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

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

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

3 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. 3

4 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). 4

5 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. 5

6 Sottosistema di produzione Quadri elettrici ESEMPIO 6 Nella figura viene mostrato lo schema unifilare dellimpianto elettrico a bordo di una turbocisterna. La potenza elettrica installata è di circa 1,4 MW.

7 Sottosistema di produzione Quadri elettrici PRINCIPALI 7 Il quadro elettrico principale ha un doppio sistema di sbarre (una sezione alimentata dai turboalernatori per il servizio di navigazione e laltra alimentata dai dieselalternatori per il servizio di porto e di riserva). Cè una ulteriore sbarra alimentata a tensione più bassa per il servizio luce.

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

9 Sottosistema di produzione Quadri elettrici DI EMERGENZA 9 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 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. 10

11 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 dellimpianto elettrico. 11

12 - La frequenza della tensione generata dipende dalla velocità di rotazione del rotore. - Lampiezza della tensione generata dipende dalla corrente che circola negli avvolgimenti di rotore. Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione Come già spiegato, in un generatore sincrono la tensione generata ha un andamento sinusoidale nel tempo. 12

13 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 lampiezza della tensione di alimentazione del sistema elettrico di bordo. 13

14 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. 14

15 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 leffetto 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. 15

16 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: 16 regolatore di tensione Sorgente in corrente alternata che fornisce la potenza di eccitazione Raddrizzatore a tiristori che alimenta il circuito di eccitazione del generatore sincrono

17 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: - leccitatrice statica; - leccitatrice brushless. 17

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

19 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 19 Nella figura è riportato lo schema di funzionamento dell leccitatrice statica in cui la potenza di eccitazione viene prelevata direttamente dal generatore principale attraverso un trasformatore che alimenta un raddrizzatore controllato.

20 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 20 La tensione raddrizzata viene applicata allavvolgimento di eccitazione (rotante) attraverso un accoppiamento strisciante, realizzato con delle spazzole fisse e due anelli solidali al rotore ai quali sono connesse le estremità dellavvolgimento di eccitazione.

21 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 21 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 delleccitatrice rotante che verrà illustrata di seguito.

22 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 22 Il regolatore di tensione misura la tensione effettivamente generata dalla macchina e la confronta con il suo riferimento V*; dallelaborazione dellerrore secondo opportune logiche, ne ricava langolo di ritardo da inviare al ponte a tiristori per ottenere la tensione di eccitazione voluta.

23 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 23 Leccitatrice 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 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 24 E importante notare che in caso di corto circuito nellimpianto 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 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 25 Unaltra caratteristica delleccitatrice statica è di non consentire, normalmente, leccitazione della macchina in condizioni di avviamento. Nelle centrali terrestri, pertanto, viene prevista una sorgente elettrica esterna, solitamente una batteria di accumulatori che fornisce lenergia di prima eccitazione alla macchina; una volta che questultima si è eccitata, la sorgente esterna viene disconnessa. Unaltra soluzione, adottata per alternatori di taglia modesta e utilizzata anche a bordo di navi, consiste nellinstallare 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 leccitatrice statica, e quindi un rinforzo della tensione e ulteriore eccitazione della macchina.

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

27 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 27 Questo sistema prevede lutilizzo 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 leccitazione del generatore principale ho bisogno di un raddrizzatore a diodi anchesso rotante.

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

29 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 29 Il regolatore di tensione misura la tensione effettivamente generata dalla macchina e la confronta con il suo riferimento V*. Dallelaborazione dellerrore ne ricava langolo di ritardo da inviare al ponte a tiristori in modo da alimentare lavvolgimento di eccitazione ausiliario. Tale avvolgimento eccita lo statore dellalternatore 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 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 30 Leccitatrice 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 dallalternatore, rispetto alleccitatrice statica.

31 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 31 Anche nel caso della eccitatrice rotante sussiste il problema di non consentire leccitazione della macchina in condizioni di avviamento. In questo caso si può ricorrere ad una batteria di accumulatori da connettere inizialmente sullavvolgimento 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 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 32 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 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 33 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 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA TENSIONE 34 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 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. 35

36 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. 36

37 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. 37

38 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 DAlembert relativo allequilibrio delle coppie. In assenza di perdite può essere formulato come: C m (t) - C r (t) = Jd (t). dt Un aumento del carico elettrico tende a provocare di norma una riduzione della velocità di rotazione dellalbero motore e quindi della frequenza. Una diminuzione del carico tende a provocare leffetto 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. 38

39 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 lobiettivo di evitare le naturali,ampie variazioni di frequenza che inevitabilmente si verificherebbero sul sistema non controllato. 39

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

41 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA Ogni regolatore di velocità ha una caratteristica di regolazione f - P mecc che rappresenta landamento della potenza erogata dal motore primo in funzione della frequenza dellimpianto elettrico di bordo a regime. I regolatori di frequenza vengono realizzati con un certo statismo s = (f 1 -f 2 )/f n. Supponiamo di lavorare alla f n a cui corrisponde un valore di potenza meccanica sviluppata dal motore primo pari a P. fnfn P P mecc 41

42 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA Supponiamo che la potenza richiesta dalle utenze aumenti. fnfn P P mecc Lazione del regolatore di velocità è stabilizzante. Se il carico aumenta, lalbero rallenta e la frequenza si abbassa (f*). Il gruppo si porta a lavorare ad una potenza più alta (P*), che contrasta laumento del carico. f* P* 42

43 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA Supponiamo che la potenza richiesta dalle utenze diminuisca. fnfn P P mecc Lazione del regolatore di velocità è stabilizzante. Se il carico diminuisce, lalbero 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* P* 43

44 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 lobbiettivo 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. 44

45 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. 45

46 Sottosistema di produzione Apparecchiature di controllo della produzione REGOLAZIONE DELLA FREQUENZA 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*P2* P1*P1* 46

47 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 dallimpianto 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*P2* P1*P1* 47

48 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. 48 Variagiri

49 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. 49

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

51 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. 51

52 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 dellimpianto; - 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.). 52

53 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 unidea delle grandezze elettriche in gioco. 53

54 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 dellordine 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 lenergia elettrica, e la tendenza futura è quella di una totale elettrificazione della nave; si parla infatti di navi full electric. 54

55 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 nellambito della progettazione la potenza da istallare a bordo, si fa riferimento al coefficiente delettrificazione. Esso costituisce un indice del grado di elettrificazione di una nave, e viene indicato col simbolo K E. 55

56 Sottosistema di produzione Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo LIVELLO DI ELETTRIFICAZIONE Il coefficiente di elettrificazione K E 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 delettrificazione, invece della potenza installata (potenza generata), si può anche considerare la potenza nominale assorbita da tutti gli utenti di bordo. 56

57 Sottosistema di produzione Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo 57 Nella tabella, si riportano i coefficienti di elettrificazione di alcune fra le più importanti navi passeggeri (si è fatto riferimento alle potenze installate)

58 Sottosistema di produzione Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo LIVELLO DI ELETTRIFICAZIONE Il coefficiente delettrificazione, nel caso di grandi navi petroliere (da a 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 K EM, espresso dal rapporto tra la potenza installata (in kW) e la potenza del motore di propulsione (in CV). 58

59 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. 59

60 Sottosistema di produzione Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo BILANCIO ELETTRICO 1) Analizza i carichi e li raggruppa per tipologia di servizio. 60 SERVIZIOCARICO COPERTATimone, tonneggi, ecc. SICUREZZAAusiliari di navigazione (radar, girobussola, ecc.), pompe antincendio, ecc. NAVECOPERTA + SICUREZZA …. TOTALECOPERTA + SICUREZZA + NAVE + …. Per ogni carico viene definito il numero di macchine utilizzatrici e i relativi dati di targa.

61 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

62 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 allunità, 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= u i * u int u i = coefficiente di utilizzazione istantaneo ( P media /P n ), u int = coefficiente di interruzione ( ore di servizio al giorno/24 ). 62

63 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. 63

64 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. 64

65 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. 65

66 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

67 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, lingombro ed il costo di installazione, che risultano maggiori. Inoltre occorre considerare che la loro potenza unitaria deve permettere lavviamento di grossi motori asincroni con il minimo numero di elettrogeni possibile, senza che le correnti di spunto provochino delle cadute di tensione inammissibili per limpianto elettrico di bordo. In conclusione, il numero di elettrogeni deve essere minimo, mentre la loro potenza unitaria deve essere maggiore della necessaria. 67

68 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: 68 - carico < 500 kW 2 gruppi elettrogeni, ciascuno in grado di sopperire lintero carico, alternativamente tenuti uno in servizio, uno in riserva. - carico > 500 kW < 1300 kW 3 gruppi elettrogeni, due dei quali sufficienti per sopperire lintero carico e il terzo a rotazione in riserva. - carico > 1300 kW 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).

69 Sottosistema di produzione Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA 69 Al solo scopo di fornire unidea 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.

70 Sottosistema di produzione Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA 70 Le navi da crociera possono raggiungere una stazza lorda che può variare dalle decine di migliaia di tonnellate fino a valori prossimi alle 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 allequipaggio 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.

71 Sottosistema di produzione Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA 71

72 Sottosistema di produzione Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA 72 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 dellenergia elettrica deve venire da una centrale elettrica autonoma capace di generare tutta lenergia necessaria per lalimentazione a pieno carico elettrico. La sorgente dellenergia è normalmente costituita da più macchine formate dallaccoppiamento 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 uneventuale 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 nominale.

73 Sottosistema di produzione Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA 73 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 ununica macchina. Lalternatore 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 lalternatore risulta mosso in alternativa anche da turbine a gas o da un mix dei due tipi.

74 Sottosistema di produzione Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA 74 Come noto, per il funzionamento dellalternatore deve essere fornita allavvolgimento 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 allalternatore 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.

75 Sottosistema di produzione Cenni sulla potenza elettrica da installare a bordo ESEMPIO: NAVE DA CROCIERA 75 I generatori sono normalmente suddivisi in gruppi e ogni gruppo alimenta la propria sbarra. Lautomazione ha il compito di gestire la messa in moto o larresto 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 unalimentazione 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 nellordine dei 50 MW (per dare unidea, mediamente sufficienti per alimentare una città di abitanti).


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