TECNOLOGIE E SISTEMI
AVANZATI PER LA NAUTICA
IMPIANTI ELETTRICI DI BORDO
Pierluigi Caramia
Anna Rita Di Fazio
A.A.2010/2011
1
Classificazione degli impianti elettrici
a bordo delle navi
L’impianto elettrico a bordo di una nave può essere
suddiviso in tre parti fondamentali:
A) IMPIANTO PRINCIPALE
- SOTTOSISTEMA DI PRODUZIONE,
B) CIRCUITI AUSILIARI
- SOTTOSISTEMA DI DISTRIBUZIONE,
- SOTTOSISTEMA DI UTILIZZAZIONE.
C) IMPIANTI SPECIALI
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Sottosistema di produzione
La centrale elettrica
In generale, la centrale elettrica è il luogo in cui sono
presenti:
- gruppi elettrogeni o gruppi di generazione;
- il quadro elettrico;
- le apparecchiature di controllo della produzione di energia elettrica;
- le apparecchiature di controllo della distribuzione di energia elettrica.
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Sottosistema di produzione
Quadri elettrici
Il quadro elettrico di centrale realizza il collegamento
tra generatori e linee di distribuzione.
Il quadro comprende i sistemi di sbarre, gli interruttori (di
macchina, gli interruttori di distribuzione, ecc.), la
strumentazione per il comando e il controllo della
produzione e distribuzione.
Si hanno quadri nelle centrali principali (quadri principali) e
nelle centrali di emergenza (quadri di emergenza).
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Sottosistema di produzione
Quadri elettrici
PRINCIPALI
Il quadro elettrico principale può essere
- a semplice sistema di sbarre;
- a doppio sistema di sbarre;
- con un sistema di sbarre principale e due sbarre ausiliarie;
- due sbarre principali e due sbarre ausiliarie.
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Sottosistema di produzione
Quadri elettrici
ESEMPIO
Nella figura viene mostrato lo
schema unifilare dell’impianto
elettrico a bordo di una
turbocisterna. La potenza
elettrica installata è di circa
1,4 MW.
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Sottosistema di produzione
Quadri elettrici
PRINCIPALI
Il quadro elettrico principale ha un
doppio sistema di sbarre (una
sezione alimentata dai
turboalernatori per il servizio di
navigazione e l’altra alimentata dai
dieselalternatori per il servizio di
porto e di riserva).
C’è una ulteriore sbarra alimentata a
tensione più bassa per il servizio
luce.
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Sottosistema di produzione
Quadri elettrici
DI EMERGENZA
Il quadro elettrico di emergenza è generalmente a semplice
sistema di sbarre.
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Sottosistema di produzione
Quadri elettrici
DI EMERGENZA
Il quadro elettrico di emergenza è a
semplice sistema di sbarre.
Quando avviene un guasto sulla
centrale principale, i carichi di
emergenza vengono alimentati dalla
batteria di accumulatori.
(In questo schema manca la
presenza di un ulteriore gruppo
elettrogeno di emergenza).
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Sottosistema di produzione
La centrale elettrica
In generale, la centrale elettrica è il luogo in cui sono
presenti:
- gruppi elettrogeni o gruppi di generazione;
- il quadro elettrico;
- le apparecchiature di controllo della produzione di energia elettrica;
- le apparecchiature di controllo della distribuzione di energia elettrica.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
In generale, negli impianti elettrici è necessario che la
tensione e la frequenza della tensione di alimentazione
delle utenze siano prossime ai loro valori nominali.
I generatori sincroni partecipano alla regolazione della
tensione e della frequenza dell’impianto elettrico.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
Come già spiegato, in un generatore sincrono la
tensione generata ha un andamento sinusoidale nel
tempo.
- La frequenza della tensione generata dipende dalla velocità di rotazione del
rotore.
- L’ampiezza della tensione generata dipende dalla corrente che circola negli
avvolgimenti di rotore.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
Di conseguenza:
- agendo sulla velocità di rotazione del rotore (e quindi sul
motore primo) è possibile regolare la frequenza della
tensione di alimentazione del sistema elettrico di bordo;
-agendo sulla corrente degli avvolgimenti di eccitazione è
possibile regolare l’ampiezza della tensione di
alimentazione del sistema elettrico di bordo.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
Nei sistemi elettrici di bordo i generatori sincroni presentano
due sistemi di regolazione:
- sistema di regolazione della tensione;
- sistema di regolazione della frequenza.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Un aumento del carico elettrico tende a provocare di norma una diminuzione della
tensione. Una diminuzione del carico tende a provocare l’effetto opposto.
Se si mantenesse costante la corrente di eccitazione, la tensione ai morsetti degli
alternatori varierebbe fortemente al variare del carico.
Occorre quindi introdurre dei dispositivi, detti regolatori della tensione, in grado di
contrastare tali variazioni.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Il regolatore della tensione è un tipico sistema di controllo in retroazione che opera
secondo lo schema seguente:
Sorgente in corrente alternata
che fornisce la potenza di eccitazione
Raddrizzatore a tiristori
che alimenta il circuito di eccitazione
del generatore sincrono
regolatore di tensione
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Per interpretare questo schema in termini di oggetti
concreti, si considerino gli schemi dei due tipi di eccitazione
utilizzati per gli i generatori sincroni:
- l’eccitatrice statica;
- l’eccitatrice brushless.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Nella figura è
riportato lo
schema di
funzionamento
dell’ l’eccitatrice
statica.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Nella figura è riportato lo
schema di funzionamento
dell’ l’eccitatrice statica
in cui la potenza di
eccitazione viene
prelevata direttamente
dal generatore principale
attraverso un
trasformatore che
alimenta un raddrizzatore
controllato.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
La tensione raddrizzata viene
applicata all’avvolgimento di
eccitazione (rotante)
attraverso un accoppiamento
strisciante, realizzato con
delle spazzole fisse e due
anelli solidali al rotore ai quali
sono connesse le estremità
dell’avvolgimento di
eccitazione.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Questa eccitatrice è detta
statica in quanto il sistema di
generazione della corrente di
eccitazione è
fisso, cioè non ruota con il
rotore, a differenza
dell’eccitatrice rotante che
verrà illustrata di seguito.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Il regolatore di tensione
misura la tensione
effettivamente generata dalla
macchina e la confronta con
il suo riferimento V*;
dall’elaborazione dell’errore
secondo opportune logiche,
ne ricava l’angolo di ritardo a
da inviare al ponte a tiristori
per ottenere la tensione di
eccitazione voluta.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
L’eccitatrice statica consente di variare con grande
prontezza la corrente di eccitazione, e quindi di
regolare con rapidità la tensione a fronte di variazioni
del carico.
Uno svantaggio della eccitatrice statica rispetto alla
eccitatrice brushless descritta di seguito consiste nella
presenza delle spazzole, che sono un punto di
debolezza e richiedono manutenzione.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
E’ importante notare che in caso di corto circuito
nell’impianto la tensione di alimentazione del
sistema di eccitazione si riduce o (per i rari casi di corti
circuiti proprio ai morsetti di macchina) annulla del tutto.
Per consentire una adeguata eccitazione della macchina
anche durante il corto circuito si dimensiona
il trasformatore di alimentazione del ponte a tiristori in
modo da riuscire a generare la corrente di eccitazione
nominale anche con tensioni di macchina alquanto ridotte
24
(ad es. fino al 50% del valore nominale).
Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Un’altra caratteristica dell’eccitatrice statica è di non consentire,
normalmente, l’eccitazione della macchina in condizioni di
avviamento.
Nelle centrali terrestri, pertanto, viene prevista una sorgente elettrica
esterna, solitamente una batteria di accumulatori che fornisce
l’energia di prima eccitazione alla macchina; una volta che
quest’ultima si è eccitata, la sorgente esterna viene disconnessa.
Un’altra soluzione, adottata per alternatori di taglia modesta e
utilizzata anche a bordo di navi, consiste nell’installare sul rotore un
magnete permanente. In tal modo una volta posto il sincrono
in rotazione verrà generata, per eccitazione dovuta ai magneti
permanenti, una tensione ai morsetti sufficiente ad attivare
l’eccitatrice statica, e quindi un rinforzo della tensione e ulteriore 25
eccitazione della macchina.
Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Per ovviare agli
svantaggi
connessi con la
presenza delle
spazzole
nell’eccitatrice
statica, è stata
introdotta
l’eccitatrice
rotante.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Questo sistema prevede
l’utilizzo di un generatore
ausiliario. Si tratta di una
macchina speciale: il
rotore è fisso e lo statore
è rotante (e solidale con il
rotore del generatore
principale). Per
alimentare l’eccitazione
del generatore principale
ho bisogno di un
raddrizzatore a diodi
anch’esso rotante.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
La potenza di
eccitazione viene
prelevata
direttamente dal
generatore
principale attraverso
un trasformatore che
alimenta un
raddrizzatore
controllato.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Il regolatore di tensione misura la
tensione effettivamente generata
dalla macchina e la confronta con il
suo riferimento V*. Dall’elaborazione
dell’errore ne ricava l’angolo di
ritardo a da inviare al ponte a tiristori
in modo da alimentare l’avvolgimento
di eccitazione ausiliario. Tale
avvolgimento eccita lo statore
dell’alternatore ausiliario, che genera
una sistema di tensioni trifase di
valore proporzionale alla corrente di
eccitazione del generatore principale.
Tale corrente di eccitazione può
essere ottenuta con un raddrizzatore
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non controllato.
Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
L’eccitatrice rotante presenta il vantaggio di evitare
qualsiasi tipo di spazzole e, quindi, di accoppiamento
strisciante.
Per contro la catena di regolazione che è molto più lunga e
deve attraversare due avvolgimenti di eccitazione che
hanno sempre costanti di tempo particolarmente grandi. Di
conseguenza tale soluzione reagisce più lentamente a
variazioni della tensione generata dall’alternatore, rispetto
all’eccitatrice statica.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Anche nel caso della eccitatrice rotante sussiste il
problema di non consentire l’eccitazione della macchina in
condizioni di avviamento.
In questo caso si può ricorrere ad una batteria di
accumulatori da connettere inizialmente sull’avvolgimento
di eccitazione ausiliario, o dotare il rotore del generatore
principale di una coppia di magneti permanenti in modo
che possa comunque generarsi (con la macchina in
rotazione) una tensione ai morsetti in grado di attivare il
sistema di eccitazione rotante.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Le massime variazioni di tensione ammesse ai morsetti dei
generatori a bordo delle navi della Marina Militare Italiana
sono prescritte nella norma NAV-13-A068, e sono più
ristrette di quelle ammesse sul carico.
Questo fatto è chiaramente spiegato considerando che la
tensione sul carico varia non solo per effetto delle
variazioni della tensione generata dagli alternatori, ma
anche per effetto della variazione della caduta di tensione
sui cavi con la corrente che li attraversa.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Normalmente la tensione sui quadretti terminali di
distribuzione deve essere contenuta entro 5% del valore
Nominale.
Ai morsetti dei generatori, per contro, la norma impone una
variazione massima di tensione a regime di ±1,5%.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA TENSIONE
Più in dettaglio la prescrizione sul regime permanente
riportata sulla NAV-13-A068 è la seguente:
- alla frequenza nominale e con uno squilibrio del carico 15 % su una fase, la
tensione deve essere entro il ± 1,0 % del valore nominale per un carico compreso
fra 0 e il 125 % del valore nominale;
- con carico equilibrato e deviazione della frequenza del 5 % rispetto al valore
nominale, la tensione deve essere entro il ± 1,5 % del valore nominale, per un
carico compreso fra 0 e il 125 % del valore nominale.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
Nei sistemi elettrici di bordo i generatori sincroni presentano
due sistemi di regolazione:
- sistema di regolazione della tensione;
- sistema di regolazione della frequenza.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
Ricordiamo che la frequenza di alimentazione dipende, a parità di
ogni altra condizione, dal numero di giri del generatore e quindi, in
definitiva, dal numero di giri del motore primo che fa ruotare l'asse
del generatore elettrico. Infatti
f=np/60,
dove
f = frequenza della tensione prodotta dal generatore;
n = numero dei giri del rotore dell'alternatore;
p = numero delle coppie polari del rotore del generatore.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
Di norma i valori di frequenza a bordo delle navi militari sono 60 o 400 Hz.
Prendendo in considerazione la frequenza di 60 Hz, di uso molto più esteso del
400 Hz, e tenendo conto che p di solito è pari a 1, 2, o 3, si ha che il rotore ruota
rispettivamente a 3600 g/m (turboalternatori), a 1800 o a 1200 g/m (alternatori).
Quest'ultimo valore è quello più adottato sulle navi militari.
Infatti si ha, tra gli altri, il vantaggio dell'accoppiamento diretto (senza riduttore) tra
diesel ed alternatore. Il motore diesel quindi ha la stessa velocità di rotazione del
generatore elettrico.
La frequenza, in definitiva, dipende dal numero di giri del motore primo.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
Si prenda in considerazione un gruppo elettrogeno costituito da un unico gruppo
(motore primo + generatore). Riprendiamo in considerazione il principio di
D’Alembert relativo all’equilibrio delle coppie. In assenza di perdite può essere
formulato come:
Cm(t) - Cr(t) = Jd(t) .
dt
Un aumento del carico elettrico tende a provocare di norma una riduzione della
velocità di rotazione dell’albero motore e quindi della frequenza. Una diminuzione
del carico tende a provocare l’effetto opposto. Se si mantenesse costante la
potenza meccanica, la frequenza della tensione di alimentazione varierebbe
fortemente al variare del carico. Occorre quindi introdurre dei dispositivi, detti
regolatori della frequenza, in grado di contrastare tali variazioni.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
Da queste semplici considerazioni si comprende la necessità di
modificare la mandata di combustibile in funzione delle condizioni di
funzionamento del sistema, con l’obiettivo di evitare le naturali,ampie
variazioni di frequenza che inevitabilmente si verificherebbero sul
sistema non controllato.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
Si faccia riferimento ad una turbina a vapore. Il regolatore di frequenza è un tipico
sistema di controllo in retroazione che opera secondo lo schema seguente:
Il distributore regola la quantità
di fluido motore che entra nella
turbina
regolatore di velocità
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
Ogni regolatore di velocità ha una caratteristica di regolazione f - Pmecc che
rappresenta l’andamento della potenza erogata dal motore primo in funzione della
frequenza dell’impianto elettrico di bordo a regime.
I regolatori di frequenza vengono realizzati con un certo statismo s = (f1-f2)/fn.
fn
P
Pmecc
Supponiamo di lavorare alla
fn a cui corrisponde un valore
di potenza meccanica
sviluppata dal motore primo
pari a P.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
Supponiamo che la potenza richiesta dalle utenze aumenti.
Se il carico aumenta, l’albero
rallenta e la frequenza si abbassa
(f*).
Il gruppo si porta a lavorare ad una
potenza più alta (P*), che contrasta
l’aumento del carico.
fn
f*
P P*
Pmecc
L’azione del regolatore di velocità è stabilizzante.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
Supponiamo che la potenza richiesta dalle utenze diminuisca.
Se il carico diminuisce, l’albero
accelera e la frequenza cresce (f*).
Il gruppo si porta a lavorare ad una
potenza più basso (P*), che
contrasta la diminuzione del carico.
f*
fn
P* P
Pmecc
L’azione del regolatore di velocità è stabilizzante.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
In molti casi il sistema elettrico di bordo può funzionare con
più gruppi funzionanti in parallelo; occorre pertanto
comprendere come si effettua in tal caso la regolazione di
frequenza, con l’obbiettivo di mantenere la frequenza del
sistema il più possibile prossima al valore nominale e di
ripartire in maniera uniforme fra i vari gruppi il carico
complessivo del sistema.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
Essendo la frequenza unica per tutto il sistema di bordo, esso può essere
schematizzato come un unico nodo alla frequenza f a cui sono connessi tutti i
generatori e tutti i carichi.
Vengono mostrate anche le caratteristiche di regolazione dei due gruppi. La somma
P1+P2 è evidentemente la potenza complessivamente assorbita dai carichi.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
Supponiamo che la potenza richiesta dalle utenze aumenti.
f*
Se il carico aumenta, gli alberi dei
due gruppi rallentano e la
frequenza si abbassa (f*).
Ogni gruppo incrementa la sua
potenza in funzione della sua
caratteristica di regolazione.
P1*
P2*
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
E’ possibile che a seguito della variazione dei carichi, il valore
della frequenza raggiunto (f*) non è tollerabile dall’impianto
elettrico di bordo.
f*
P1*
P2*
Per modificare la frequenza del
sistema così ottenuta e riportarla al
valore nominale, si agisce sulle
due caratteristiche di regolazione,
traslandole verticalmente.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
In pratica viene comandato un aumento della velocità di rotazione del gruppo
attraverso un dispositivo chiamato variagiri.
Variagiri
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
Per quanto riguarda le variazioni di velocità, sia a regime che in
transitorio, esse, evidentemente, rispecchiano le corrispondenti
variazioni della frequenza del sistema elettrico di bordo.
Si nota esplicitamente che questo non accade per la tensione in
quanto la tensione, a differenza della frequenza, non è costante in
tutti i punti del sistema.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della produzione
REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA
Valgono le seguenti prescrizioni:
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Sottosistema di produzione
La centrale elettrica
In generale, la centrale elettrica è il luogo in cui sono
presenti:
- gruppi elettrogeni o gruppi di generazione;
- il quadro elettrico;
- le apparecchiature di controllo della produzione di energia elettrica;
- le apparecchiature di controllo della distribuzione di energia elettrica.
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Sottosistema di produzione
Apparecchiature di controllo della distribuzione
Il sistema di controllo e gestione di una rete di distribuzione
prevede:
-strumentazione per monitorare in tempo reale le condizioni di
funzionamento dell’impianto;
- interruttori controllabili con i quali riconfigurare in modo automatico
la rete in presenza di anomalie (distacco carichi non essenziali in
caso di sovraccarico gruppi di generazione, commutazione carichi
essenziali su sbarre di emergenza in assenza di alimentazione dalla
centrale principale, ecc.).
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
Nel seguito verranno effettuate alcune considerazioni di
carattere generale sulla potenza elettrica da installare a
bordo di una nave:
- livello di elettrificazione
- il bilancio elettrico
- la potenza e numero di gruppi elettrogeni.
Infine, verrà riportato un esempio per fornire un’idea delle
grandezze elettriche in gioco.
53
Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
LIVELLO DI ELETTRIFICAZIONE
Fino alla metà del secolo scorso, le potenze elettriche
istallate a bordo erano dell’ordine dei 10kW e le attività di
coperta venivano svolte usufruendo di attrezzature non
elettriche.
Nel corso degli ultimi anni le applicazioni elettriche a bordo
delle navi sono aumentate notevolmente. Allo stato attuale
tutte le attività vengono svolte mediante l’energia elettrica,
e la tendenza futura è quella di una totale elettrificazione
della nave; si parla infatti di navi full electric.
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
LIVELLO DI ELETTRIFICAZIONE
Per identificare il livello tecnico e la modernità delle
attrezzature di bordo nel caso di navi già costruite, o per
stabilire nell’ambito della progettazione la potenza da
istallare a bordo, si fa riferimento al coefficiente
d’elettrificazione.
Esso costituisce un indice del grado di elettrificazione di una
nave, e viene indicato col simbolo KE.
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
LIVELLO DI ELETTRIFICAZIONE
Il coefficiente di elettrificazione KE è espresso come il
rapporto tra la potenza installata a bordo (in kW) e la taglia
della nave (dislocamento (per navi militari), portata lorda (per
navi mercantili), stazza lorda (per navi passeggeri)).
Per il calcolo del coefficiente d’elettrificazione, invece della potenza installata
(potenza generata), si può anche considerare la potenza nominale assorbita
da tutti gli utenti di bordo.
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
Nella tabella, si
riportano i
coefficienti di
elettrificazione di
alcune fra le più
importanti navi
passeggeri (si è
fatto riferimento alle
potenze installate)
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
LIVELLO DI ELETTRIFICAZIONE
Il coefficiente d’elettrificazione, nel caso di grandi navi petroliere (da
150.000 a 300.000 tonnellate di portata lorda), non è molto indicativo
poiché non consente di eseguire dei giusti confronti tra navi di
categorie diverse. Questo perché al notevole incremento della portata
non corrisponde uno stesso incremento della potenza elettrica
installata. Tale considerazione vale soprattutto per le petroliere dove la
maggior parte dello spazio disponibile è riservato alle cisterne ove
stipare il greggio.
Pertanto, si definisce anche un secondo coefficiente di elettrificazione,
indicato con KEM, espresso dal rapporto tra la potenza installata (in kW)
e la potenza del motore di propulsione (in CV).
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
BILANCIO ELETTRICO
La determinazione della potenza elettrica da installare a
bordo di una nave viene effettuata attraverso il bilancio
elettrico.
Il bilancio elettrico:
- definisce la potenza richiesta dal carico nelle diverse condizioni di
funzionamento della nave;
- stabilisce come soddisfare tale richiesta, cioè come bilanciare
consumo e produzione.
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
BILANCIO ELETTRICO
1) Analizza i carichi e li raggruppa per tipologia di servizio.
SERVIZIO
CARICO
COPERTA
Timone, tonneggi, ecc.
SICUREZZA
Ausiliari di navigazione (radar, girobussola, ecc.), pompe antincendio, ecc.
NAVE
COPERTA + SICUREZZA
….
….
TOTALE
COPERTA + SICUREZZA + NAVE + ….
Per ogni carico viene definito il numero di macchine utilizzatrici e i relativi dati di targa.
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
BILANCIO ELETTRICO
2) Per ogni servizio definisce la potenza assorbita nelle diverse
condizioni di funzionamento della nave, tra cui le più caratteristiche
sono:
- condizioni continue di navigazione: estive, invernali, in crociera, in combattimento, ecc. ;
- condizioni continue in sosta: in porto normale, in porto per scarico; ecc. ;
- condizioni saltuarie: manovra, emergenza per allagamento, emergenza per incendio, ecc. .
61
Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
BILANCIO ELETTRICO
3) Per ogni condizione di funzionamento stima la potenza media
assorbita dai carichi. Per questo viene introdotto un coefficiente di
utilizzazione u, minore o uguale all’unità, da moltiplicare alla
potenza di targa di ogni carico. Nota la potenza media assorbita dai
singoli carichi, la loro somma rappresenta il carico per quella
condizione.
Il coefficiente di utilizzazione u può essere calcolato come:
u= ui * uint
ui = coefficiente di utilizzazione istantaneo (Pmedia/Pn),
uint = coefficiente di interruzione (ore di servizio al giorno/24).
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
BILANCIO ELETTRICO
4) Per ogni servizio somma la potenza assorbita in condizioni
continuative più gravose alla potenza assorbita nelle condizioni
saltuarie.
5) Somma le potenze ottenute in (4) relative ad ogni servizio per
ottenere la potenza totale da installare a bordo.
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
POTENZA E NUMERO DEI GRUPPI ELETTROGENI
Una volta effettuato il bilancio elettrico è possibile stabilire:
-
la potenza degli elettrogeni da installare a bordo;
-
Il numero di elettrogeni da installare a bordo.
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
POTENZA E NUMERO DEI GRUPPI ELETTROGENI
La potenza da installare a bordo è pari alla potenza
massima assorbita dalle utenze.
A tale valore va aggiunto un surplus di potenza capace di
tener conto della indisponibilità dei gruppi elettrogeni.
Tale valore deve essere ulteriormente maggiorato per un
eventuale ammodernamento della nave durante la sua vita
utile.
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
POTENZA E NUMERO DEI GRUPPI ELETTROGENI
Il numero di elettrogeni da installare a bordo deve essere
tale che:
- nelle diverse condizioni di carico gli elettrogeni lavorino
nelle condizioni di massimo rendimento;
- il fuori servizio non programmato (guasto) e programmato
(manutenzione) non comprometta il buon funzionamento e
la sicurezza della nave.
66
Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
POTENZA E NUMERO DEI GRUPPI ELETTROGENI
La suddivisione della potenza su molti gruppi elettrogeni, vantaggiosa
per la flessibilità in esercizio, non è conveniente per il peso, l’ingombro
ed il costo di installazione, che risultano maggiori.
Inoltre occorre considerare che la loro potenza unitaria deve
permettere l’avviamento di grossi motori asincroni con il minimo
numero di elettrogeni possibile, senza che le correnti di spunto
provochino delle cadute di tensione inammissibili per l’impianto
elettrico di bordo.
In conclusione, il numero di elettrogeni deve essere minimo, mentre la
loro potenza unitaria deve essere maggiore della necessaria.
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
POTENZA E NUMERO DEI GRUPPI ELETTROGENI
In pratica per impianti con tensione <450 V e potenza max = 6MW:
- carico < 500 kW
- carico > 500 kW
< 1300 kW
- carico > 1300 kW
2 gruppi elettrogeni, ciascuno in grado di sopperire
l’intero carico, alternativamente tenuti uno in servizio,
uno in riserva.
3 gruppi elettrogeni, due dei quali
sufficienti per sopperire l’intero carico e il
terzo a rotazione in riserva.
4 o più gruppi elettrogeni, ciascuno con una
potenza unitaria di 1000 kW o 2000 kW.
In maniera analoga può essere calcolato il numero di elettrogeni per impianti di bordo a
tensione più levata (3,3 kV, 6,6 kV e 11 kV).
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA
Al solo scopo di fornire un’idea delle grandezze elettriche in gioco, di seguito
vengono forniti alcuni dati che aiutano a capire la struttura delle navi da crociera, che
possono essere considerate come le più imponenti “imbarcazioni” che si realizzano.
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA
Le navi da crociera possono raggiungere una stazza lorda che può variare dalle
decine di migliaia di tonnellate fino a valori prossimi alle 100.000 tonnellate,
distribuite su lunghezze che possono superare i 300m con larghezze attorno ai
50m.
La stazza lorda è un parametro, determinato tramite appositi calcoli e formule. Esso definisce un
indice di grandezza o di capacità di una nave che comprende tutti i volumi interni della stessa,
inclusi gli spazi della sala macchine, dei serbatoi di carburante, le zone riservate all’equipaggio e si
misura partendo dalla superficie esterna delle paratie.
Tali navi sono in grado di ospitare alcune migliaia di passeggeri che possono
essere accolti e distribuiti in migliaia di cabine, nel grande atrio con ascensori
panoramici, negli svariati bar, ristoranti, piscine, sale gioco, discoteche, sale da
ballo e nei centri per il fitness distribuiti sulla decina di vari ponti.
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA
Per consentire il funzionamento in fase di navigazione di tutti i servizi di questa
vera e propria “città galleggiante”, è necessaria una potenza elettrica
complessiva disponibile a bordo non indifferente. La disponibilità dell’energia
elettrica deve venire da una centrale elettrica autonoma capace di generare
tutta l’energia necessaria per l’alimentazione a pieno carico elettrico.
La sorgente dell’energia è normalmente costituita da più macchine formate
dall’accoppiamento di un motore diesel e di un alternatore. In base alla potenza
totale assorbita da tutte le utenze della nave, viene applicato un coefficiente
maggiorativo per un’eventuale ampliamento futuro di alcuni carichi; inoltre si
assume un ulteriore margine di sicurezza che permette di avere disponibile tale
potenza maggiorata anche con avaria di uno dei gruppi dieselgeneratore. Per il
calcolo della potenza totale dei gruppi elettrogeni installati si deve anche
considerare che il punto di lavoro ottimale dei generatori, cioè con il loro
massimo rendimento, è in corrispondenza del 75% della loro potenza massima 72
nominale.
Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA
Come detto, i generatori di bordo sono costituiti da un motore primo di tipo diesel
che aziona un alternatore trifase a esso permanentemente accoppiato, costituendo
un’unica macchina.
L’alternatore è portato in rotazione dal
motore diesel tipicamente con 8 o 12 cilindri
con potenze che possono variare da 1MW
fino a 10MW e rendimenti che si attestano
attorno al 95%. Esso può generare tensioni
sia in bassa tensione che in media tensione.
In alcune applicazioni l’alternatore risulta
mosso in alternativa anche da turbine a gas
o da un mix dei due tipi.
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA
Come noto, per il funzionamento dell’alternatore deve essere fornita
all’avvolgimento di rotore la corrente di eccitazione necessaria per creare il campo
magnetico. Essa viene generata da una sorgente ausiliaria che può essere una
dinamo eccitatrice coassiale all’alternatore o, più modernamente, da un sistema di
raddrizzatori statici che convertono la tensione continua in alternata.
Attraverso dispositivi di regolazione aventi la funzione di controllare sia la velocità
di rotazione del motore primo variando il flusso del combustibile sia la corrente do
eccitazione, è possibile mantenere costante sia la tensione sia la frequenza di
alimentazione generata al variare delle condizioni di carico.
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Sottosistema di produzione
Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo
ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA
I generatori sono normalmente suddivisi in gruppi e ogni gruppo alimenta la
propria sbarra. L’automazione ha il compito di gestire la messa in moto o l’arresto
dei generatori in base al carico richiesto. I gruppi elettrogeni con la relativa
automazione, il quadro elettrico principale di media tensione e le apparecchiature
di controllo costituiscono la centrale elettrica di bordo.Il quadro principale è
generalmente suddiviso in due o più sezioni, ognuna facente capo ad un gruppo
di generatori, al fine di garantire la possibilità di un’alimentazione ridondante per i
vari carichi della nave.
Il sistema di generazione di una nave da crociera con le caratteristiche in
precedenza descritte, comprende normalmente 6 alternatori per una potenza
complessiva nell’ordine dei 50 MW (per dare un’idea, mediamente sufficienti per
alimentare una città di 50.000 abitanti).
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