la velocità del vento supera il valore nominale, la tensione del generatore può aumentare fino a un livello molto superiore al valore nominale, spesso raggiungendo il 130–150% della tensione nominale. Se tale livello di tensione viene mantenuto per un periodo prolungato, danneggia l’isolamento elettrico, provoca un’eccitazione eccessiva dei trasformatori e distrugge carichi elettronici sensibili, come i variatori di frequenza o gli inverter. Un regolatore di tensione trifase controlla le condizioni di sovratensione dovute a sovravelocità limitando l’uscita. Durante tale evento, la tensione in ingresso viene monitorata; non appena supera i limiti impostati (tipicamente il 110–115% del valore nominale), l’uscita viene ridotta a un valore inferiore di presa oppure, nei casi estremi, viene disconnessa dal carico mediante un contattore di by-pass interno. Alcuni dispositivi inviano un segnale al controllore dell’aerogeneratore per attivare il frenaggio della turbina o il controllo del passo delle pale, garantendo così che si eviti il guasto catastrofico dell’impianto in condizioni di tempesta o qualora, ad esempio a causa di un guasto della rete, non sia possibile immettere la potenza prodotta.

Livellamento dell'uscita per la ricarica della batteria e l'ingresso dell'inverter

Per applicazioni off-grid, un gruppo di batterie viene spesso caricato dalla turbina eolica oppure l'energia viene indirizzata a un invertitore che alimenta carichi in corrente alternata; sia la ricarica delle batterie sia gli ingressi dell'invertitore richiedono livelli di tensione stabili. Alle tensioni elevate presenti durante la fase di carica, fluiscono correnti di carica eccessive, provocando l'emissione di gas da parte delle batterie e riducendone la durata. Gli ingressi degli invertitori sono estremamente sensibili alle oscillazioni di tensione (ripple), generando correnti armoniche che ne riducono l'efficienza energetica. Posizionando un regolatore di tensione trifase tra la turbina e il caricabatterie o l'invertitore, l'uscita della turbina viene condizionata. Per i carichi azionati da invertitore, ciò significa onde sinusoidali molto più pulite e armoniche inferiori. Le oscillazioni di tensione (ripple) in uscita vengono ridotte di un fattore compreso tra 5 e 10. Ciò implica che, a basse velocità del vento, la batteria riceve la tensione di carica richiesta, prolungandone così la vita del 20–30% rispetto a una connessione diretta alla turbina. È inoltre integrata una protezione di disconnessione a bassa tensione per evitare la sovrascarica della batteria durante i periodi di calma.

Forniamo regolatori di tensione trifase che compensano le rapide variazioni della velocità del vento, gestiscono ingressi squilibrati dovuti all’asimmetria delle turbine, proteggono da eventi di sovratensione causati da sovravelocità e livellano la tensione in uscita di batterie e ingressi degli inverter. Vantiamo oltre 20 anni di esperienza e una superficie produttiva superiore a 50.000 metri quadrati, nonché competenze interne nella progettazione di componenti, diritti di proprietà intellettuale e il ruolo di redattore di norme nazionali per il settore; forniamo regolatori di tensione trifase per garantire che l’energia eolica sia utilizzabile e affidabile.