TECNOLOGIE E SISTEMI AVANZATI PER LA NAUTICA

1. TECNOLOGIE E SISTEMI AVANZATI PER LA NAUTICA IMPIANTI ELETTRICI DI BORDO Pierluigi Caramia Anna Rita Di Fazio A.A.2010/2011

2. L’impianto elettrico a bordo di una nave può essere suddiviso in tre parti fondamentali: Classificazione degli impianti elettrici a bordo delle navi A) IMPIANTO PRINCIPALE - SOTTOSISTEMA DI PRODUZIONE, - SOTTOSISTEMA DI DISTRIBUZIONE, - SOTTOSISTEMA DI UTILIZZAZIONE. B) CIRCUITI AUSILIARI C) IMPIANTI SPECIALI

3. 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. Sottosistema di produzione

4. 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). Sottosistema di produzione

5. 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. Sottosistema di produzione

6. Quadri elettrici ESEMPIO Sottosistema di produzione 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.

7. Quadri elettrici PRINCIPALI Sottosistema di produzione 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.

8. Quadri elettrici DI EMERGENZA Il quadro elettrico di emergenza è generalmente a semplice sistema di sbarre. Sottosistema di produzione

9. Quadri elettrici DI EMERGENZA Sottosistema di produzione 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).

10. 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. Sottosistema di produzione

11. 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. Sottosistema di produzione

12. Apparecchiature di controllo della produzione Sottosistema di 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.

13. 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. Sottosistema di produzione

14. 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. Sottosistema di produzione

15. 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. Sottosistema di produzione

16. 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: Sottosistema di produzione 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

17. 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. Sottosistema di produzione

18. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione Nella figura è riportato lo schema di funzionamento dell’ l’eccitatrice statica.

19. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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.

20. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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.

21. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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.

22. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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.

23. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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.

24. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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 (ad es. fino al 50% del valore nominale).

25. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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 eccitazione della macchina.

26. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione Per ovviare agli svantaggi connessi con la presenza delle spazzole nell’eccitatrice statica, è stata introdotta l’eccitatrice rotante.

27. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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.

28. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione La potenza di eccitazione viene prelevata direttamente dal generatore principale attraverso un trasformatore che alimenta un raddrizzatore controllato.

29. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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 non controllato.

30. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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.

31. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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.

32. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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.

33. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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%.

34. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE Sottosistema di produzione 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.

35. 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. Sottosistema di produzione

36. 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. Sottosistema di produzione

37. 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. Sottosistema di produzione

38. 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. Sottosistema di produzione

39. 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. Sottosistema di produzione

40. 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: Sottosistema di produzione Il distributore regola la quantità di fluido motore che entra nella turbina regolatore di velocità

41. 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. Sottosistema di produzione Supponiamo di lavorare alla fn a cui corrisponde un valore di potenza meccanica sviluppata dal motore primo pari a P. fn Pmecc P

42. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA Supponiamo che la potenza richiesta dalle utenze aumenti. Sottosistema di produzione 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* Pmecc P* P L’azione del regolatore di velocità è stabilizzante.

43. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA Supponiamo che la potenza richiesta dalle utenze diminuisca. Sottosistema di produzione 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 Pmecc P* P L’azione del regolatore di velocità è stabilizzante.

44. 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. Sottosistema di produzione

45. 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. Sottosistema di produzione

46. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA Sottosistema di produzione Supponiamo che la potenza richiesta dalle utenze aumenti. 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. f* P2* P1*

47. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA Sottosistema di produzione E’ possibile che a seguito della variazione dei carichi, il valore della frequenza raggiunto (f*) non è tollerabile dall’impianto elettrico di bordo. Per modificare la frequenza del sistema così ottenuta e riportarla al valore nominale, si agisce sulle due caratteristiche di regolazione, traslandole verticalmente. f* P2* P1*

48. 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. Sottosistema di produzione Variagiri

49. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA Sottosistema di produzione 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.

50. Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA Sottosistema di produzione Valgono le seguenti prescrizioni: