CAP.IV TRASFORMAZIONE E CONVERSIONE

Anno Accademico 2011/2012– CdL in Ingegneria Meccanica - (M-Z) – Ing, Navale
CAP.IV
TRASFORMAZIONE E CONVERSIONE DELL’ENERGIA
ELETTRICA
(Bozza-III parte)
IV.8 FONDAMENTI DI ELETTRONICA DI POTENZA
IV.8.1 Circuiti raddrizzatori
Tra i bipoli fondamentali si è già accennato (§I.17) al diodo ideale e
reale1 (fig.IV.8.1): 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
(breadown) del componente) .
A
VAC
anodo
vAC
i
I
diodo reale
©
VAC
catodo
+ e(t)
vu
diodo ideale
I
C
®
fig.IV.8.1
fig.IV.8.2
1
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.
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Ru
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La caratteristica è fortemente asimmetrica; quindi, imponendo una tensione vAC
variabile (ad esempio sinuoidale) , l’intensità di corrente risulterà fortemente distorta
e viceversa. Se si alimenta con un generatore sinusoidale una serie diodo-resistore
(fig.IV.8.2), la caratteristica di fig. IV.8.1 andrà confrontata con quella del bipolo
“visto” dal diodo
v AC (t ) = e(t ) - Ru i ® i =
e(t ) - v AC (t )
(IV.6.1)
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.8.3)
VAC
v AC (t ) = e(t ) - Ru i
diodo reale
diodo ideale
©
v2
t
I
e
®
fig.IV.8.3
fig.IV.8.4
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.8.4, 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
ò v (t ) dt @ p 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
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alimentazione “doppia” del resistore Ru considerando un trasformatore con
secondario a presa centrale (fig.IV.8.6), 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
ò v (t ) dt @ p E
AC
M
= 0,636 EM ;
t1
Tale valore risulta abbastanza prossimo al valore efficace della tensione di ingresso
sinusoidale (=0,707 EM) (fig.IV.8.7)
vAC
i
vAC
i
+
e=v
2
D
e=v2
+
vu
Ru
vu
Ru
v2*
D*
fig.IV.8.5
fig.IV.8.6
vu
t
v*2
v2
fig.IV.8.7
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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.8\.8 (ponte
di Graetz) con unico avvolgimento interessato da correnti alternative
+
e=v2
Ru
vu
fig. IV.6.8
Una versione polifase del circuito ad una semionda è presentata in
fig.IV.8.9; la tensione sul carico è rappresentata in fig. IV.8.10 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.6.9
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v
e3
t
e1
e2
Fig.IV.6.10
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IV.8.2 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.8.11)
VAC
A
SCR reale
©
VAC
I
anodo
catodo
G gate
SCR ideale
C
I
®
fig.IV.8.11- Caratteristica di un tiristore
Il tiristore si comporta quindi come un interruttore a stato solido (in
chiusura); inoltre esso si interdice se l’intensità 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
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.8.12 è rappresentata la caratteristica reale e quella
ideale
A
I
VAC
VGC
G
C
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vAC
VAC
TRIAC reale
©
TRIAC ideale I
VGC
®
fig.IV.6.12- Caratteristica di un triac
Come si vede si possono parzializzare i fenomeni di conduzione; il triac
quindi può funzionare come un regolatore di corrente sinusoidale
(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.8.13), con l'anodo collegato allo
stato p esterno, il catodo allo strato n opposto ed il gate al p intermedio.
L’iniezione di elettroni attraverso l’elettrodo di controllo consente la
conduzione anche attraverso la giunzione inversa.
fig.IV.8.13
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
Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.7
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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.8.14)
fig. IV.8.14 – IGBT
IV.8.3 La propulsione elettrica navale (obbligatorio per allievi navali)
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
Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.8
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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 (2), 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,
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
2
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.
Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.9
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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.8.3.1 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.8.3.1)
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
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
Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.10
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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.8.3.1
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.8.3.2 Propulsione navale 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(3). 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
(3) 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.
Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.11
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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”).
Nella fig.IV.8.3.2 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.8.3.2.
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
Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.12
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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.
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
Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.13
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fig.IV.8.3.3
La fig. IV.8.3.3 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 cicloconvertitore4).
4
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.
Cap. IV – Trasformazione e conversione dell’energia elettrica III parte - pag.14