Concorso Energiaingioco 2006

Pagina dedicata alla creatività degli allievi del CFP Salesiani Schio ( Vicenza )

Tutti i contenuti sono supervisionati dagli insegnanti ma sono frutto dell'inventiva e delle conoscenze degli allievi.

Spinning Heating

La classe 2à Elettrotecnici della scuola salesiana di Schio propone questo progetto che risulta, a mio avviso, molto verosimilmente funzionante. L'immagine riporta uno schema semplificato formato da una sola Cyclette, un solo motore Asincrono trifase in sostituzione al generatore sincrono ( di più difficile reperibilità ), una linea trifase simmetrica ed equilibrata da un carico ohmmico costituito da tre resistori recuperati da tre vecchi boiler elettrici.  Nello schema non è rappresentato il regolatore PWM da collegare tra il motore e il carico in modo da parzializzare la potenza trasmessa ai carichi simulando così la presenza della frizione meccanica.  I calcoli ed i ragionamenti vengono riportati nella versione integralmente pensata e sviluppata dagli allievi in base alle loro conoscenze tecniche.

Presentazione a cura di:

Prof.Dott. Marco Gottardo.        link correlati

Classe seconda Elettrici 2005/2006 Della scuola Salesiani di Schio: Abbiamo pensato, con l'aiuto del nostro insegnate Prof. Gottardo ad un sistema di riscaldamento dell'acqua per le docce di una palestra Attrezzata per fare Spinning, cioè quelli allenamenti ginnici dove tutti assieme si usano le cyclette. Le palestre normalmente hanno un numero piuttosto elevato di cyclette da un minimo di 10 fino anche a 20 - 25.  Abbiamo letto in internet che la potenza muscolare di un uomo medio può superare facilmente i 100 Watt quindi abbiamo pensato di cercare di convertire questa potenza in una qualche forma utile. Il prof. Gottardo ci ha detto che è poco realistico cercare di utilizzarla per alimentare l'abitazione o per mettere energia in rete(problemi di parallelismo, frequenza ecc), così abbiamo cercato una maniera più accettabile per l'utilizzo. Ci è stato suggerito di conservare l'energia invece di utilizzarla in modo istantaneo quindi abbiamo pensato di metterla in un boiler sotto forma di acqua calda per un successivo utilizzo. Abbiamo calcolato quanta energia una singola cyclette può trasferire alla massa d'acqua quindi possiamo moltiplicare questo valore per il numero delle cyclette messe in batteria. In definitiva l'idea è riassunta nei sottostanti dati tecnici:

• Sistema generatore/carichi ti tipo simmetrico equilibrato con connessione Y/Y senza centro stella.

• Boiler da 3000 Litri ( tre metri cubi pari a tre tonnellate d'acqua ).

• Sistema PWM trifase per parzializzare l'energia  su ognuna delle cyclette (simula la frizione meccanica regolando lo sforzo ).

Dalla teoria sui sistemi trifasi simmetrici ed equilibrati sappiamo che la somma fasoriale delle correnti al nodo che rappresenta il centro stella dei carichi vale zero (legge di Kirchhoff), nel disegno sottostante è rappresentata la situazione. Ne consegue che il conduttore verde che collega i due centri stella può essere eliminato. Con F1,F2,F3 indichiamo gli avvolgimenti del motore asincrono trifase usato al posto del generatore e con R1,R2,R3 indichiamo i termoriscaldatori a serpentina.

Da una verifica su internet abbiamo trovato disponibili serpentine ohmiche con valori compresi tra 25 Ω che su 220Volt AC corrispondono a una dissipazione di 1850 watt, fino a 500 Ω con una dissipazione di circa 50 watt.

Dato che la potenza trasmessa dai pedali alla macchina elettrica rotante adibita a generatore dipende dalla prestanza muscolare dell'atleta in sella alla cyclette, non possiamo presentare dei calcoli precisi ma solo delle supposizioni abbinate a dei valori che supponiamo "medi".  Consideriamo le specifiche qui riportate:

• Valore ohmico della termoresistenza 100 Ω.

• Valore di tensione emesso dal "generatore" trifase  110 Volt A.C. a basso regime di rotazione.

• Collegamento Y/Y senza neutro.

• Sistema di parzializzazione della potenza PWM trifase, convertitore statico.

Innanzitutto osserviamo che pur lavorando in regime sinusoidale la potenza messa in gioco è solo di tipo attivo perchè il carico è puramente Ohmico. quindi considerando la potenza complessa vale:

Con questo significato dei simboli:

• S = Potenza apparente con unità di misura Volt Ampèrè [VA].

• P = Potenza attiva che corrisponde a VI cosφ con unità di misura Watt  [W].

• S = Potenza reattiva che corrisponde a VI sen φ con unità di misura Volt Ampère reattivi [VAR].

Essendo nulla la parte reattiva la potenza attiva corrisponde alla potenza apparente  S = P rendendo il calcolo piuttosto semplice.

Con le specifiche di impianto R=100 Ω e Vac = 110 otteniamo con la legge di Ohm la seguente corrente di maglia:

 da cui considerando la tensione priva di sfasamento iniziale,si ottiene il valore della corrente anche essa in fase.

Possiamo quindi esprimere la potenza trasmessa ai carichi V I cos φ che corrisponde in questo caso alla potenza apparente.

Questo valore in watt è molto vicino a quello ipotizzato come ottenibile dalla trasformazione muscolare di un atleta medio, ora trasformiamo la potenza in energia moltiplicandola per il tempo medio dell'esercizio fisico. E' importante ricordare che il tempo dovrà essere espresso in secondi e non in minuti al fine di ottenere joule  [ J ].

Supponiamo che mediamente l'esercizio di Spinning duri 20 minuti, otteniamo quindi i secondi moltiplicando per 60.

L'energia viene ottenuta moltiplicando la potenza dissipata dai termoriscaldatori per il tempo in secondi di durata dell'esercizio fisico.

Questa energia è quella trasmessa all'acqua dalla rete monofase equivalente, in realtà vi sono tre serpentine quindi questo valore va moltiplicato per tre.

Questa energia è prodotta da una sola cyclette in uso per 20 minuti. Come detto all'inizio una palestra può essere attrezzata da 10  fino anche a 25 cyclette, prendiamo in esame una sala da Spinning con 20 attrezzi, quindi moltiplichiamo l'energia nuovamente per 20.

  Ora eseguiamo la trasformazione chiave, ovvero uguagliamo l'energia al calore. Una Chilo Caloria è la quantità di energia necessaria per aumentare di un grado ( da 20 a 21 ° C ) la temperatura di un Kg di acqua.

Applicando questa trasformazione otteniamo il seguente calore trasferito all'acqua.

8712 [ Kj ] = 0.2388459 [ K cal ] * 8712 [ k cal ] = 2080,8 [ K cal ]

Quindi il sistema così congeniato è in grado di alzare la temperatura di circa 2 tonnellate di acqua in 20 minuti.

Per migliorare le prestazioni è consigliato ridurre la dimensione del boiler portandolo a mezza tonnellate di capienza.

Per il momento dobbiamo supporre che ogni cyclette della "batteria" scarichi la sua energia su una stella a se stante di termoresistenze inserite nel boiler,questo implica che l'interno del boiler risulta essere una intricata rete di serpentine, ma con l'ausilio dell'elettronica sarà possibile sovrapporre gli effetti di tutti i generatori in un unico collettore che andrà ad alimentare l'unica grossa serpentina trifase di valore opportuno.

Il  trimmer del convertitore statico portato al manubrio regola lo sforzo parzializzando la potenza trasferita con una tecnica P.W.M. 

Principio di funzionamento del controllore PWM.

• Le fasi del generatore sono collegate a stella, e il centro stella è accessibile.

• I carichi resistivi sono configurati a stella ed intercettati da tre Triac.

• I Gate dei tre Triac sono sono pilotati da tre comparatori ricavati da un integrato LM324 senza retroazione.

• La tensione di riferimento su cui scattano i comapratori è data da un unico potenziometro PT.

• Il trasformatore T1 da 10 VA e secondario 12Vac preleva una tensione di fase riferita al centro stella, con i componenti che sono a valle di esso si realizza un piccolo alimentatore stabilizzato a 12 Volt dc per alimentare i comparatori e quindi anche i Gate dei Triac.

• I Tre trasformatori T1,T2,T3 di bassa potenza servono per creare l'immagine delle tre sinusoidi and un valore di tensione accettabile ( 12 Vac ) da raddrizzare tramite i ponti D2,D3,D4 e successivamente presentarli all'ingresso dei comparatori. 

• Le tre sinusoidi viaggiano su tre canali distinti quindi mantengono il muto sfasamento.

• All'uscita dei ponti di diodi abbiamo una pulsante ad onda intera a 100 Hz da comparare con il livello impostato con il potenziometro PT. Questo garantisce la parzializzazione sia durante la semionda positiva che quella negativa.

Ogni cyclette della batteria dovrà essere equipaggiata con una di queste schede PWM.

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