modulo di Elettrotecnica Elettrici 2000/01 2° semestre
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Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale (Bozza) CAP. IV – METODOLOGIE APPLICATIVE – COMPONENTI – SISTEMI ELETTRICI IV.1 Generalità In questo capitolo verranno descritte alcune delle principali ricadute applicative e procedurali direttamente collegate alla teoria delle reti sviluppata precedentemente. Ovviamente il percorso storico che ha portato alla realizzazione di apparecchiature e sistemi elettrici di interesse sociale e strategico (basta pensare alle pressanti richieste dell’industrializzazione e dell’urbanizzazione tipica del fine Ottocento o lo sforzo tecnologico legato alla partecipazione alle due Guerre Mondiali) ha visto sì importanti realizzazione ma anche continui “ritorni” sull’impostazione dello studio di problematiche elettriche e dei modelli generali con ulteriori ricadute applicative. Con una visione estremamente rapida possiamo così sintetizzare tale percorso storico: a) nella seconda metà del Settecento e nella prima metà dell’Ottocento sono state poste le basi (non solo per l’impulso dell’Illuminismo) per un raccordo tra la presentazione semi-empirica dei fenomeni elettrici ed un inquadramento degli stessi in modelli matematici di profonda validità e portata; tale percorso è stato agevolato senz’altro dalla presenza (spesso tormentata) di personalità scientifiche di impareggiabile rilievo, anche in assenza di qualsiasi supporto, incentivo o mezzo di comunicazione1; le applicazioni “elettriche” si limitarono allo studio dei processi chimici ed ad limitato numero di dispositivi isolati. a. nella seconda metà dell’Ottocento si sentì prepotentemente da un lato la necessità di dotare le fabbriche di macchinari che consentissero tassi di produzione più elevata e minori ingombri, dall’altro di fornire energia ed illuminazione alle stesse fabbriche ed ai centri abitati con alimentazione elettrica a largo raggio e quindi con interconnessioni a largo raggio; è del 1892 la prima linea ad Alta Tensione in Italia (RomaTivoli 75 kV a tensione stazionaria) parallela alla linea tranviaria a 550 V; da un lato si svilupparono le grandi macchine rotanti e statiche per la generazione, la trasmissione, la distribuzione e l’utilizzazione dell’energia elettrica, dall’altro si assestano in misura decisiva i modelli generali della Fisica Matematica, in particolare dell’Elettromagnetismo (James Clerk Maxwell, 1873) 1 Si potrebbero portare numerosissimi esempi; mi limiterò a citare – perché poco conosciuta – la vita di disagi di Michael Faraday (1791-1867), i cui studi e le cui intuizioni a tutto campo nel mondo della Chimica e della Fisica sono fondamentali e di attualissimo interesse. E’ forse più nota la vicenda politica di Benjamin Franklin che fu costretto – esule presso la Corte in agonia del Re di Francia – a proporre in inglese ed francese le sue idee scientifiche ed il suo laboratorio elettrico. 1 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale IV.1 Cenni di conversione elettromeccanica La conversione elettromeccanica si basa sulla espressione della forza di Lorentz: Fq qE v B 2 Se consideriamo una carica q in un conduttore filiforme perfetto (all’interno del quale in campo elettrico E=0), e supponiamo di muovere, con un’azione esterna, il conduttore stesso in un campo magnetico, ogni carica sarà soggetta a una forza ortogonale alla direzione del moto ed al campo magnetico (tale forza sarà nulla se il moto avviene lungo le linee del campo magnetico). Le cariche potranno muoversi nel volume occupato dal conduttore (immaginando per semplicità che non possano abbandonare lo stesso). Potremo quindi, a seconda dei casi, fare diverse considerazioni 1) Nel caso di una barretta rettilinea AB di conduttore che si muova di moto uniforme “trasversalmente” (cioè su un piano ortogonale) ad un campo magnetico B uniforme, tutte le particelle libere del conduttore sono soggette a forze che le spingono verso gli estremi, dove si accumuleranno fino al raggiungimento di una situazione di equilibrio tra il campo di repulsione coulombiano e il campo della forza di Lorentz. Nella situazione di fig.1 viene evidenziata la separazione delle cariche. Da notare esplicitamente che la forza di Lorentz agisce sulle cariche nel conduttore, mentre il campo coulombiano generato dalla separazione delle cariche può essere “sentito” e misurato in tutto lo spazio. Quindi si può valutare la tensione indotta B B F q t dl v B t dl lungo la barretta attraverso la misura della tensione q A A lungo un percorso esterno alla barretta B A Fq q t AB dl VAB AB , solidale con la stessa: B E t dl A, . Nell’intervallo di tempo dt la barretta AB avrà coperto una “superficie” di larghezza vdt, tagliando idealmente le linee di flusso di B. Per tale ragione si parla in gergo di tensione indotta da flusso tagliato: d tagliato dt d ( Bv dt ) LAB ; dt Fq +++++++++++++++ A +++++++++++++++ + +++++++++++++++ + v + +++++++++++++++ + +++++++++++++++ B +++++++++++++++ B +++++++++++++++ 2 B v B t dl vB LAB A B v + + + + + + + + + + + + In questa espressione non sono considerate forze di natura diversa (chimica, termica, ..) 2 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale Fig.1 Fig.2 2) Consideriamo ora (fig.2) una spira quadrata (percorso chiuso) immersa in un campo magnetico uniforme e ruotante con velocità angolare costante Ω ad es. in senso orario attorno ad un asse ortogonale al piano del foglio. Sulle cariche della spira agirà, a seconda del tratto della spira e della sua posizione, una forza di Lorentz variabile in modulo e verso; se la spira si trova in posizione “orizzontale”, la forza di Lorentz è nulla dappertutto in quanto v e B sono paralleli; in posizione verticale la forza è massima ed è diretta verso l’osservatore per i punti della porzione superiore della spira, in verso opposto nella porzione inferiore. Con forza di intensità variabile le cariche saranno quindi spinte a “circolare” nella spira 3. Il tutto è riconducibile alla valutazione della forza elettromotrice indotta (legge di Faraday-Neumann) Fq d Ei t dl q t dl dt . Infatti, quando il flusso Φ concatenato con la spira è massimo, la forza è nulla; nel tempo il flusso varia con legge cosinusoidale. La spira chiusa consente una migrazione di cariche, ossia una corrente elettrica che, con il riferimento fissato in fig.2, è positiva quando il flusso decresce, cioè per mezzo giro. In tale intervallo, il suo effetto è la creazione di un campo magnetico di “rinforzo”, ovverosia essa tende a “mantenere” il flusso concatenato. 3) Per avere ovunque ortogonalità tra campo di velocità e campo magnetico, si può modificare la distribuzione del campo magnetico avvolgendo la spira su supporto ferromagnetico e facendola ruotare in un traferro tra espansioni o “scarpe” polari magnetiche (Nord e Sud), sagomate in modo tale che il campo magnetico risulti praticamente radiale. In tal caso la forza di Lorentz risulta praticamente costante nel passaggio sotto una scarpa polare, inverte il senso passando sotto l’altra. I due lati ortogonali al foglio danno luogo ad una tensione indotta lungo il loro asse non nulla, per cui si dicono attivi; si sottolinea che sugli altri due lati la forza di Lorentz non è nulla, ma tensione lungo il loro asse è nulla. Questo è il principio di un possibile alternatore elettrico o generatore (trasforma energia meccanica in energia elettrica). 4) Se la spira ferma, con il riferimento fissato in fig.2, è interessata da una corrente di intensità i(t), possiamo immaginare che il campo di velocità sia quello di migrazione delle cariche all’interno del conduttore; quindi le stesse sono soggetta ad una forza ortogonale al conduttore attivo e quindi ad una 3 In realtà nei due tratti di spira ortogonali all’asse di rotazione le cariche sono spinte temporaneamente verso le pareti. 3 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale coppia motrice. Se la spira è libera di ruotare, si mette in movimento (principio del motore elettrico)4. 5) Se il campo B è un campo stazionario (di un magnete permanente o di un elettromagnete) ed i è costante, siamo nel caso del motore a corrente continua; 6) Se il campo B è variabile con legge sinusoidale, la corrente i(t) può essere ottenuta per induzione elettromagnetica; è possibile far sì da avere una coppia motrice significativa ed avremo il motore in corrente alternata; 7) Possiamo ottenere una corrente indotta in una spira libera di ruotare (rotore) attraverso un campo rotante (motore asincrono); per ottenere un campo rotante basta considerare l’effetto di tre solenoidi disposti simmetricamente (con assi a 120°) sulla periferia di uno statore (parte fissa della macchina), alimentati da una terna di correnti simmetriche (sfasate nel tempo di 120°) a pulsazione Ω. Ogni solenoide produce in ogni punto del traferro un campo sinusoidale a pulsazione Ω diretto lungo l’asse geometrico del solenoide (z1,z2,z3); tale campo può essere scomposto in due campi rotanti (diretto ed inverso) con velocità angolare +Ω e - Ω, di intensità costante pari alla metà del valore massimo del campo. Il contributo al campo del secondo solenoide può a sua volta essere scomposto un campo rotante diretto ed uno inverso, ma la posizione spaziale e del secondo avvolgimento e la fase della seconda corrente fanno sì che la componente diretta sia allineata alla prima e la componente inversa sia sfasata di 120° rispetto alla prima; ripetendo il discorso per il terzo solenoide si può riconoscere che le tre componenti dirette si sommano dando luogo ad un campo risultante di valore pari a 3/2 rispetto a quello del singolo avvolgimento, mentre le componenti inverse danno istante per istante somma nulla (in fig.3, la situazione per t=0). 8) Per quanto detto una terna di avvolgimenti disposti simmetricamente lungo la periferia interna dello statore, alimentata da una terna simmetrica di tensioni, equivale ad un magnete rotante (Nord-Sud) e pertanto viene definito coppia di poli. Se gli avvolgimenti non vengono distribuiti sull’intera circonferenza, ma su una parte 1/p dell’angolo giro, avrò una macchina a p coppie di poli. Disponendo in modo regolare gli avvolgimenti sulla periferia interna di statore, si avrà alternanza di poli Nord e poli Sud; il passo polare (differenza angolare tra due Nord consecutivi) è pari a 2π/p. La velocità di rotazione equivalente del campo rotante è ω=Ω/p e quindi la velocità di sincronismo della macchina è p volte più bassa (per p=1 e f=50 Hz la velocità è di 50 giri/s ossia 3000 giri al minuto, per p=4 la velocità è 750 giri al minuto). Sui due lati non attivi ha luogo una separazione di cariche che si attestano sulle pareti. Vi sono sonde di misura del campo magnetico che si basano su questo principio (effetto Hall). 4 4 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale 1z1 B1=BM cosΩt 1z1 B1i B1d Ω B3d -Ω Ω B2d B3=BM cos(Ωt+2π/3) 1z3 B1 B 2 B3 B1d B 2d B3d B3i B2i 3 BM 2 1z2 1z3 B2=BM cos(Ωt-2π/3) 1z2 fig.IV.3 IV.2 Cenni sulla macchina sincrona La macchina sincrona si presenta come in fig.IV.4: - sul rotore è generalmente installato l’induttore, che con il suo movimento può creare un campo magnetico rotante e quindi indurre tre tensioni simmetriche in tre avvolgimenti disposti simmetricamente sullo statore (generatore sincrono o alternatore); - l’induttore può essere a coppie di poli salienti o liscio: le coppie polari equivalenti sono ottenute mediante avvolgimenti avvolti su nuclei ferromagnetici ben evidenziati ed opportunamente sagomati, oppure con gruppi di spire paralleli disposte in cave di rotore, costituenti una sorta di solenoide corto; - sulla periferia interna dello statore (indotto) sono ricavate delle cave per l’alloggiamento dei conduttori di fase terminanti all’esterno; - l’induttore a poli salienti è sagomato in modo che il profilo del campo al traferro sia sinusoidale sul periodo pari a doppio del passo polare - sistemando lungo la periferia interna dello statore, in modo simmetrico, i conduttori di tre avvolgimenti, dal moto del rotore si può ottenere, a vuoto, una terna simmetrica di tensioni (funzionamento da alternatore sincrono trifase) . - alimentando gli avvolgimenti di statore con una terna simmetrica di correnti, possiamo avere il funzionamento da motore sincrono, in cui, fissata la frequenza di alimentazione, è fissato il numero di giri n=60f/p dove f è la frequenza di alimentazione e p il numero delle coppie polari; è molto meno diffuso del motore asincrono di cui nel seguito. Ovviamente il motore sincrono 5 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale va inizialmente portato a velocità molto prossima al sincronismo (ad esempio, viene fatto partire “a folle” come motore asincrono oppure a mezzo di un motore ausiliario di lancio). In fig.IV.5 è riportata la macchina a traferro “linearizzato”; si mette in evidenza la distanza lungo il traferro tra due espansione N-S adiacenti (semipasso polare τ) fig,IV.4 – Configurazione del rotore della macchina sincrona (induttore) a poli salienti (e: espansioni polari; n: nuclei ferromagnetici) e a “poli lisci”. fig,IV.4 – Configurazione del rotore della macchina sincrona (induttore) a poli salienti; è possibile sagomare le scarpe polari in modo da avere una forma sinusoidale del campo magnetico al traferro (induzione radiale). In fig. IV.5 è riportata la caratteristica d’indotto (valore efficace della tensione concatenata sui tre avvolgimenti di statore) in funzione della intensità di corrente di eccitazione che genera il campo di rotore; in realtà, a seconda del tipo di carico, si avranno intensità di corrente diverse per fase e quindi occorrerà considerare la composizione del campo di rotore con quello generato dall’indotto; per carico ohmico-induttivi la reazione d’indotto provoca una diminuzione del flusso per polo e quindi una diminuzione delle tensione ai morsetti; nel caso ohmicocapacitivo tale tensione aumenta. In fig.IV.6 si riporta qualitativamente la caratteristica “esterna” dell’alternatore, ovvero la variazione della tensione di uscita al variare dell’intensità della corrente erogata. Anche in questo caso si nota l’influenza del tipo di carico. Considerazioni 6 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale più circostanziate portano alla individuazione di un circuito equivalente all’alternatore ed alla definizione di una impedenza sincrona. fig.IV.5 Caratteristica di carico fig.IV.6 Caratteristica esterna IV.3 La macchina asincrona (vedasi per file a parte sulla macchina asincrona) - Campo rotante creato dalle correnti di statore di pulsazione ω con p terne di bobine (coppie polari) s p s r : s=1 : rotore fermo; s=0 : rotore s al sincronismo ; s<0 : rotore lanciato oltre il sincronismo; s>1 : rotore fatto girare in senso opposto al campo rotante - Scorrimento tra campo rotante e rotore s - Funzionamento da motore (s compreso tra 0 e 1) oppure da generatore (s<0 o s>1) - A rotore bloccato, rete equivalente simile a quella di un trasformatore - A rotore in moto, rete equivalente riferita alle grandezze di statore a pulsazione (ω) diversa da quella di rotore (s ω) 7 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale I 2s E2 s R22 ( sL2 d ) sE2 R22 ( sL2 d ) 2 E2 2 R2 2 ( X 2d ) s R2 1 s R2 R2 s s Bilancio energetico P1 PCu1 PFe1 Ps PCu 2 1 s 2 Ps PFe2 PCu 2 Pm R2 I 22 R2 I2 s sPs ; Pm (1 s ) Ps rendimento di conversion e 2 Pm 1 s snom 0.05 Ps 8 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale CARATTERISTICHE MECCANICHE Coppia motrice 1 s 2 R2 I 2 Pm Pm spE 22 sR2V12 s R2 1 Cm 2 2 2 2 r s (1 s) R ( sX ) R2 ( sX 2 d ) 2 2 d (1 s) p R2 V12 dC 2 2 0 R2 R2 ( sX 2 d ) sR2 2 X 2 d ( sX 2 d ) 0 s M s* CM 2 ds X 2d L2 d - Per l’avviamento possiamo considerare una variazione di R2 (avviamento reostatico) o una variazione della reattanza di dispersione (motore a doppia gabbia). La regolazione di velocità non è ampia; possiamo considerare variazioni limitate dello scorrimento. Altrimenti occorrerà variare il numero delle coppie polari. 9 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale Motore asincrono monofase Si costruisce un secondo avvolgimento interessato da corrente sfasata rispetto alla corrente dell’avvolgimento principale. In questo modo si potrà creare un campo rotante sufficiente a far avviare il rotore che sarà soggetto ad una coppia significativa. Basterà quindi creare un circuito ausiliario prevalentemente capacitivo (condensatore di avviamento). Per piccole potenze. 10 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale IV.4 Cenni sulla macchina a corrente continua (in preparazione) Principio della commutazione - Collettore Tensione unidirezionale Tensione risultante Flessibilità nel funzionamento da generatore (dinamo) e/o da motore Reazione d’armatura Flessibilità dei sistemi di eccitazione: indipendente, parallelo, serie Flessibilità della caratteristica meccanica Svantaggi 11 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale IV.5 Cenni sui convertitori (elettronica di potenza) IV.5.1 Circuiti raddrizzatori Tra i bipoli fondamentali si è già accennato (§I.17) al diodo ideale e reale5 (fig.IV.5.1): si hanno fenomeni significativi di conduzione (con caratteristica non lineare) se la tensione tra anodo A è catodo C è positiva (tratto © di “conduzione”), non si hanno praticamente fenomeni di conduzione se tale tensione è negativa (tratto ® di “interdizione”, a meno di non raggiungere valori di tensione eccessivi che determinano il collasso (breakdown) del componente) . A VAC anodo vAC i I diodo reale diodo ideale © I VAC catodo C + e(t) vu ® fig.IV.5.1 fig.IV.5.2 La caratteristica è fortemente asimmetrica; quindi, imponendo una tensione vAC variabile (ad esempio sinusoidale) , l’intensità di corrente risulterà fortemente distorta e viceversa. Se si alimenta con un generatore sinusoidale una serie diodoresistore (fig.IV.5.2), la caratteristica di fig. IV.5.1 andrà confrontata con quella del bipolo “visto” dal diodo v AC t e(t ) Ru i i e(t ) v AC (t ) (IV.5.1) R Tale caratteristica è una retta che intercetta la zona di conduzione se e(t)>0, quella di interdizione se e(t)<0 (fig. IV.5.3) 5 Un diodo reale viene realizzato attraverso una “giunzione P-N” di due strati di un materiale tetravalente puro, semiconduttore intrinseco come il Silicio, uno drogato con materiale trivalente (come il boro) che quindi rende lo strato ricco di “lacune elettroniche” (P è l’anodo) e l’altro drogato con materiale pentavalente (quale l’antimonio) che quindi rende lo strato ricco di elettroni disponibili per la conduzione (N è il catodo). Applicando una tensione positiva si avrà una agevole migrazione o diffusione di elettroni verso l’anodo e “lacune” verso il catodo; la migrazione inversa è evidentemente molto difficile. 12 Ru Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale VAC v AC t e(t ) Ru i diodo reale diodo ideale © vu t I e ® fig.IV.5.3 fig.IV.5.4 La tensione sul diodo risulterà trascurabile se e(t)>0, per cui la tensione sul resistore v2 risulterà praticamente coincidente con e(t); se e(t) è minore di zero, risulterà invece piccola l’intensità di corrente e quindi trascurabile la v2 (fig.IV.5.4, raddrizzamento ad una semionda). La tensione di uscita risulta quindi periodica con lo stesso periodo della e(t) – se questa è periodica -, ma con un valore medio significativo; nel caso e(t) sia sinusoidale di valore massimo EM e periodo T 1 V* T t1 T 1 v t dt E AC M 0,318 EM t1 Anche l’intensità di corrente presenterà quindi un valore medio non nullo. Nel caso (frequente) in cui la e(t) sia fornita attraverso un trasformatore su ferro (fig.IV.5.5), questa circostanza potrebbe comportare saturazione del ferro e conseguente cattivo funzionamento del trasformatore. Per tensioni non elevate si può ricorrere ad una alimentazione “doppia” del resistore Ru considerando un trasformatore con secondario a presa centrale (fig.IV.5.6), circuito a doppia semionda). Le due tensioni v2 e v2* sono di uguale ampiezza ed in opposizione di fase; a vuoto (Ru infinita) le correnti al secondario sono praticamente nulle perché i due diodi sono in antiserie; per R finita,, il diodo D conduce per il semiperiodo in cui v è positiva (mentre v* è negativa e quindi il diodo D* interdetto); per l’altro semiperiodo D* conduce e D è interdetto. In tale caso, a parità di valore massimo EM della tensione di alimentazione il valore medio nel periodo T raddoppia V* 1 T t1 T 2 v t dt E AC M 0,636 EM ; t1 13 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale Tale valore risulta abbastanza prossimo al valore efficace della tensione di ingresso sinusoidale (=0,707 EM) (fig.IV.5.7) vAC i vAC i + e=v 2 D e=v2 + v Ru vu Ru u v2* D* fig.IV.5.5 fig.IV.5.6 vu t v*2 v2 fig.IV.5.7 Con questa soluzione si avranno correnti a valor medio non nullo nei due avvolgimenti, significative in semiperiodi diversi; con opportune disposizioni (ravvicinate) dei due avvolgimenti si potrà creare un campo magnetico praticamente alternativo dovunque. Per tensioni più elevate si potrà utilizzare il circuito di fig. IV.5.8 (ponte di Graetz) con unico avvolgimento interessato da correnti alternative 14 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale + e=v2 Ru vu fig. IV.5.8 Una versione polifase del circuito ad una semionda è presentata in fig.IV.5.9; la tensione sul carico è rappresentata in fig. IV.5.10 nel caso trifase. Come si nota, all’aumentare del numero delle fasi il valore medio della tensione di uscita diventa sempre più prossima al valore massimo e si riduce sempre più il fattore di ondulazione. + e1(t) 1 i1(t) i2(t) + e2(t) 2 0 i3(t) + e3(t) vu Fig. IV.5.9 v u e3 t e1 e2 Fig.IV.5.10 15 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale IV.5.2 Tiristori o SCR (Silicon Controlled Rectifier) – Il TRIAC (triode for alternating current) Il tiristore o SCR è un diodo controllato. La effettiva conduzione del diodo, se ammessa, avviene solo se si invia un opportuno comando (anche un “impulso”) di tensione sul terminale di controllo (gate G) (fig.IV.5.11) VAC A SCR reale © VAC I anodo catodo G gate SCR ideale I C ® fig.IV.5.11- Caratteristica di un tiristore Il tiristore si comporta quindi come un interruttore a stato solido (in chiusura); inoltre esso si interdice se l’intensitàC di corrente scende al disotto di un valore di soglia; in caso di grandezze variabili, si interdice sempre (e non si riaccende fino ad un nuovo comando sull’elettrodo di controllo) se la intensità di corrente passa per lo zero. Il tempo di “accensione” è di 1-4 μs, quello di “spegnimento” di 10-25 μs 16 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale Il TRIAC è costituito sostanzialmente da due SCR in antiparallelo, che hanno l’elettrodo di controllo in comune. La conduzione può essere attivata sia per tensioni positive che negative (con impulsi positivi e negativi). In fig. IV.5.12 è rappresentata la caratteristica reale e quella ideale A I VAC VGC G C vAC VAC TRIAC reale TRIAC ideale I VGC ® fig.IV.5.12- Caratteristica di un triac Come si vede si possono parzializzare i fenomeni di conduzione; il triac quindi può funzionare come un regolatore di corrente alternata. Per elevate correnti e tensioni si preferisce usare due tiristori separati in antiparallelo, per meglio dissipare le perdite sul componente. Costruttivamente il tiristore è costituito da un quadruplo strato di semiconduttori p-n-p-n (fig. IV.5.13), con l'anodo collegato allo stato p esterno, il catodo allo strato n esterno ed il gate al p intermedio. L’iniezione di elettroni attraverso l’elettrodo di controllo consente la conduzione anche attraverso la giunzione inversa. 17 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale fig.IV.5.13 L'impiego tipico si ha nei raddrizzatori di tensione controllabili, in grado di fornire tensioni continue regolabili da una tensione alternata fissa. Altri impieghi si hanno negli inverter e nei convertitori di tensione alternata. Il circuito di innesco degli SCR fa si che questo si trova in ritardo rispetto alla tensione anodo-catodo; questo provoca un frazionamento della tensione raddrizzata (il cosiddetto Controllo di fase).. Altri fondamentali componenti dei circuiti di potenza sono alcuni tipi di transistori. Nel caso di tali componenti (funzionalmente simili a quelli impiegati nei circuiti elettronici di segnale) si è in presenza di giunzioni multiple PNP o NPN in cui i due strati esterni sono indicati come emettitore e collettore, lo strato centrale (base) regola il meccanismo di conduzione collettore-emettitore. Si rinvia ad altra occasione la descrizione del funzionamento dei transistori di segnale e di potenza. Tra questi ultimi preme tuttavia, segnalare gli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) di recentissima introduzione per le applicazioni nel campo della trazione ferroviaria, interessati da correnti di intensità superiori a 1000 A e tensioni superiori a 6000 V (fig. IV.5.14) fig. IV.5.14 – IGBT 18 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale IV.6 La propulsione elettrica navale L’impiego delle tecnologie elettriche non è nuovo nella catena di propulsione delle navi essendo noti fin dall’inizio del secolo scorso i vantaggi in termini di efficienza e manutenzione di soluzioni elettriche alternative al tradizionale riduttore meccanico per ricondurre la velocità di rotazione dei motori diesel o a turbina al più basso numero di giri delle eliche. L’introduzione dei convertitori elettronici ed in generale dei componenti elettronici di potenza ha consentito soluzioni “ad hoc” di sistema a bordo delle navi. Vengono adottate soluzioni “miste” (sistemi diesel-elettrici) o “integrali” (AES, “all electric ships”). L’impiego integrale delle tecnologie elettriche dell’impiantistica di bordo assicura importanti vantaggi, quali incremento del comfort a bordo per la riduzione di vibrazioni e rumore, maggiore spazio a disposizione, superiori prestazioni dinamiche della nave (ivi compresa la regolazione della velocità, il controllo locale e generale, i sistemi di registrazione ed allarme, la gestione di emergenze), riduzione di consumi ed emissioni, integrazione tecnologica e di automazione, manutenzione meno onerosa. Il campo di applicazione della propulsione elettrica navale è stato sicuramente quello delle navi di grande taglia (6), con particolare riguardo alle navi da crociera che negli ultimi anni hanno assunto dimensioni impensabilmente elevate. Le positive esperienze in termini di prestazioni, sicurezza e comfort stanno favorendo un rapido processo di trasferimento di tali soluzioni innovative ad altri comparti della navigazione commerciale e militare. Risulta oggi sempre più frequente il ricorso ad un sistema elettrico,in cui la potenza elettrica necessaria a bordo viene fornita da una centrale di generazione che alimenta i diversi carichi, propulsori compresi,attraverso un unico schema di distribuzione. Precedentemente, Ad esempio a bordo della nave da crociera “Costa Fortuna” (varata nel 2004) è installato un sistema di generazione della ABB –Asea Brown Boveri, comprendente 6 alternatori per complessivi 90 MVA; esso è collegati ad un quadro di distribuzione in media tensione da 6,6 kV, per alimentare i servizi di hotel e di propulsione della nave. La propulsione è realizzata con due motori elettrici sincroni ciascuno da 20 MW di potenza a 140 giri, in grado di conferire all’unità una velocità di 23 nodi. Il numero di giri dei motori elettrici viene controllato da azionamenti statici a frequenza variabile (cicloconvertitori) che consentono una regolazione accurata nell’intera gamma di velocità, sia in marcia avanti che indietro. La nave Queen Mary con i suoi 86 MW di propulsione elettrica su quattro eliche e 112 MVA di alternatori detiene allo stato (2010) il primato quanto a potenze elettriche installate. La propulsione è stata adottata anche su navi traghetto, navi oceanografiche, posacavi/tubi, navi rompighiaccio. 6 19 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale i blocchi dei motori e della trasmissione erano separati dai servizi ausiliari per l’illuminazione e impianti elevatori e dal servizio elettrico per cucine ed accoglienza alberghiera. Ne risulta una maggiore efficienza strutturale complessiva dovuta alla possibilità di regolare il regime dei generatori all’andamento dei carichi elettrici. Le moderne navi “all-electric” in servizio o in costruzione forniscono già elevati standard di qualità e sicurezza che comunque vanno sempre migliorando nelle nuove unità in fase di progetto attraverso l’ulteriore implementazione di tecniche avanzate e di tecnologie innovative. Particolare attenzione e sviluppo hanno riguardato i processori di controllo, la rete informatica di gestione, i problemi legati ad disturbi elettromagnetici di origine interna ed esterna (“compatibilità elettromagnetica”), la diagnostica e l’affidabilità dei componenti e dei sistemi, l’ esercizio in sicurezza. IV.6.1 Sistemi per la produzione di energia elettrica a bordo di navi. Ogni nave è dotata di impianto autonomo in grado di produrre l’energia elettrica richiesta durante la navigazione e in manovra. Può essere tuttavia prevista alimentazione da terra durante la permanenza in porto, anche per limitare al massimo i prodotti di combustione. Fino agli anni 70 gli impianti di propulsione erano costituiti o da turbine a vapore o da motori diesel a due o a quattro tempi; l’alimentazione elettrica veniva fornita a mezzo di turboalternatori di adeguata potenza alimentati da vapore delle stesse caratteristiche termodinamiche del vapore che alimentava la turbina principale di propulsione. I turboalternatori dovevano essere affiancati da uno o più diesel alternatori detti comunemente “gen-sets” che provvedevano a soddisfare le esigenze di energia elettrica quando era limitata la disponibilità di vapore, e cioè quando la nave è in porto a motore di propulsione fermo (fig.IV.6.1.1) Dopo gli anni ’70 la propulsione navale tradizionale ebbe un crollo a vantaggio dei motori diesel e agli inizi degli anni ’80, per la riduzione dei costi di esercizio della nave si passò agli impianti detti “unifuel”. Sulle navi dotate di motori a due tempi, fu introdotto il concetto di generatore-asse azionando direttamente il generatore per mezzo del 20 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale motore di propulsione. Tra le possibili soluzioni si prevedeva l’alternatore rotante alla stessa velocità dell’elica quando il generatore è inserito lungo la linea d’assi o all’estremità del motore opposta a quella che aziona l’albero portaelica. Per una disposizione diversa si prevede un moltiplicatore di giri per far ruotare il generatore asse ad una velocità di rotazione superiore a quella dell’elica. Altre soluzioni (meccaniche o elettroniche) consentono di “scollegare” la rotazione dell’alternatore da quella dell’elica. fig.IV.6.1.1 Schema di impianto per la produzione di energia elettrica a bordo mediante generatore asse a numero di giri costante: 1 motore principale di propulsione, 2 generatore – asse, 3 gen-sets IV.6.2 Propulsione elettrica Il motore principale della nave può azionare un generatore elettrico che comanda un motore elettrico di propulsione. I primi impianti furono realizzati in “corrente continua” (dinamo); tale tipo viene ancora oggi impiegato in impianti particolari per la elasticità di regolazione di tali motori(7). La propulsione in “corrente alternata” si è diffusa per i vantaggi dell’alternatore sulla dinamo; inoltre, per gli sviluppi riscontrati nel campo dell’elettronica di potenza si è passati dall’uso motore asincrono al motore sincrono per potenza superiori a 10 MW. Le moderne navi da crociera sono a propulsione elettrica con due assi azionati da motori sincroni a tensione elevata (tipicamente 6-11 kV) ed eliche a pale orientabili o fisse a seconda del tipo di convertitore statico adottato oppure con propulsori di tipo azimutale (“azipod”). (7) in alcuni casi (ad. es. sommergibili) l’energia elettrica viene fornita da batterie di accumulatori di notevoli dimensioni, a loro volta ricaricati a mezzo di gruppi elettrogeni. 21 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale Nella fig.IV.6.1.2 è presentato uno schema semplificato unifilare di una centrale per la propulsione elettrica per nave da crociera d) b) e) a) c) a) fig.IV.6.1.2. Schema generale di propulsione elettrica: a) alternatori collegati a motori diesel, b) sbarra a 6 kV , c) Motore di propulsione alimentato alla tensione di 3 kV, d) Gruppi di condizionamento ed eliche di manovra, e) alimentazione dei carichi essenziali (macchina del timone, servizi generali, pompe dei circuiti di raffreddamento del motore, .), circuiti luce. La potenza richiesta dalla propulsione elettrica comporta una radicale rivisitazione dell’impianto elettrico di bordo, il quale deve assicurare le necessarie capacità di generazione, regolazione e distribuzione dell’energia elettrica a tutti gli utilizzatori. La suddetta architettura di tipo “tutto elettrico” AES è fondata sul cosiddetto sistema elettrico integrato (IPS Integrated Power System). L’IPS racchiude la centrale elettrica di bordo, basata sull’insieme di generatori connessi ad una sbarra principale: da essa vengono alimentati, direttamente oppure tramite trasformatori o convertitori elettronici, tutti i carichi di bordo. 22 Anno Accademico 2010/2011 – CdL in Ingegneria Navale I vantaggi offerti dal sistema AES sono notevoli: basti pensare alle superiori dinamiche dei motori elettrici rispetto ai diesel; la possibilità (avendo eliminato il vincolo della linea d’asse) di allocare pesi ed ingombri in modo più razionale (offrendo un’elevata flessibilità in termini di compartimentazione degli spazi e quindi di continuità del servizio in caso di guasti) la riduzione dei fumi e dei consumi di combustibile dovute alla possibilità di modulare il numero di motori primi (termici) in servizio al fine di esercirli nell’intorno del punto di minimo consumo specifico; la conseguente riduzione di manutenzione ed il prolungamento della vita operativa del macchinario; maggior comfort dovuta alle assenze di vibrazioni; l’utilizzo di supporti rotanti fuoribordo per alloggiare i motori elettrici (con il conseguente recupero di spazi a bordo della nave); l’eliminazione del timone dei relativi attuatori e una manovrabilità di gran lunga superiore rispetto ai timoni tradizionali;l’elevato grado di automazione degli apparati elettrici di centrale e di regolazione del moto dell’elica con conseguente riduzione del personale addetto fig.IV.6.1.3 La fig. IV.6.1.3 rappresenta il layout dell’impianto in MT dell’IPS di una tipica nave da crociera (si nota la doppia sbarra a 11 kV, due trasformatori di servizio hotel, 2x2 macchine di condizionamento, 2x2 macchine per la spinta direzionale bow thruster, due motori da 17.4 MW per la propulsione, alimentati ciascuno tramite un cicloconvertitore8). . 8 Trattasi di un sistema trifase raddrizzatore-inverter per conversione di tensione sinusoidale a frequenza ed ampiezza fissa in tensione sinusoidale a frequenza ed ampiezza variabile. 23
