ITTO20130599A1 - Sistema modulare di conversione di potenza elettrica per un dispositivo elettromagnetico reversibile - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“SISTEMA MODULARE DI CONVERSIONE DI POTENZA ELETTRICA PER UN DISPOSITIVO ELETTROMAGNETICO REVERSIBILE”

La presente invenzione è relativa ad un sistema modulare di conversione di potenza elettrica per un dispositivo elettromagnetico reversibile.

Sono noti dispositivi elettromagnetici (o “macchine elettriche”) aventi funzionalità reversibile di generatore e di motore elettrico, ovvero in grado di convertire energia cinetica in energia elettrica in una prima modalità operativa (di generatore), ed energia elettrica in energia cinetica in una seconda modalità operativa (di motore).

Svariate sono le situazioni in cui risulta vantaggioso l’utilizzo di tali dispositivi elettromagnetici reversibili, ad esempio in sistemi che prevedono la presenza di un elemento rotante, dove risulta possibile sfruttare la rotazione di tale elemento per la generazione di energia elettrica, o, alternativamente, provocare la rotazione dello stesso elemento mediante alimentazione di energia elettrica.

Generalmente, importanti requisiti per tali dispositivi elettromagnetici sono la compattezza e la leggerezza, oltre che la economicità di realizzazione, in particolar modo nel settore delle applicazioni veicolistiche (ad esempio per veicoli terrestri o aeromobili).

Nelle domande di brevetto WO 2009/093181 e WO 2009/093183 è stato descritto un dispositivo elettromagnetico con funzionamento reversibile generatoremotore, avente caratteristiche di modularità.

Facendo riferimento alla figura 1, tale dispositivo elettromagnetico, indicato in generale con 1, comprende una pluralità di moduli (o celle) 2, indipendenti tra loro, ciascuno in grado di operare con funzione reversibile di motore o, alternativamente, di generatore.

Il dispositivo elettromagnetico 1 comprende un rotore 3, avente forma di disco o anello, montato su un albero di rotazione 4, o integrato nella girante di una turbina, cosi come indicato nelle stesse domande di brevetto WO 2009/093181 e WO 2009/093183.

Il rotore 3 porta una pluralità di magneti permanenti (non illustrati in figura 1), distribuiti in maniera equispaziata lungo una circonferenza esterna del disco o anello, e definenti una successione di poli alternativamente opposti.

Ciascun modulo 2 del dispositivo elettromagnetico 1 comprende almeno un giogo magnetico 5, avente due espansioni polari 6a, 6b, intorno alle quali è avvolta una rispettiva bobina, disposte affacciate ad una rispettiva coppia di magneti permanenti del rotore 3 (nella figura 1 è mostrata una coppia di gioghi magnetici 5, per ciascun modulo 2, disposti da parte opposta del rotore 3, ciascuno affacciato alla rispettiva coppia di magneti permanenti).

I gioghi magnetici 5 formano, nel complesso, lo statore del dispositivo elettromagnetico 1.

Ciascun giogo magnetico 5 (o coppia di gioghi magnetici) forma con la rispettiva coppia di magneti permanenti un circuito magnetico, atto a contribuire al funzionamento da generatore, o, alternativamente, da motore del dispositivo elettromagnetico 1.

In particolare, le bobine avvolte intorno alle espansioni polari 6a, 6b di ciascun giogo magnetico 5 sono collegabili elettricamente in maniera individuale, alternativamente ad una sorgente di energia elettrica o ad un utilizzatore o carico elettrico; inoltre, ciascun giogo magnetico 5 è montato su un rispettivo supporto 7 (mostrato schematicamente in figura 1), la cui posizione risulta indipendentemente regolabile assialmente e radialmente rispetto al rotore 3, in modo tale da consentire una regolazione statica e/o dinamica del gap tra le stesse espansioni polari 6a, 6b ed i rispettivi magneti permanenti (ovvero, del traferro del relativo circuito magnetico).

Il dispositivo elettromagnetico 1 consente dunque un funzionamento reversibile motore-generatore di ciascun modulo 2, ed inoltre, in linea di principio, la simultaneità di funzionamento di alcuni dei moduli 2 come motore e di altri moduli 2 come generatore.

Il dispositivo elettromagnetico 1 comprende inoltre un involucro 8, all’interno del quale sono assemblati il rotore 3 e lo statore dello stesso dispositivo elettromagnetico 1, e che consente inoltre il passaggio e la rotazione dell’albero di rotazione 4.

In modo noto, attualmente la conversione di potenza per macchine elettriche modulari è realizzata con l’ausilio di convertitori statici AC/AC (corrente alternata/corrente alternata), che accettano in ingresso un sistema polifase di tensioni e correnti. I convertitori statici di potenza gestiscono in maniera controllata l’estrazione di potenza elettrica dalla macchina elettrica per adattarla alle esigenze delle utenze, siano esse carichi isolati o la rete elettrica.

Il dispositivo elettromagnetico 1 descritto nelle suddette domande di brevetto WO 2009/093181 e WO 2009/093183 presenta, nei confronti di un convertitore di potenza, un numero di interfacce monofase, ciascuna corrispondente ad un rispettivo modulo 2; di conseguenza, risulta necessario combinare tra loro i contribuiti dei singoli moduli 2 mediante opportune connessioni, al fine di fornire una unica interfaccia polifase compatibile con l’ingresso dello stesso convertitore di potenza. Diversi gruppi di fase (o più semplicemente fasi) possono essere realizzati mediante connessione in serie e/o in parallelo dei moduli 2, mentre l’interfaccia polifase può essere realizzata collegando opportunamente fra loro i singoli gruppi di fase.

Tuttavia, la connessione in parallelo dei moduli 2 richiede che le grandezze (tipicamente tensioni) alternate indotte nei moduli 2 stessi per effetto elettromagnetico siano isomorfe, ossia si eguaglino in termini di ampiezza, frequenza e fase. Nel caso in cui la condizione di isomorfismo non venga rispettata, si creano infatti squilibri nel sistema polifase che determinano una circolazione di corrente elettrica di disturbo negli stessi moduli 2. Tale corrente elettrica, pur non contribuendo alla potenza utile disponibile per il carico, comporta evidentemente perdite aggiuntive per effetto Joule e, quindi, una perdita di efficienza del sistema di conversione di potenza.

Il non perfetto isomorfismo tra le grandezze elettriche può essere dovuto a svariati fattori, che si verificano comunemente durante il funzionamento del sistema di conversione, tra cui ad esempio il disallineamento meccanico fra i moduli 2, l’eterogeneità delle proprietà elettromagnetiche dei materiali utilizzati per la realizzazione dei relativi nuclei statorici e la variabilità dell’ampiezza del traferro dovuta alle tolleranze meccaniche dei componenti.

L’adozione dei sistemi di conversione di potenza noti, richiedendo in uscita dal dispositivo elettromagnetico 1 un sistema polifase ottenuto mediante combinazione dei contributi dei singoli moduli 2, richiede dunque che lo stesso dispositivo elettromagnetico 1 sia realizzato con elevato grado di accuratezza e mediante campionatura dei pezzi costituenti i vari moduli 2, al fine di realizzare il dispositivo stesso con componenti quanto più omogenei possibile, sia dal punto di vista dimensionale che per quanto riguarda le proprietà elettromagnetiche, in tal modo riducendo le asimmetrie di tensione e, di conseguenza, le correnti di ricircolo.

In maniera evidente, tuttavia, tali requisiti contrastano con le esigenze di una produzione in serie e tendono in ogni caso ad innalzare il costo di produzione dei dispositivi elettromagnetici.

Nel caso del dispositivo elettromagnetico 1 descritto nelle suddette domande di brevetto WO 2009/093181 e WO 2009/093183, grazie all’indipendenza dei vari moduli 2 che costituiscono lo statore, risulta possibile correggere meccanicamente i disallineamenti e la variabilità del traferro per ciascun modulo 2, in tal modo limitando gli effetti parassiti precedentemente evidenziati.

Tuttavia, tali interventi correttivi di calibrazione richiedono tempi lunghi e notevoli risorse, ed inoltre l’utilizzo di strumentazione sofisticata e l’impiego di tecnici specializzati; in ogni caso, la calibrazione non può essere eseguita in condizioni di esercizio, ovvero durante il funzionamento, del dispositivo elettromagnetico 1.

Inoltre, i sistemi di conversione di potenza noti, pur consentendo il funzionamento alternativo da motore o generatore dei dispositivi elettromagnetici, non ne consentono il funzionamento simultaneo da motore e da generatore, come invece sarebbe in teoria consentito dalla modularità del dispositivo elettromagnetico 1 precedentemente descritto.

Una ulteriore limitazione associata ai sistemi di conversione di potenza di tipo noto consiste nella difficoltà di realizzare sistemi cosiddetti “fault tolerant”, ovvero in grado di funzionare, anche se a regime ridotto, in presenza di uno o più guasti.

Ad esempio, una possibilità può consistere nell’utilizzo di una pluralità di convertitori polifase, associati alle stesse uscite del dispositivo elettromagnetico, tra loro collegati in parallelo. Tuttavia, tale soluzione, pur garantendo la ridondanza del sistema di conversione, non consente il proseguimento dell’esercizio in caso di guasto del dispositivo elettromagnetico. Inoltre, eventuali guasti ad uno dei convertitori possono compromettere l’integrità dell’intero sistema, a causa del fatto che tutti i convertitori condividono la stessa interfaccia polifase di ingresso.

Risulta pertanto sentita l’esigenza di realizzare un sistema di conversione di potenza per dispositivi elettromagnetici reversibili, in particolare di tipo modulare, che consenta di superare le limitazioni associate ai sistemi di tipo noto.

Scopo della presente invenzione è quello di soddisfare tale esigenza.

Secondo la presente invenzione viene pertanto fornito un sistema di conversione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra una vista prospettica schematica di un dispositivo elettromagnetico reversibile modulare, di tipo noto;

- la figura 2 è uno schema a blocchi di massima relativo ad una prima forma di realizzazione di un sistema modulare di conversione di potenza elettrica, secondo la presente soluzione;

- la figura 3 è uno schema a blocchi di massima relativo ad una seconda forma di realizzazione del sistema modulare di conversione di potenza elettrica;

- la figura 4 è uno schema a blocchi di massima relativo ad una ulteriore variante del sistema modulare di conversione di potenza elettrica;

- la figura 5 mostra una possibile implementazione circuitale di un convertitore nel sistema modulare di conversione di potenza elettrica;

- la figura 6 mostra schematicamente un esempio di applicazione del sistema modulare di conversione di potenza elettrica; e

- le figure 7a-7b, 8a-8d e 9a-9b mostrano schematicamente possibili asimmetrie costruttive nel dispositivo elettromagnetico.

Con riferimento alla figura 2, viene ora descritto un sistema modulare di conversione di potenza elettrica, indicato nel suo insieme con 10, per un dispositivo elettromagnetico, indicato nuovamente con 1, ad esempio del tipo descritto nelle suddette domande di brevetto WO 2009/093181 e WO 2009/093183, qui illustrato schematicamente (e non descritto nuovamente in dettaglio).

Il dispositivo elettromagnetico 1 comprende dunque una pluralità di moduli 2, indicati qui anche con M1.. Mn(con n, numero intero maggiore di uno), indipendenti tra loro, ciascuno in grado di operare con funzione reversibile di motore o, alternativamente, di generatore elettrico.

Il sistema di conversione 10 comprende una pluralità di convertitori 12, indicati anche con C1.. Cn, di tipo statico, operanti una conversione AC/DC (corrente alternata/corrente continua).

Nella forma di realizzazione illustrata in figura 2, ciascun convertitore 12 è di tipo monofase, ed è collegato ad un rispettivo modulo 2 del dispositivo elettromagnetico 1.

Ciascun convertitore 12 presenta dunque una rispettiva prima interfaccia di ingresso/uscita, di tipo monofase, operante in alternata e collegata ad un rispettivo modulo 2 del dispositivo elettromagnetico 1.

I convertitori 12 presentano inoltre una rispettiva seconda interfaccia di uscita/ingresso, operante in continua, collegata ad un bus DC (in continua) 14, ad esempio di tipo capacitivo. In particolare, le seconde interfacce di uscita/ingresso sono tra loro collegate in parallelo, a costituire lo stesso bus DC 14 (che risulta dunque condiviso da parte di tutti i convertitori 12).

Il sistema di conversione 10 comprende inoltre una rete DC (in continua) 15, alimentata dal bus DC 14, a cui sono collegati uno o più carichi DC (in continua) 16 e/o uno o più carichi AC (in alternata) 17, questi ultimi mediante l’interposizione di un rispettivo convertitore DC/AC 18 (corrente continua/corrente alternata).

Un dispositivo di accumulo di energia 19, ad esempio includente una batteria, è collegato alla stessa rete DC 15, ed accoppiato al bus DC 14.

Nella forma di realizzazione illustrata in figura 2, il sistema di conversione 10 comprende inoltre una unità di controllo centrale 20, in particolare includente un microprocessore, un microcontrollore, o analoga unità di calcolo, operativamente accoppiata ai convertitori 12, ad esempio in maniera cablata, ovvero mediante un bus di comunicazione, oppure in modalità wireless, tramite opportuno protocollo di comunicazione.

In questa forma di realizzazione, ciascun modulo 2 del dispositivo elettromagnetico 1 è gestito individualmente dal rispettivo convertitore 12, sotto la supervisione dell’unità di controllo centrale 20, costituendo dunque un sistema di conversione monofase indipendente, che trasforma le grandezze alternate (indotte per effetto elettromagnetico) in grandezze continue. Ciascun modulo 2 può funzionare alternativamente da motore elettrico o da generatore elettrico, e può essere inoltre attivato o disattivato, in funzione delle esigenze di funzionamento del sistema di conversione 10.

Come meglio descritto in seguito, i convertitori 12 sono blocchi intelligenti, ovvero dotati di autonoma capacità di elaborazione, e sono dotati di tutti i componenti elettronici richiesti per effettuare la conversione di potenza, e di sistemi di calcolo e comunicazione che consentono l’esecuzione di opportuni algoritmi di controllo e la comunicazione con l’unità di controllo centrale 20.

In particolare, ciascun convertitore 12 è dotato di una rispettiva unità di controllo locale 21, includente ad esempio un microprocessore, un microcontrollore, una FPGA (Field Programmable Gate Array), un DSP (Digital Signal Processor), o una analoga unità di elaborazione e calcolo.

L’unità di controllo centrale 20, in questa forma di realizzazione, può consentire la sincronizzazione dei diversi convertitori 12, al fine di implementare algoritmi di conversione più o meno sofisticati (di tipo noto, qui non descritti in dettaglio), quali ad esempio quelli basati sul controllo vettoriale delle grandezze alternate.

La presenza del dispositivo di accumulo di energia 19, oltre a fornire una funzione di back-up per l’alimentazione dei carichi DC 16 e/o dei carichi AC 17 in caso di guasti, consente l’inversione dei flussi di potenza. In particolare, prelevando potenza elettrica dallo stesso dispositivo di accumulo di energia 19, in qualità di sorgente di energia, è possibile, tramite i convertitori 12, alimentare il dispositivo elettromagnetico 1 come motore elettrico, trasformando così l’energia elettrica prelevata in energia meccanica.

La modularità del sistema di conversione 10, abbinata alla intrinseca modularità del dispositivo elettromagnetico 1, consente in particolare il funzionamento simultaneo motore/generatore dei moduli 2 del dispositivo elettromagnetico 1, ciascun modulo 2 potendo infatti operare, in abbinamento all’associato convertitore 12, come motore o come generatore elettrico, in maniera autonoma ed indipendente dagli altri moduli 2 (ed associati convertitori 12).

Inoltre, l’adozione di convertitori 12 di tipo intelligente, ciascuno dotato della propria unità di controllo locale 21, consente la riconfigurabilità on-line (ovvero in tempo reale durante l’esercizio, il funzionamento) del dispositivo elettromagnetico 1, consentendo ad esempio di stabilire quali e quanti moduli 2 dedicare al funzionamento da motore o da generatore elettrico.

L’unità di controllo centrale 20 è in grado di configurare la tipologia di funzionamento di ciascun convertitore 12 (e dell’associato modulo 2), mediante l’invio di opportuni segnali di controllo e configurazione. La stessa unità di controllo centrale 20 può ricevere dall’esterno opportune istruzioni di configurazione.

La modularità del sistema di conversione 10 consente in generale la gestione di ciascun convertitore 12 e dell’associato modulo 2, in maniera del tutto autonoma ed indipendente rispetto agli altri componenti del sistema di conversione 10.

Inoltre, risulta in tal modo possibile spegnere, disattivare, scollegare dal bus DC 14 moduli 2 che presentino guasti, ad esempio dovuti a sovra-riscaldamento, in tal modo evitando il propagarsi degli stessi guasti, e danni al sistema di conversione 10. Tale spegnimento automatico dei moduli 2 può essere gestito dall’unità di controllo centrale 20, o dalle relative unità di controllo locale 21, in funzione ad esempio di rilevamenti di temperatura eseguiti da opportuni sensori di temperatura.

In generale, il sistema di conversione 10 risulta riconfigurabile ed auto-adatattivo, anche dinamicamente ed in tempo reale (oltre che durante la fase di progetto del sistema stesso).

I contributi dei vari convertitori 12, e degli associati moduli 2, si combinano in continua sul bus DC 14; di conseguenza, eventuali differenze di ampiezza nelle grandezze in continua generate (ad esempio i cosiddetti “ripple” sulle tensioni elettriche generate dai convertitori 12) si “auto-livellano” in virtù del contributo capacitivo dello stesso bus DC 14.

Come illustrato in figura 3, una seconda forma di realizzazione della presente soluzione può prevedere, al fine di limitare il numero di convertitori 12 richiesti nel sistema di conversione 10, di raggruppare due o più moduli 2, realizzando così una pluralità di sistemi polifase con un numero desiderato di fasi (in figura 3 sono mostrati due gruppi di m e p fasi, con m e p numeri interi maggiori uguale a due).

Ciascun gruppo, che può essere costituito da un rispettivo numero di moduli 2 tra loro collegati in serie e/o in parallelo, è in questo caso collegato ad un rispettivo convertitore 12, di tipo polifase.

La riconfigurabilità del sistema di conversione 10 si può estendere in questo caso anche all’assegnazione di un numero desiderato, variabile, di moduli 2 a ciascun convertitore 12, potendo essere previsti a tal fine opportuni gruppi di interruttori (non illustrati), comandabili selettivamente dall’unità di controllo centrale 20 e/o dalle unità di controllo locali 21. Come precedentemente illustrato, ciascun convertitore 12, ed il relativo gruppo di moduli 2, può inoltre essere configurato per operare come motore o come generatore elettrico, dalle stesse unità di controllo centrale 20 e/o unità di controllo locali 21, e può inoltre eventualmente essere selettivamente disattivato.

È del resto evidente che l’utilizzo di un sistema di conversione 10, di tipo modulare e con bus DC 14 condiviso, consente l’implementazione di soluzioni ibride rispetto a quanto illustrato con riferimento alle figure 2 e 3, in cui alcuni dei moduli 2 siano raggruppati a formare sottosistemi polifase ed altri moduli 2 siano invece gestiti individualmente da rispettivi convertitori 12 di tipo monofase. Inoltre, questa libertà di configurazione permette di poter anche gestire con un unico dispositivo elettromagnetico 1 più bus in continua di differenti tensioni (ad esempio con rispettive tensioni di 270 V e 28 V), riducendo le conversioni DC/DC nel sistema elettrico.

In ogni caso, vantaggiosamente, i convertitori 12 possono essere realizzati a bordo del dispositivo elettromagnetico 1, accoppiati in maniera integrata ai rispettivi moduli 2, ad esempio essendo realizzati in rispettivi circuiti stampati (PCB – Printed Circuit Board), meccanicamente accoppiati ai supporti 7 dei rispettivi moduli 2, all’interno dell’involucro 8 dello stesso dispositivo elettromagnetico 1. A tal fine, può convenientemente essere utilizzata una opportuna tecnologia resistente alle elevate temperature, per la realizzazione di tali circuiti stampati e dei relativi componenti elettronici.

Tale soluzione risulta estremamente compatta e leggera, grazie anche alla riduzione della lunghezza dei cavi di collegamento e alla condivisione dell’involucro 8 tra dispositivo elettromagnetico e sistema di conversione statica, essendo dunque particolarmente indicata per applicazioni veicolistiche.

Una ulteriore forma di realizzazione del sistema di conversione 10, illustrata in figura 4, è invece priva dell’unità di controllo centrale 20.

In tal caso, le unità di controllo locale 21 dei convertitori 12 sono collegate in comunicazione diretta reciproca, ad esempio tramite un bus di comunicazione 24, in modo tale da scambiarsi segnali di controllo e comandi. Convenientemente, può essere previsto un opportuno protocollo di comunicazione sul bus di comunicazione 24, ed un opportuno rapporto gerarchico del tipo master-slave tra le stesse unità di controllo locale 21.

In particolare, una prima unità di controllo locale 21, operante da master, oltre a svolgere funzioni di comando rispetto alle altre unità di controllo locale 21, operanti come slave, può essere in grado di ricevere dall’esterno opportuni segnali di comando e controllo, al fine di gestire opportune strategie di conversione.

Vantaggiosamente, ciascuna unità di controllo locale 21 può condividere le stesse risorse di elaborazione per la definizione della strategia di conversione, in modo tale da poter operare da master, nel caso in cui ciò sia richiesto in fase di riconfigurazione (anche dinamica) del sistema di conversione 10<;>ad esempio in caso di fault del master, l’unità slave immediatamente successiva assumerà essa stessa funzioni di master. Inoltre, possono anche essere previste più unità di controllo locale 21, aventi ciascuna funzione di master ed associati rispettivi convertitori, aventi funzione di slave.

Con riferimento alla figura 5, si descrive ora, a titolo di esempio, una possibile forma di realizzazione di un convertitore 12, in questo caso di tipo monofase, ovvero avente la prima interfaccia di ingresso/uscita collegata ad un singolo modulo 2 del dispositivo elettromagnetico 1 (qui schematizzato con un’induttanza equivalente). Modifiche che risulteranno essere evidenti per un tecnico del settore sono previste nel caso in cui sia richiesta un’interfaccia polifase.

Il convertitore 12 comprende un circuito a ponte 25, di tipo monofase, costituito, in modo di per sé noto e qui non descritto in dettaglio, da una opportuna configurazione di interruttori comandati 26, ciascuno costituito da un rispettivo dispositivo semiconduttore di potenza (ad esempio da un transistore di potenza).

Il circuito a ponte 25 presenta: una prima coppia di terminali di interfaccia Int1, Int2, tra cui è collegato il rispettivo modulo 2 e tra cui è presente una tensione alternata VAC; ed una seconda coppia di terminali di interfaccia Int3, Int4, tra cui è collegato un elemento condensatore 27, avente funzione di accumulo di energia locale, e tra cui è presente una tensione in continua VDC.

In particolare, la seconda coppia di terminali di interfaccia Int3, Int4, e l’elemento condensatore 27, sono inoltre collegati al bus DC 14.

L’unità di controllo locale 21 fornisce opportuni segnali di comando, ad esempio in modulazione PWM (Pulse Width Modulation), agli interruttori comandati 26, mediante l’interposizione di opportuni moduli di pilotaggio (driver) 28.

Inoltre, il convertitore 12 comprende: opportuni sensori di retroazione AC 29a, ed opportuni sensori di retroazione DC 29b, includenti sensori di tensione e di corrente, accoppiati rispettivamente alla prima coppia di terminali di interfaccia Int1, Int2, ed alla seconda coppia di terminali di interfaccia Int3, Int4; il convertitore 12 comprende inoltre opportuni sensori di temperatura 29c.

I segnali di comando in PWM ed i segnali di retroazione provenienti dai sensori (misure di corrente, di tensione e di temperatura) vengono gestiti dall’unità di controllo locale 21 e resi disponibili all’unità di controllo centrale 20 (qualora presente) e/o alle unità di controllo locale 21 degli altri convertitori 12 del sistema di conversione 10, su bus di comunicazione o tramite l’interposizione di una memoria condivisa 30.

L’unità di controllo locale 21 può ricevere dall’esterno segnali di controllo in base ai quali calcolare e assegnare set point operativi, ed in base ai quali ad esempio generare i segnali di comando in PWM.

In particolare, il circuito a ponte 25 viene configurato per operare come raddrizzatore (sia in configurazione attiva sia in configurazione passiva), nel caso in cui gli associati moduli 2 del dispositivo elettromagnetico 1 operino come generatore elettrico, o come inverter, nel caso in cui gli stessi moduli 2 operino come motore elettrico.

Con riferimento alla figura 6, si illustra ora un esempio di applicazione del sistema di conversione 10 per un dispositivo elettromagnetico 1 avente una prima sezione, costituita da un certo numero di moduli 2, dedicata alla generazione di energia elettrica, ed una seconda sezione, costituita da un rispettivo numero di differenti moduli 2, dedicata alla funzione di motore elettrico; le due sezioni, ed i rispettivi moduli 2, operano simultaneamente.

Una sorgente di potenza meccanica, definita motore primo (“prime mover”) 32 è accoppiata al dispositivo elettromagnetico 1 (alternativamente, la sorgente di potenza meccanica potrebbe essere il fluido che attiva la girante di una turbina, laddove il dispositivo elettromagnetico 1 fosse integrato nella stessa girante).

Come precedentemente evidenziato, il numero di moduli 2 dedicati alla generazione di energia elettrica ed alla funzione di motore elettrico può essere variato e configurato sia offline (in maniera statica) che on-line (in maniera dinamica), in funzione delle esigenze operative del dispositivo elettromagnetico 1 e/o del sistema di conversione 10.

Nella forma di realizzazione illustrata, vantaggiosamente, la prima sezione del dispositivo elettromagnetico 1 può alimentare il carico, ad esempio costituito da un carico DC 16, di tipo resistivo, essendo valida la relazione:

IG= IL

in cui IGrappresenta la corrente elettrica erogata dalla prima sezione, operante da generatore elettrico, ed ILrappresenta la corrente erogata al carico DC 16.

La potenza propulsiva per la seconda sezione del dispositivo 1 è invece fornita dal dispositivo di accumulo di energia 19, essendo valida la relazione:

IM= IS

in cui IMrappresenta la corrente elettrica fornita alla seconda sezione, operante da generatore elettrico, ed ISrappresenta la corrente erogata dal dispositivo di accumulo di energia 19.

La configurazione illustrata in figura 6 può risultare vantaggiosa nelle applicazioni in cui sia richiesto un “boost” di potenza meccanica; ad esempio, in un velivolo, il ruolo principale della macchina elettrica è la conversione di parte dell’energia meccanica prodotta dal motore di propulsione in energia elettrica per l’alimentazione delle utenze; durante il decollo si può fornire al motore di propulsione, riconfigurando parte del dispositivo elettromagnetico, un boost di potenza meccanica, usando parte della macchina elettrica come motore.

In particolare, il fatto che entrambe le sezioni di generatore e di motore elettrico siano contenute nello stesso dispositivo elettromagnetico 1 consente una evidente riduzione di peso, entrambe le sezioni condividendone le parti “pesanti”, quali il rotore 3, l’albero rotante 4 e l’involucro 8.

I vantaggi della soluzione descritta emergono in maniera evidente dalla discussione precedente.

In particolare, tale soluzione consente di utilizzare in maniera intelligente e totalmente configurabile, anche in tempo reale (on-line) oltre che in fase di progetto (off-line), il dispositivo elettromagnetico 1, sia come generatore che come motore elettrico. Risulta in particolare possibile il funzionamento contemporaneo generatore/motore di primi e, rispettivamente, secondi moduli 2 costituenti lo stesso dispositivo elettromagnetico 1.

Inoltre, la conversione in continua delle grandezze elettriche monofase (o polifase) generate dai singoli moduli 2 del dispositivo elettromagnetico 1 consente di superare la limitazione legata all’isomorfismo delle grandezze elettriche da combinare, in quanto la combinazione dei contributi di ciascun modulo 2 non avviene più in alternata, dove è importante assicurare l’uguaglianza di ampiezza, frequenza e fase, ma in continua, dove risulta sufficiente regolare l’ampiezza. In particolare, il problema del disallineamento dei moduli 2 e della variabilità del traferro viene risolto elettronicamente e non più mediante calibrazione meccanica. A questo riguardo, si può fare riferimento alle figure 7-9, in cui sono mostrate alcune possibili situazioni di disallineamenti dovuti ad esempio a tolleranze di produzione.

In dettaglio, nelle figure 7a e 7b, si mostra schematicamente il risultato di una possibile variabilità, indicata con δg1, δg2nel traferro, ovvero del gap g tra rotore 3 e giogo magnetico 5 (la figura 7a mostrando la situazione nominale, da progetto).

Nelle figure 8a-8d, si mostra schematicamente il risultato di un non perfetto allineamento fra le espansioni polari 6a, 6b del giogo magnetico 5, in particolare sotto forma, figure 8b e 8c, di uno scostamento angolare δγ1,δγ2rispetto ad un angolo nominale γ0(figura 8a) dall’asse di simmetria (c indicando il centro del rotore 3); o, figura 8d, di uno scostamento angolare δφ della posizione dell’intero giogo magnetico 5.

Nelle figure 9a e 9b, si mostra schematicamente il risultato di un disallineamento radiale, figura 9a, o nel piano orizzontale, figura 9b (scostamenti δx e δy lungo un primo ed un secondo asse orizzontale x, y) delle espansioni polari 6a e 6b rispetto alla disposizione nominale.

La suddetta caratteristica comporta il vantaggio di non richiedere l’intervento di un operatore specializzato, dotato dell’attrezzatura necessaria alla calibrazione, e di non richiedere fermi macchina per la messa in atto delle azioni correttive, in quanto queste vengono eseguite elettronicamente mediante il controllo automatico della tensione in continua, frutto della conversione delle grandezze mono/poli-fase generate dai singoli moduli/gruppi di moduli (e dal livellamento delle ampiezze operato dal contributo capacitivo associato al bus DC 14).

In generale, la presente soluzione, eliminando di fatto il fenomeno delle correnti di ricircolo dovute al mancato isomorfismo delle grandezze elettromagnetiche, permette di incrementare l’efficienza del sistema di conversione 10 e di rilassare i vincoli e le tolleranze costruttive delle macchine elettriche modulari.

In altre parole, la soluzione proposta consente di risolvere i problemi legati alle asimmetrie costruttive dovute alle tolleranze meccaniche di produzione (di traslazione e/o rotazione), che non comportano in questa soluzione l’insorgere di correnti di ricircolo nei moduli (o celle) connessi in parallelo fra loro. Infatti, convertendo in continua, in maniera indipendente, il contributo di ciascuna cella, non sorge più la necessità di connettere più celle in parallelo fra loro. Eventuali differenze di ampiezza, frequenza e fase delle grandezze in alternata in uscita dalle celle soggette a tolleranza di produzione non sono più presenti nelle grandezze convertite in continua, che sono riversate sul bus DC comune, dove è sufficiente regolare la sola ampiezza delle grandezze in uscita dai convertitori AC/DC al fine di evitare l’insorgere di correnti di ricircolo.

La soluzione proposta consente anche di incrementare l’affidabilità del sistema di conversione di energia 10 e la sua resistenza ai guasti; infatti, il numero di rami di conversione indipendenti è al limite pari al numero di moduli 2 del dispositivo elettromagnetico 1, aumentando così di gran lunga il numero di guasti ammissibili.

La modularità intrinseca del dispositivo elettromagnetico 1 garantisce inoltre di fatto l’isolamento fisico e magnetico dei diversi moduli 2, e pertanto la possibilità di propagazione dei guasti risulta essere minimizzata.

La presenza della rete DC 15, su cui collegare un opportuno dispositivo di accumulo di energia 19, ad esempio sotto forma di uno o più pacchi batterie, fornisce inoltre un sistema di emergenza per l’alimentazione dei carichi nel caso di guasto totale del sistema di conversione 10.

La soluzione proposta consente anche di ottenere evidenti riduzioni in termini di peso, ingombro e complessità generale del sistema di conversione 10, ed un incremento dell’efficienza e della flessibilità di utilizzo dello stesso sistema di conversione 10.

Risulta infine chiaro che a quanto qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

In particolare, è evidente che la realizzazione circuitale dei singoli convertitori 12 può differire da quanto illustrato in precedenza, a titolo di esempio.

Inoltre, sebbene il sistema di conversione 10 sia vantaggiosamente applicabile ad un dispositivo elettromagnetico 1 del tipo precedentemente descritto, è evidente che lo stesso sistema di conversione 10 può operare con differenti tipologie di macchine elettriche; in particolare, la configurazione della macchina elettrica può differire da quanto precedentemente illustrato a titolo di esempio.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema di conversione di potenza (10), per un dispositivo elettromagnetico (1) di tipo modulare dotato di una pluralità di moduli (2) aventi funzionamento reversibile, operabili come generatore o come motore elettrico, caratterizzato dal fatto di presentare struttura modulare e di comprendere: una pluralità di convertitori (12), ciascuno atto ad essere collegato a un numero assegnabile di detti moduli; e mezzi di controllo (20; 21), configurati in modo da configurare detto sistema di conversione di potenza (10), staticamente e/o dinamicamente durante il suo funzionamento operativo, mediante definizione dell’assegnazione tra detti convertitori (12) ed un rispettivo numero di detti moduli (2), e/o del funzionamento da generatore, o motore elettrico, di detti moduli (2).
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui almeno un primo convertitore (12) è configurabile da detti mezzi di controllo (20; 21) per l’assegnazione ad un rispettivo numero di primi convertitori (12), con funzionamento da generatore elettrico; ed almeno un secondo convertitore (12) è simultaneamente configurabile da detti mezzi di controllo (20; 21) per l’assegnazione ad un rispettivo numero di secondi convertitori (12), distinti da detti primi convertitori (12), con funzionamento da motore elettrico.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti mezzi di controllo (20; 21) sono inoltre configurati in modo da attivare o disattivare selettivamente il funzionamento di uno o più di detti moduli (2), anche in tempo reale, in funzione del rilevamento di almeno un parametro operativo di detti moduli (2).
4. 4. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti convertitori (12) sono configurati per operare una conversione corrente alternata/corrente continua - AC/DC - di almeno una rispettiva grandezza elettrica associata ai rispettivi moduli (2); comprendente inoltre un bus in continua (14) a cui sono collegati in condivisione detti convertitori (12).
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 4, in cui detti convertitori (12) presentano interfacce in continua collegate in parallelo tra loro al bus in continua (14), così che rispettive grandezze elettriche in continua associate a detti convertitori (12) sono combinabili su detto bus in continua (14), sotto il controllo di detti mezzi di controllo (20; 21).
6. 6. Sistema secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui detto bus in continua (14) è di tipo capacitivo; comprendente inoltre una rete in continua (15) associata a detto bus in continua (14), a cui sono atti ad essere collegati uno o più carichi in continua (16), e/o uno o più carichi in alternata (17) con l’interposizione di rispettivi convertitori DC/AC (18).
7. 7. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4-6, comprendente inoltre un dispositivo di accumulo di energia (19), collegato a detta rete in continua (15).
8. 8. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascuno di detti convertitori (12) è assegnabile selettivamente ad un rispettivo di detti moduli (2), con interfaccia di accoppiamento monofase.
9. 9. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di controllo includono un’unità di controllo centrale (20) collegata, ed atta a fornire segnali di comando, a detti convertitori (12).
10. 10. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascuno di detti convertitori (12) include una rispettiva unità di controllo locale (21); le unità di controllo locale (21) di detti convertitori (12) essendo collegate tra loro da un bus di comunicazione (24).
11. 11. Dispositivo elettromagnetico (1) di tipo modulare, comprendente una pluralità di moduli (2) aventi funzionamento reversibile, ciascuno operabile come generatore o come motore elettrico, ed il sistema di conversione di potenza (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, in cui detti moduli (2) sono tra loro indipendenti e presentano funzionamento autonomamente configurabile; ed in cui uno o più di primi moduli tra detti moduli (2) sono atti ad operare come generatore, ed uno o più di secondi moduli tra detti moduli (2) sono simultaneamente atti ad operare come motore elettrico.
13. 13. Dispositivo secondo la rivendicazione 12, comprendente un rotore (3), portante una pluralità di magneti; in cui ciascuno di detti moduli (2) comprende almeno un giogo magnetico (5), avente espansioni polari (6a, 6b), intorno alle quali è avvolta una rispettiva bobina, disposte affacciate ad una rispettiva coppia di detti magneti; ed in cui le bobine avvolte intorno a dette espansioni polari (6a, 6b) di ciascun giogo magnetico (5) sono individualmente accoppiabili elettricamente, alternativamente ad una sorgente di energia elettrica o ad un utilizzatore, o carico, elettrico.
14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, in cui ciascuno di detti gioghi magnetici (5) è montato su un rispettivo supporto (7), la cui posizione risulta indipendentemente regolabile, assialmente e radialmente rispetto al rotore (3), in modo tale da consentire una regolazione statica e/o dinamica del gap tra le rispettive espansioni polari (6a, 6b) ed i rispettivi magneti.
15. 15. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11-14, in cui detto sistema di conversione di potenza (10) comprende una pluralità di convertitori (12) configurati per operare una conversione corrente alternata/corrente continua - AC/DC - di almeno una rispettiva grandezza elettrica associata a rispettivi di detti moduli (2), ed inoltre un bus in continua (14) a cui sono collegati in condivisione detti convertitori (12); ed in cui detto sistema di conversione di potenza (10) è configurato per compensare elettronicamente eventuali asimmetrie costruttive di detti moduli (2) dovute a tolleranze di produzione.
16. 16. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11-15, comprendente un involucro (8), all’interno del quale sono assemblati in maniera integrata detti moduli (2) e, congiuntamente, detto sistema di conversione (10).