Definizione della tipologia e della disposizione dei principali

CNR-ISSIA u.o.s. di Palermo
Istituto di Studi sui Sistemi Intelligenti per l'Automazione
Via Dante, 12 - 90141 Palermo (Italy)
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Rapporto tecnico n. 415 anno 2013
Definizione della tipologia e della disposizione dei principali sistemi
suscettori in ambito marittimo
Autori:
M.C. Di Piazza, G. Giglia, M. Luna, A. Sauro, G. Scordato, G. Vitale
“Esemplare fuori commercio per il deposito legale agli effetti della Legge 15 aprile 2004, n. 106”
Gli autori sono i soli responsabili del contenuto di questo rapporto tecnico
Data di creazione: 01 Aprile 2013
Prima distribuzione al pubblico e deposito legale: 13 Giugno 2013
C.F. 80054330586
P.I. 02118311006
Sede legale: Via G. Amendola 122/D-I – 70126 Bari (Italy) Tel. +39 080 5929429 Fax +39 080 5929460
Indice
INTRODUZIONE
5
ORGANIZZAZIONE DEL DOCUMENTO
6
1
GENERALITÀ SUI SISTEMI ELETTRICI NAVALI
7
2
RETI DI DISTRIBUZIONE DEI SISTEMI ELETTRICI DI BORDO
9
3
SISTEMI DI DISTRIBUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA A BORDO
10
4
CONSUMO ELETTRICO A BORDO
13
5
ALIMENTAZIONE DEI CARICHI A DIVERSE TENSIONI (DC E AC) E FREQUENZE (50, 60 E 400 HZ)
15
6
EMC: CONCETTI GENERALI E DEFINIZIONI
17
7
QUADRO NORMATIVO
21
8
SUSCETTIVITÀ CONDOTTA
24
8.1
ESEMPIO DI PROVA DI SUSCETTIVITÀ A SCARICA ELETTROSTATICA SU UN AZIONAMENTO ELETTRICO
9
SISTEMI UTILIZZATI
DISPOSITIVI
PER
L’INCREMENTO
10
SUSCETTORI EMI IN AMBITO MARITTIMO
31
11
CONCLUSIONI, PROBLEMATICHE APERTE E SVILUPPI FUTURI
32
Bibliografia
DELL’IMMUNITÀ
ELETTROMAGNETICA
30
28
DEI
33
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Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 415 – 2013
2
Executive summary
La tendenza attuale ad implementare nelle imbarcazioni il concetto MEV (More Electric Vehicles),
ossia l’incremento di carichi elettrici a bordo e la sostituzione di sistemi idraulici/meccanici con
sistemi elettrici, pone nuove problematiche di compatibilità elettromagnetica (EMC,
ElectroMagnetic Compatibility), legate in primo luogo all’incremento dell’elettronica di potenza a
bordo. Tali problematiche devono essere affrontate sin dalle prime fasi di progetto dell’impianto
elettrico per garantire i requisiti di sicurezza e affidabilità delle imbarcazioni. Il rispetto dei limiti
imposti dalle norme sulle emissioni è una necessità assoluta per poter immettere in commercio
un’apparecchiatura elettrica/elettronica. Tuttavia, non è sufficiente dal punto di vista della
compatibilità elettromagnetica essere in grado di progettare un prodotto che soddisfi unicamente i
limiti sull’emissione. Infatti, se un prodotto presenta una suscettività ai disturbi esterni, le
prestazioni dello stesso non saranno comunque affidabili.
Per introdurre il problema della suscettività su sistemi per applicazioni marittime, in questo
rapporto tecnico, sono fornite in primo luogo le generalità sui sistemi elettrici navali. Con
riferimento ai problemi di compatibilità elettromagnetica dei sistemi elettrici/elettronici utilizzati a
bordo, vengono approfonditi gli aspetti della suscettività condotta. In particolare, dopo aver
presentato un quadro riassuntivo sulla normativa di riferimento in questo ambito, si propone la
descrizione di un semplice modello per la previsione delle tensioni terminali indotte da un campo
elettromagnetico incidente su una linea e si presenta l’esempio di una prova effettuata in
laboratorio di suscettività a scarica elettrostatica su un azionamento elettrico con motore asincrono
ed inverter PWM. Vengono presentati alcuni dei sistemi utilizzati per incrementare l’immunità
elettromagnetica dei dispositivi. Infine si individuano i principali suscettori di interferenze EMI in un
peschereccio indicando la relativa collocazione a bordo.
Dallo studio dello stato dell’arte sulla tipologia e disposizione dei principali sistemi suscettori in
ambito marittimo si evince che tale tematica ha ancora ampi margini di approfondimento rispetto a
quanto proposto nella letteratura tecnica. In particolare, per poter analizzare adeguatamente le
problematiche legate alla suscettività elettromagnetica in ambito marittimo, è necessario fare
un’attenta analisi dei carichi a bordo delle imbarcazioni, il cui funzionamento può essere alterato
dalle interferenze elettromagnetiche, ed analizzare quali siano i provvedimenti da adottare per
limitare la presenza dei disturbi irradiati e dei disturbi condotti ovvero:
- Sopprimere o limitare efficacemente l’emissione della sorgente attraverso l’utilizzo di: filtri e
schermi.
- Rendere il fenomeno di accoppiamento il meno efficace possibile;
- Rendere l’elemento influenzato meno suscettibile al disturbo, mediante l’utilizzo di: filtri, schermi
e/o dispositivi di protezione dalle sovratensioni.
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3
Executive summary
The current trend to implement the concept MEV (More Electric Vehicles) in the boats, namely the
increase of electrical loads on board and the replacement of hydraulic/mechanical systems with
electrical systems, leads to the arise of new problems of electromagnetic compatibility (EMC,
ElectroMagnetic Compatibility), related primarily to the increase of power electronics on board.
These issues must be considered at the very early stage of the electrical system project to ensure
the safety and reliability requirements of the boats. Compliance with the limits imposed by the
emission standards is an absolute necessity to allow electrical/electronic to be commercialized.
However, it is not sufficient to design a product meeting emission limits alone. As a matter of fact, if
a product has a susceptibility to external noise, its the performance will not be reliable anyway.
In ordr to introduce the problem on susceptibility for maritime applications, in this technical report
general information about naval electrical systems are provided firstly. With regard to the problems
of electromagnetic compatibility of electrical/electronic systems used on board, conducted
susceptibility aspects are detailed. In particular, after presenting a summary of reference standards
in this area, it proposes a description of a simple model for predicting the terminal voltages induced
by an incident electromagnetic field on a line and presents an example of a laboratory test of
electrostatic discharge susceptibility on an electrical drive with asynchronous motor and PWM
inverter. Then the report introduces some of the systems used to improve the electromagnetic
immunity of the devices. Finally, the main susceptors to ElectroMagnetic Interference (EMI) into a
vessel are identified along with their location on board.
From the state-of-the-art study it is possible to assess that these issues still has wide margins of
deepening. In particular, in order to properly analyse the electromagnetic susceptibility in maritime
field, it is necessary to make a careful analysis of loads on board of vessels, whose behavior can
be affected by electromagnetic interference, and to evaluate the more suitable measures to limit
irradiated and conducted disturbances as follows:
-By suppressing or effectively limiting the disturbance at the emission source through the use of
filters and screens.
-By acting on the the phenomenon of coupling;
-By making the affected element less susceptible to noise, using filters, screens and/or overvoltage
protection devices.
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4
Introduzione
L’utilizzo di convertitori elettronici di potenza in ambito marittimo rende possibile un notevole
miglioramento in termini di aumento della potenza a bordo dei natanti, di automazione dei
processi, di risparmio energetico e sfruttamento di sorgenti rinnovabili. Per questo motivo la
tendenza attuale è quella di realizzare nuove architetture elettriche nelle imbarcazioni
incrementando l’uso di sistemi di conversione statica a bordo. Tale approccio è noto in letteratura
come More Electric Vehicles (MEV). La messa a punto dei natanti secondo il concetto MEV
semplifica l’uso a bordo di carichi ad elevata potenza e prevede l’introduzione di circuiti elettronici
di potenza allo scopo di ottimizzare l’economia di carburante, le emissioni ambientali, le prestazioni
e l’affidabilità.
L’introduzione dei convertitori elettronici di potenza nell’impianto elettrico dell’imbarcazione,
insieme a nuovi dispositivi elettrici, pone problematiche di compatibilità elettromagnetica (EMC,
ElectroMagnetic Compatibility) che devono essere affrontate sin dalle prime fasi di progetto
dell’impianto elettrico di bordo per garantire i requisiti di sicurezza e affidabilità.
L’analisi delle interazioni elettromagnetiche in ambiente marittimo è un’attività di notevole interesse
poiché consente di individuare i criteri di progetto delle nuove architetture elettriche per
imbarcazioni che minimizzino le problematiche legate alle emissioni elettromagnetiche e di
individuare le più adeguate tecniche di attenuazione dei disturbi. Una volta effettuato lo studio e
modellazione delle emissioni elettromagnetiche (EMI) generate dai sistemi per la conversione di
energia installati a bordo e sviluppati i sistemi di filtraggio attivo e passivo per la minimizzazione
delle emissioni elettromagnetiche alla sorgente o sul canale di accoppiamento, occorre valutare la
suscettività residua degli apparati sensibili di bordo e provvedere all’abbattimento dei disturbi su
tali apparati ovvero all’incremento della relativa immunità elettromagnetica.
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5
Organizzazione del documento
Il presente documento è articolato in undici paragrafi.
Nel primo paragrafo sono fornite delle generalità sui sistemi elettrici navali per comprendere quali
siano gli aspetti da considerare per la progettazione di un impianto elettrico per imbarcazioni.
Nel secondo paragrafo si descrive la configurazione della rete di distribuzione primaria e
secondaria dei sistemi elettrici di bordo.
Nel terzo paragrafo si focalizza l’attenzione sui livelli di frequenza e tensione e sulla corrente
continua e alternata utilizzati a bordo.
Il paragrafo 4 descrive la procedura per il calcolo del Bilancio Elettrico, strumento per progettare,
realizzare e gestire l’impianto elettrico della nave dal punto di vista del consumo di potenza delle
utenze a bordo.
Nel paragrafo 5 viene motivata la presenza, a bordo di una imbarcazione, di convertitori ac-dc, dcdc e dc-ac, necessari per fornire i diversi livelli di frequenza e tensione per l’alimentazione dei
carichi elettrici a bordo.
L’introduzione dei convertitori elettronici di potenza nell’impianto elettrico dell’imbarcazione pone
problematiche di compatibilità elettromagnetica (EMC, ElectroMagnetic Compatibility); il paragrafo
6 descrive i concetti generali sulla compatibilità elettromagnetica.
Il paragrafo 7 delinea il quadro normativo sull’immunità elettromagnetica con riferimento alle norme
di base che contengono la descrizione delle configurazioni di prova, le caratteristiche della
strumentazione e le prescrizioni sui metodi di misura. Tra le norme di prodotto si fa riferimento alla
norma tecnica CISPR 25 IEC, elaborata per proteggere i ricevitori dai disturbi dovuti a emissioni
irradiate e condotte generate in un veicolo.
Nel paragrafo 8 sono descritti due casi di suscettività condotta dovuta a disturbi esterni ovvero
campi irradiati da trasmettitori radio e radar o a transitori indotti da fulmini o scariche
elettrostatiche; in particolare si presenta l’esempio di una prova di suscettività a scarica
elettrostatica su un azionamento elettrico con motore asincrono ed inverter PWM.
Nel paragrafo 9 si fa un accenno ai sistemi utilizzati per incrementare l’immunità elettromagnetica
dei dispositivi in particolare sulla schermatura dei cavi che permette di proteggere
l’apparecchiatura disturbata dai campi esterni, impedendo alle radiazioni di penetrare all’interno
dello schermo e interagire con l’apparecchiatura stessa.
Nel paragrafo 10 sono elencati i principali suscettori di interferenze EMI in un peschereccio
indicando la relativa collocazione a bordo.
Infine nel paragrafo 11 si analizzano le problematiche ancora aperte e a partire dalle conclusioni
dedotte da quanto trattato nel presente documento si propongono i possibili sviluppi futuri.
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1 Generalità sui sistemi elettrici navali
L’introduzione dell’energia elettrica a bordo delle navi ha avuto inizio alla fine dell’ottocento, ed
essendo la forma di energia più pulita e flessibile, ha avuto un rapido sviluppo sostituendo tutte le
altre forme di energia precedentemente utilizzate. Attualmente, con l’evoluzione dei servizi,
l’energia elettrica è indispensabile per il funzionamento di una nave.
Un impianto elettrico navale costituisce un apparato “isolato” in quanto non ha possibilità
d’interconnessione con altri sistemi esterni di energia, e di conseguenza deve essere
autosufficiente per le sue molteplici finalità. Per questo motivo è preferibile avere un numero
elevato dei sub-sistemi che compongono l’intero sistema nave.
Alcuni di tali sistemi sono:
-Sistema di propulsione;
-Sistema per la generazione dell’energia elettrica;
-Impianto di distribuzione dell’energia elettrica;
-Sistemi per la movimentazione delle merci;
-Sistemi d’ausilio per la navigazione;
-Sistemi per le telecomunicazioni;
-Impianto di condizionamento, illuminazione e ventilazione;
-Impianto d’emergenza.
Nel corso degli ultimi anni le applicazioni elettriche a bordo delle navi sono aumentate
notevolmente ed allo stato attuale tutte le attività vengono svolte mediante l’energia elettrica, e la
tendenza futura è quella di una totale elettrificazione della nave; nell’ottica della realizzazione di
navi full electric.
Il sistema elettrico di bordo è costituito da una vasta gamma di apparecchiature e, al variare della
missione che esse devono assolvere, si possono distinguere tre diversi tipi di apparati che
possono così schematizzarsi:
- PRODUZIONE ENERGIA suddivisa in meccanica, termica convenzionale, ibrida e di emergenza;
- DISTRIBUZIONE che riguarda le stazioni di trasformazioni, le reti primarie, le stazioni di
conversione e le cabine di distribuzione, le reti secondarie e la quadristica;
- CARICHI suddivisi in impianti di propulsione, impianti ausiliari e carichi ordinari, impianti di
sicurezza e impianti speciali.
Come anticipato, la caratteristica principale dell’impianto elettrico di una nave è quella di essere un
sistema isolato, quindi l’insufficienza o l’assenza d’energia rappresenta un problema rilevante in
quanto viene seriamente compromessa la funzionalità operativa.
A bordo delle navi il funzionamento delle apparecchiature elettriche non è per niente agevole viste
le condizioni sfavorevoli d’esercizio cui sono sottoposte come le avverse condizioni ambientali
(forti escursioni termiche, elevato tasso di umidità, alta corrosione da salsedine) e le notevoli
sollecitazioni meccaniche (forti vibrazioni, ripetuti movimenti dello scafo dovuti ai naturali
movimenti di beccheggio e rollio).
Per questi motivi le macchine che comunemente si utilizzano per gli impianti terrestri non sono
facilmente adoperabili a bordo, in quanto le norme richiedono soluzioni appropriate.
Le condizioni d’esercizio di un impianto elettrico a bordo risultano essere molto gravose se
rapportate a quelle di un analogo impianto terrestre; infatti, esso è un esempio di rete non
prevalente dove il rapporto tra potenza generata e potenza utilizzata dai carichi è molto prossima
all’unità anche al variare dei diversi profili operativi.
Ciò vuol dire che si possono verificare usualmente forti oscillazioni di tensione e frequenza dovute
ad inserzioni di grosse utenze come ad esempio i motori di propulsione. Inoltre, le linee elettriche
sono di lunghezza ridotta e di conseguenza le correnti di cortocircuito sono molto sostenute.
Altro aspetto molto importante e che rende particolare il sistema elettrico di bordo è il limitato
spazio disponibile per i componenti, ed inoltre il loro peso deve essere quanto più contenuto per
evitare di sottoporre lo scafo ad elevato stress.
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7
Per dimensionare la potenza elettrica da installare a bordo si deve considerare che il sistema
elettrico di una nave opera in condizioni differenti al variare del tipo di nave (rimorchiatore, nave da
crociera, mercantile, militare, ecc) dal numero di passeggeri e dal carico imbarcato.
In ogni caso le tipiche condizioni operative sono le seguenti:
- Condizioni operative continuative in navigazione;
- Condizioni operative continuative in sosta;
- Condizioni operative saltuarie (manovra ed emergenza).
La generazione d’energia elettrica a bordo di una nave è principalmente affidata a gruppi
elettrogeni che possono essere costituiti da un generatore accoppiato ad un motore diesel o ad
una turbina (a gas o a vapore) con i relativi accessori, i quali devono fornire energia a tutto
l’impianto in qualsiasi condizione di funzionamento.
La potenza erogata è fornita su più gruppi, come suggeriscono le norme internazionali, in modo
tale da assicurare una maggiore continuità ed affidabilità del servizio e migliorare le prestazioni di
ciascun elettrogeno, anche se la ripartizione in più gruppi è svantaggiosa dal punto di vista
dell’ingombro, peso e costo dell’istallazione.
Fino alla metà del secolo scorso, le potenze elettriche istallate a bordo erano dell’ordine dei 10 kW
e le attività di coperta venivano svolte usufruendo di attrezzature non elettriche; successivamente,
in linea col progresso tecnologico, è andata sempre più aumentando l’introduzione dell’elettronica
sulle navi il che ha semplificato notevolmente lo svolgimento di molte attività che prima erano
difficilmente realizzabili.
Questo rapido progresso ha fatto nascere molte questioni circa il miglioramento della funzionalità
operativa dell’impianto elettrico, questioni che sono del tutto analoghe a quelle in discussione nel
settore degli impianti elettrici terrestri sia industriali che civili.
Il problema fondamentale connesso con i sistemi elettrici navali, riguarda la progettazione
dell’impianto elettrico per navi di stazza superiore a quelle costruite fino a pochi decenni fa. Infatti,
per le navi moderne che hanno una stazza notevolmente maggiore delle loro anziane sorelle,
l’impianto elettrico, sia di potenza che di segnale, non è progettato ex novo ma solamente ampliato
seguendo i vecchi standard di costruzione introducendo delle unità di generazione, conversione e
quant’altro necessario in modo da poter sopperire alla domanda di potenza richiesta da una nave
di dimensioni maggiori.
Questa metodologia di costruzione, pur garantendo il corretto e perfetto funzionamento della nave,
presenta delle pecche dal punto di vista affidabilistico poiché l’introduzione anche di un solo
elemento in più, che per la logica seguita dall’ampliamento di potenza non può trovarsi
affidabilisticamente in parallelo con gli altri, tende a far diminuire complessivamente l’affidabilità
dell’impianto.
Inoltre, gli elementi introdotti, s’interfacciano difficilmente col sistema di controllo integrato che
gestiva i vecchi impianti rendendo difficile, in caso di guasto, la gestione e la distribuzione delle
risorse energetiche che sono a disposizione. Nasce, quindi, anche l’esigenza di riqualificare il
sistema di gestione e controllo delle risorse d’energia con un sistema di monitoraggio integrale.
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8
2 Reti di distribuzione dei sistemi elettrici di bordo
La distribuzione a bordo è sempre fatta in derivazione, cioè a tensione costante. In c.c. è
realizzata di norma con due conduttori isolati (poli + e -). In c.a. la distribuzione primaria è trifase,
senza neutro, con centro stella isolato, per quella secondaria si possono avere varie soluzioni [2].
La scelta del centro stella isolato ha lo scopo di garantire la massima continuità di servizio anche in
caso di guasto monofase a terra perché non circolando nessuna corrente di guasto rilevante le
protezioni non intervengono, però la tensione nelle altre due fasi sane può aumentare sino al
valore della tensione concatenata, mentre quella del conduttore andato a massa si annulla. Quindi
è opportuno, una volta individuato il guasto, estinguerlo al più presto per evitare tale inconveniente.
La richiesta continua di maggiore potenza a bordo, però, sta portando ad esercire la rete primaria
di distribuzione in media tensione (3000-6000 V); in questo caso però le correnti di c.c. di guasto
monofase sono maggiori di quelle del caso precedente quindi in questi casi si preferisce esercire il
sistema di distribuzione con centro stella collegato a massa mediante un’impedenza d’adeguato
valore. Con questa configurazione, nel caso in cui si manifesti un guasto monofase, l’intervento
delle protezioni è immediato.
La rete di distribuzione secondaria è esercita sempre con centro stella collegato a terra giacchè,
alimentando utenze come luci e motori di piccola forza, che sono in costante contatto con
personale e passeggeri,è importante, nel caso di mal funzionamento, garantire un tempestivo
intervento dell’impianto di protezione per garantire l’incolumità fisica delle persone.
Inizialmente, quando gli impianti di bordo erano poco estesi e le potenze in gioco modeste, le reti
secondarie erano costituite da sistemi monofase a due conduttori isolati o a tre conduttori con
punto medio del trasformatore collegato a massa. Oggi che le potenze in gioco sono notevolmente
aumentate si preferisce utilizzare il sistema trifase a quattro fili [1].
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3 Sistemi di distribuzione di energia elettrica a bordo
Scelta della frequenza
Fino all’inizio della seconda guerra mondiale quasi tutte le navi, militari e mercantili, avevano
impianti elettrici in corrente continua. In Italia i primi impianti ausiliari in corrente alternata (a 50 Hz)
si sono avuti nel 1942 sugli incrociatori leggeri classe “Capitani Romani”. Dal 1996 la corrente
alternata (c.a.) ha praticamente soppiantato la corrente continua (c.c.) su tutte le navi di nuova
costruzione con stazza superiore alle 100 TLS (Tonnellate Stazza Lorda). L’uso della corrente
continua è riservato ad impianti di potenza modesta o di caratteristiche particolari.
Gli impianti elettrici di bordo in c.a. sono nati alla frequenza standard di terra, pertanto a 50 Hz in
Europa e 60 Hz negli USA. Sono ammesse tolleranze del ±10% nelle fasi transitorie (con durata
massima di 10s), e del ±5% a regime. Al termine dell’ultima guerra mondiale le flotte mercantili e
militari dei paesi dell’Europa occidentale furono ricostituite con unità cedute dagli Stati Uniti
d’America; successivamente la costituzione della NATO in campo militare e la larga partecipazione
americana a flotte internazionali mercantili, soprattutto petrolifere, ha fatto sì che per motivi di
unificazione fosse accettato il sistema a 60 Hz per gli impianti di bordo [2].
L’adozione del sistema a 60 Hz è giustificata però anche da diversi conseguenti vantaggi:
- Maggiore effetto di rifasamento con condensatori;
- Maggiore impedenza dei cavi, per cui si ha una maggiore limitazione della corrente di corto
circuito;
- Motori e generatori più veloci;
- Riduzione di peso e ingombro delle macchine elettriche (trasformatori, motori e generatori).
Tuttavia nelle costruzioni mercantili si osserva un ritorno alla 50 Hz in Europa. Infatti nelle
applicazioni, senza problemi in termini di potenza installata, conviene adottare componenti a 50 Hz
che, essendo di larghissimo uso a terra, risultano di minor costo e più facile reperibilità. I
turboalternatori sono però sempre a 60 Hz.
In alcune unità della marina militare sono state utilizzate frequenze più elevate, fino a 400 Hz (ad
esempio l’alimentazione a 400 Hz per utenti giroscopici da reti a 50 o 60 Hz).
I vantaggi della 400 Hz sono:
- Riduzione delle sezioni dei circuiti magnetici a parità d’induzione di lavoro;
- Riduzione dei pesi e degli ingombri;
- Miglioramenti nella risposta dinamica dei sistemi di regolazione delle macchine elettriche.
Aumentando la frequenza, però, si ha:
- Incremento delle perdite per isteresi nei materiali magnetici;
- Incremento delle correnti parassite nei materiali magnetici;
- Aumento dell’effetto pelle nei materiali conduttori;
- Aumento della reattanza longitudinale complessiva della linea, che a parità di altre condizioni fa
diminuire la potenza elettrica trasmissibile al limite della stabilità [1].
Scelta della tensione
Negli impianti di bordo la tensione di produzione coincide con la tensione di distribuzione primaria.
Negli impianti in c.a. a 60 Hz detta tensione è unificata a 450/440 V, concatenata o di linea del
sistema trifase, mentre per la distribuzione secondaria si possono avere 115 – 127 – 220 - 230 V
secondo il tipo di impianto. A 50 Hz si hanno 400/380 V e 230/220 V1.
In corrente continua i valori normali sono 110 o 220 V per tutto l’impianto, con valori di 12 o 24 V
(negli USA anche 32) per utenti speciali e per le imbarcazioni [2].
1
Il doppio valore di tensione può avere significati diversi. Nel caso 450/440 V, si indica che i generatori sono tarati a 450
V nel funzionamento a vuoto, mentre la tensione nominale degli utenti è 440. Nel caso 230/220 V a 50 Hz il doppio
valore serve a ricordare che in Europa il vecchio valore unificato a 220 V è stato portato a 230 V per aumentare la
potenza distribuita a terra con gli impianti esistenti.
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10
Recentemente, le realizzazioni in campo navale, hanno evidenziato un notevole aumento della
potenza installata a bordo:
- Si raggiungono oggi comunemente potenze di 7-8 MVA per navi mercantili;
- Potenze di 50MVA per navi da crociera;
- Potenze superiori nel caso di piattaforme di perforazione off-shore.
Specialmente per gli ultimi due casi citati diviene obbligatoria la scelta di passare dalla bassa alla
media tensione viste le potenze in gioco.
Le norme internazionali IEC 92-210 del 1980, impongono per gli impianti elettrici navali in corrente
alternata, i seguenti valori di tensione:
- 400/690 V per la bassa tensione;
- 6600 V e 11000 V per la media tensione.
Su navi militari si hanno esempi di impianti a 1000 V e 400 Hz, raramente estesi a tutta la nave, di
solito limitati a reti parziali alimentanti utenti con particolari esigenze di potenza, rapidità di
risposta, numero di giri.
Si è individuato come limite superiore per la generazione in bassa tensione la potenza di 8 MVA;
per potenze maggiori occorre passare alla generazione direttamente in media tensione. Il valore
più adatto e oggi più frequentemente considerato è 6600 V.
Attualmente la distribuzione in bassa tensione viene fatta generalmente con tensioni di 440 V per
tutti gli utenti di potenza rilevante, 220 V per piccoli utenti e per l’impianto di illuminazione.
L’utilizzo dell’alta tensione pone però dei problemi non indifferenti per l’isolamento delle varie parti
in tensione, anche perché l’ambiente d’esercizio presenta elevati livelli d’umidità e facilità di
depositi salini.
Oltre a ciò, bisogna considerare anche il fatto che, attualmente, le tensioni inverse di picco
sopportabili dai dispositivi elettronici dei convertitori di potenza, hanno dei valori piuttosto limitati.
Quindi nei casi in cui la scelta della tensione nominale cada sui valori più elevati, bisogna
prevedere una delle seguenti soluzioni:
Utilizzo di trasformatori abbassatori per l’alimentazione dei convertitori elettronici di potenza.
Messa in serie di più dispositivi, per assicurare la tenuta alte tensioni inverse. Questa soluzione,
pone però a sua volta dei problemi per la disuniforme ripartizione della tensione complessiva su
dispositivi aventi differenze anche molto piccole nel piano di funzionamento tensione-corrente.
Questi problemi possono essere risolti mediante l’utilizzo di resistenze d’uguale valore in parallelo
ad ogni dispositivi, anche se in tal modo si provocano delle perdite aggiuntive di potenza.
In base alle norme del RINA (Registro Italiano Navale) le fluttuazioni relative della tensione delle
reti di bordo, non devono oltrepassare il ±20% in fase transitoria (che deve avere la durata
massima di 1,5 s), e di +6% e –10% a regime.
Il limite che viene posto all’innalzamento della tensione è dovuto alla sicurezza delle persone e
dello stesso impianto; infatti con l’aumentare della tensione, al fine di ottenere un adeguato
isolamento per la sicurezza, bisogna aumentare le dimensioni dei materiali isolanti, il che comporta
un maggiore costo dell’isolamento.
Tra gli utenti, quello che più condiziona la scelta della tensione, è il motore; con riferimento ai
motori asincroni più utilizzati, per ciascuna classe di potenza, si ha un valore della tensione di
alimentazione che risulta più conveniente sia dal punto di vista economico, che per quanto
riguarda il rendimento e il fattore di potenza.
A parità di potenza trasmessa i vantaggi dovuti all’innalzamento della tensione derivano
essenzialmente dalla notevole riduzione della corrente.
Si deduce che i vantaggi principali sono:
- Riduzione dei costi di investimento (sezioni inferiori dei conduttori sia nei quadri che sulle linee in
cavo di distribuzione2);
- Riduzione dei costi di esercizio (perdite joule minori, minori costi di manutenzione conseguenti
alle correnti inferiori in gioco);
2
La sezione dei conduttori non può scendere sotto un certo valore, richiesto dalle esigenze meccaniche. Ciò spiega ad
esempio l’adozione della 12 V invece della più vantaggiosa 24 V negli impianti di piccola potenza delle imbarcazioni: alla
maggior tensione non corrisponderebbe un risparmio di rame.
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11
- Migliori condizioni di esercizio (cadute di tensione più basse, correnti di cortocircuito inferiori,
lunghezze ammissibili dei cavi più elevate);
- Tendenze alla riduzione degli spazi occupati e dei pesi di quadri, cavi, ecc [1].
Scelta della corrente
La corrente continua ha dominato gli impianti di bordo fino agli anni ’30 ma da allora il progressivo
estendersi dell’energia elettrica a bordo con il conseguente aumento del valore del coefficiente di
elettrificazione, ha sensibilmente aumentato l’incidenza del peso e del costo dell’impianto elettrico
sul peso e sul costo della nave, consigliando quindi l’adozione della corrente alternata che ne
consente una notevole riduzione. Attualmente l’uso della corrente continua è riservato ad impianti
di potenza molto limitata o di caratteristiche particolari. Nella tabella 3.1 sono riportate le riduzioni
dei costi di alcuni elementi costituenti l’impianto dovute all’adozione della corrente alternata invece
di quella continua.
Tabella 3.1
Elementi dell’impianto
Cavi e accessori
Motori ed avviatori
Generatori
Quadri
Totale impianto
Costo %
C.C.
100
100
100
100
100
C.A.
70
60
90
90
75
Riduz
30
40
10
10
25
Peso %
C.C.
100
100
100
100
100
C.A.
65
70
95
90
80
Riduz
35
30
5
10
20
I motivi principali di tale evoluzione sono essenzialmente:
- Sviluppo di sistemi di controllo e regolazioni più complessi basati sull’impiego di convertitori;
- Aumento della potenza e del numero di macchine elettriche sottoposte a difficili condizioni di
lavoro;
- I generatori in corrente alternata hanno una maggiore affidabilità rispetto ai generatori in corrente
continua. Infatti le macchine a corrente continua, soprattutto alle alte velocità e potenza,
comportano notevoli problemi per la presenza del collettore. Inoltre i generatori in corrente
alternata sono di costituzione più semplice e robusta;
- I motori asincroni a gabbia sono preferibili ai motori in corrente continua, in quanto sono molto più
affidabili; inoltre, grazie all’avvento dell’elettronica di potenza ovvero ai convertitori statici, sono
stati eliminati i problemi connessi alla regolazione della velocità;
- Utilizzo di tensioni sufficientemente elevate e diverse da zona a zona dell’impianto, con ovvi
vantaggi, mediante l’utilizzo dei trasformatori;
- Minore sezione dei cavi;
- Maggiore facilità nel trovare parti di ricambio;
- Facilità d’estinzione dell’arco elettrico nei processi di interruzione (si sfrutta il passaggio naturale
della tensione e corrente per lo zero) [1].
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 415 – 2013
12
4 Consumo elettrico a bordo
La cosa fondamentale per il dimensionamento di una centrale di produzione di bordo è stabilire la
potenza elettrica nominale complessiva. Tale valore è dato dalla potenza totale richiesta dal
complesso delle utenze elettriche nelle varie configurazioni operative e per ognuna di esse vanno
determinati i relativi coefficienti di utilizzo e di contemporaneità.
La potenza di dimensionamento deve consentire il funzionamento contemporaneo di tutti i carichi
nelle condizioni più gravose, ed inoltre deve garantire un normale funzionamento anche nel caso di
perdita di un gruppo diesel-alternatore.
Già in fase di progetto deve essere compilato un particolareggiato elenco degli utenti di bordo, che
sarà mantenuto aggiornato in fase di studio e d’allestimento e sarà reso definitivo alla consegna
della nave. I diversi utenti sono divisi in gruppi corrispondenti ai diversi esercizi riportati in tabella
4.1 e per ogni utente sono indicati il numero totale delle macchine utilizzatrici installate, la potenza
resa unitaria, la potenza assorbita, il fattore di potenza ed infine la potenza resa e assorbita totale
[1].
Tabella 4.1 - Divisione degli utenti in gruppi corrispondenti ai diversi servizi.
SERVIZI
A) COPERTA
UTENTI
Timone, argani, verricelli per scale di banda e imbarcazioni,
tonneggi.
B) SICUREZZA
Ausiliari di navigazione, stabilizzazione, sicurezza, emergenza,
incendio, esaurimento, proiettori, radio.
C) NAVE
A+B
D) CARICO
Verricelli, gru, montacarichi, frigoriferi e caldaie per il carico.
Ausiliari per armi e depositi munizioni.
E) APPARATO MOTORE Ausiliari dell’A.M. e degli elettrogeneratori.
(A.M.)
Ausiliari per imbarco/sbarco combustibile, lubrificanti acqua
caldaie.
Ventilatori A.M. e ausiliari officina.
F) CONDIZIONAMENTO
Frigoriferi ed ausiliari caldaie, ventilatori ed estrattori per locali
scafo.
G) CUCINA
Ausiliari cucina, cambusa, bar. Frigoriferi celle viveri.
Montacarichi.
H) CAMERA
Ascensori. Ausiliari terapie e svago. Pompe acqua igiene,
lavanda, potabile.
I) ALBERGHIERO
F+G+H
L) LUCE
Luce normale e di emergenza, interna, esterna, e nei locali
dell’apparato motore
M) TOTALE
C+D+E+I+L
Tale elenco costituisce la base del Bilancio Elettrico (BE), che è lo strumento per progettare,
realizzare e gestire l’impianto elettrico della nave. Il Bilancio Elettrico definisce le richieste di
potenza elettrica della nave nelle diverse condizioni operative e stabilisce come soddisfarle, cioè
come bilanciare consumo e produzione. Il BE segue la cosiddetta spirale di progetto della nave,
iterazione di approssimazione e dettaglio crescenti delle operazioni necessarie dal progetto di
massima fino alle prove in mare. Esso serve pertanto a definire costi, pesi e ingombri, così come a
realizzare l’installazione e ad assistere l’esercizio [2].
Si considerano poi le condizioni operative tipiche allo scopo di stimare per ciascuna la richiesta
media di potenza elettrica. Le più caratteristiche sono:
condizioni operative continue di navigazione:
- Ai tropici;
- All’equatore, estivo;
- Climi freddi, invernali;
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13
- In crociera;
- In combattimento;
- In allarme.
condizioni operative continue in sosta:
- In porto, normale;
- In porto, per carico;
- In porto, ai lavori;
- In rada.
condizioni operative saltuarie:
- Manovra;
- Attivazione dell’apparato motore;
- Riattivazione dell’apparato motore;
- Emergenza per allagamento;
- Emergenza per incendio.
I bilanci che si riferiscono alle condizioni operative saltuarie sono redatti per l’ora del giorno e le
condizioni climatiche più gravose, mentre gli altri sono redatti per le ore più caratteristiche della vita
quotidiana a bordo:
Il tipo di classificazione descritta riguarda solamente gli utenti degli impianti elettrici, che
comprendono i sistemi di generazione, di distribuzione e di utilizzazione di energia elettrica per uso
di luce e forza motrice ausiliaria.
Qualora la nave fosse dotata di propulsione elettrica occorrerà in fase di progetto tenerne conto
per il giusto dimensionamento della centrale.
La potenza totale dell’impianto generatore si determina moltiplicando le potenze degli utenti
effettivamente in funzione, ricavate dal bilancio elettrico, per il rispettivo coefficiente medio
d’utilizzazione Kn.
Questo coefficiente, ricavato matematicamente o da valori sperimentali di navi già costruite, è dato
dal prodotto del coefficiente d’utilizzazione istantanea (Pmr/Pn) per il coefficiente d’intermittenza
(N/24) dove:
- Pmr = Potenza media resa;
- Pn = Potenza nominale;
- N = Numero delle ore di servizio al giorno.
Aggiungendo alle potenze assorbite le perdite di distribuzione dovute ai cavi di collegamento tra
generatore e utenti si ottiene il carico medio dell’impianto elettrogeneratore nelle diverse condizioni
operative.
Sulla determinazione della potenza totale influiscono:
- Considerazioni sul tipo di nave in esame;
- I viaggi cui la nave è destinata;
- I rapporti tra le ore di navigazione e di sosta in porto;
- Le frequenze delle soste per lavori di revisione e manutenzione.
Si deve anche tener conto di un margine di potenza (variabile dal 10% al 20% della totale potenza
dei generatori) destinato a sopperire alle probabili aggiunte di nuovi utenti durante la vita della
nave [1].
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14
5 Alimentazione dei carichi a diverse tensioni (dc e ac) e
frequenze (50, 60 e 400 Hz)
Si ricorda che nelle navi con impianto in c.a. si hanno anche utenti che richiedono corrente
continua, per esempio è necessaria la corrente continua per la ricarica delle batterie di
accumulatori di vario impiego, e utenti speciali che richiedono corrente alternata a 400 Hz o altra
frequenza. Sono perciò previsti sistemi di conversione per modificare il tipo di energia elettrica a
bordo [2].
I convertitori statici, che costituiscono la parte principale degli azionamenti elettrici, sono basati
sull’utilizzo delle valvole elettroniche, che consentono la conduzione unidirezioinale della corrente
e sono connesse tra loro con svariate configurazioni circuitali.
Esse possono essere:
- Non controllabili (DIODI);
- Controllabili solo in chiusura, dette anche valvole a commutazione naturale (TIRISTORI);
- Controllabili sia in apertura, sia in chiusura, dette anche valvole a commutazione forzata (GTO,
BJT, IGBT, ecc.).
Tali convertitori hanno raggiunto attualmente dei rendimenti molto elevati, ma siccome le potenze
che essi sono in grado di governare sono molto elevate, le perdite pur essendo piccole in
percentuale sono molto rilevanti in senso assoluto.
Quindi bisogna prevedere adeguati sistemi di raffreddamento, per smaltire le notevoli quantità di
calore dovute alle perdite nei convertitori. In generale i convertitori di taglia bassa e media sono
raffreddati ad aria o aria forzata, mentre quelli di grossa taglia (da 2000 kVA fino a 4500 kVA di
potenza governata), vengono di solito raffreddati con acqua deionizzata in circuito chiuso.
I convertitori si differenziano in due grandi categorie:
- Convertitori diretti;
- Convertitori indiretti.
Convertitori diretti:
Questi convertitori trasformano direttamente la tensione di rete in una tensione o in una corrente
d’ampiezza e di frequenza variabili.
Essi sono generalmente a commutazione naturale e vengono denominati cicloconvertitori. Questi
dispositivi, se commutati dalla rete, hanno una frequenza di uscita fu inferiore a quella in entrata fa
(generalmente fu £ fa /3) e sono adatti per alimentare motori sincroni e asincroni.
Il principale vantaggio di questo sistema è un funzionamento più corretto e lineare alle velocità di
rotazione molto basse.
I principali svantaggi sono una maggiore complessità circuitale e soprattutto il fatto che le
frequenze delle armoniche generate variano secondo il regime di rotazione del motore, rendendo
praticamente impossibile un efficace filtraggio delle stesse.
Convertitori indiretti:
Tali convertitori producono una doppia conversione e ciò comporta uno stadio intermedio in
corrente continua; essi hanno dunque in testa un raddrizzatore comandato o non, al centro uno
stadio in corrente continua, e lato motore un inverter a commutazione forzata (PWM) o naturale
(Sincroconvertitore), a seconda che venga alimentato un motore asincrono o sincrono, a tensione
costante o a corrente costante.
Con tali convertitori si realizzano tre funzioni:
- Variazioni della frequenza;
- Regolazione della tensione o della corrente;
- Commutazione della corrente nell’avvolgimento del motore comandato [1].
L’impiego sempre più diffuso di convertitori statici di potenza basati su dispositivi elettronici con
tempi di commutazione sempre più ridotti, come per esempio i MOSFET o gli IGBT, se da un lato
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15
ha consentito di ottenere elevate prestazioni e di semplificare i circuiti di pilotaggio, dall’altro ha
posto problemi di compatibilità elettromagnetica sempre più rilevanti [3].
In un sistema elettronico di potenza multi-convertitore (fig. 5.1), differenti convertitori come chopper
dc/dc, inverter dc/ac e raddrizzatori ac/dc sono utilizzati in sorgenti, carichi, e sottosistemi di
distribuzione per fornire potenza a differenti livelli e forme di tensione.
In un sistema multiconvertitore integrato, le interazioni tra i convertitori possono degradare le
prestazioni del sistema o anche destabilizzare il sistema per cui ciascun convertitore non può
essere progettato e controllato singolarmente ma è necessario considerare gli ingressi e le uscite
dei convertitori nel sistema e procedere a una progettazione che preveda un funzionamento
coordinato dei diversi circuiti di conversione [4].
Figura 5.1 - Sistema elettronico di potenza multi-convertitore.
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16
6 EMC: concetti generali e definizioni
Spesso durante la progettazione e l’allestimento di un’imbarcazione si trascurano alcuni fenomeni
considerati secondari ma che se non analizzati in dettaglio possono pregiudicare il corretto
funzionamento dell’intero sistema. Un esempio è dato dalle interferenze e dai problemi di
compatibilità elettromagnetica che interessano gli apparati elettrici - elettronici a bordo, gli apparati
motori, nonché l’intero sistema nave.
Fino a non molti anni fa questi problemi venivano presi in considerazione in fase di collaudo della
nave solamente nel caso in cui si presentassero portando ad errati funzionamenti a bordo. Le
tecniche di riduzione di questi fenomeni oltre che a risultare molto costose non erano così efficaci
poiché risultavano degli interventi “a posteriori” applicati ai sistemi presenti colpevoli di generare o
essere suscettibili a questa tipologia di interferenza. Al giorno d’oggi per la prevenzione di problemi
EMC (EMC: Electromagnetic Compatibility) esistono molti strumenti validi soprattutto se applicati
direttamente già dalle prime fasi di progetto.
In tutti i dispositivi elettrici ed elettronici circolano correnti di intensità variabile che producono, più o
meno intenzionalmente, onde elettromagnetiche (EM). Queste onde EM possono a loro volta
essere ricevute, intenzionalmente o no, da altri apparati elettrici/elettronici causandone un
malfunzionamento. La EMC si occupa problemi di natura elettromagnetica che esistono tra gli
apparati elettrici/elettronici e l’ambiente in cui si trovano; in particolare studia il livello dei disturbi
emessi da un apparato che possono degradare le prestazioni di altri sistemi operanti nello stesso
ambiente (EMISSIONE) e nel caso di disturbi EM esterni, la capacità di conservare le prestazioni
operative previste (IMMUNITA’ o SUSCETTIBILITA’). Un sistema si dice elettromagneticamente
compatibile con l’ambiente in cui opera se è in grado di funzionare correttamente e
compatibilmente con la presenza di altri sistemi e allo stesso tempo non deve né produrre né
essere suscettibile a fenomeni di interferenza. Deve perciò soddisfare i seguenti requisiti:
• non causare interferenze con altri sistemi;
• non essere suscettibile alle emissioni elettromagnetiche degli altri sistemi;
• non causare interferenza verso se stesso.
I principali soggetti nello studio EMC sono tre: sorgente, vittima e percorso di accoppiamento. La
sorgente è l’apparato che genera il disturbo EM, mentre la vittima è l’apparato che “subisce” il
disturbo EM (vedi figura 6.1).
Figura 6.1 - Soggetti nello studio della compatibilità elettromagnetica.
Un problema di compatibilità elettromagnetica è un problema di compatibilità ambientale di un
apparato o di un sistema rispetto al livello dei disturbi o rispetto al grado di sensibilità ai disturbi di
altri apparati o sistemi presenti nello stesso ambiente. La compatibilità elettromagnetica può
essere quindi vista come un particolare caso di inquinamento ambientale, ma in questo caso gli
“agenti inquinanti” sono onde elettromagnetiche. L'evoluzione tecnica ha portato ad apparati
sempre più delicati (dispositivi di controllo, sensori, ecc.) che funzionano sempre più vicino ad
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 415 – 2013
17
installazioni elettromeccaniche di potenza e di conseguenza alle relative emissioni. Lo sviluppo di
componentistica elettronica di potenza ha visto il sistema elettromeccanico nella condizione di
essere soggetto a nuovi disturbi. Fino a pochi anni fa, in mancanza di regolamentazione,
l'attenzione è stata riservata solamente agli aspetti di immunità, puntando all’unico obiettivo di
“sopravvivenza” del dispositivo, senza preoccuparsi delle problematiche legate all'emissione,
mentre solo in tempi molto recenti l'interesse nella progettazione si è concentrato anche sugli
aspetti relativi all’emissione, anche come conseguenza di nuovi regolamenti legislativi per la tutela
degli utenti/consumatori che si trovano in ambienti sempre più elettromagneticamente inquinati.
Le sorgenti possono essere classificate in naturali (fulmini, scariche elettrostatiche e sorgenti
cosmiche) ed artificiali; a sua volta quelle artificiali possono essere suddivise in intenzionali e non
intenzionali. Si parla di emettitore intenzionale se è specificatamente progettato per emettere
radiazioni allo scopo di svolgere una determinata funzione (ad esempio un telefono cellulare,
un’antenna o un trasmettitore radio o televisivo) mentre si parla di radiatore non intenzionale se le
emissioni non sono legate alle funzioni che il dispositivo deve svolgere, ma sono una
conseguenza, indesiderata, del funzionamento stesso (ad esempio le radiazioni emesse da un
computer o da un monitor, da una scheda elettronica o da un qualsiasi circuito elettrico percorso
da correnti variabili). Riguardo al ricevitore possiamo fare delle distinzioni a seconda degli effetti
che la radiazione elettromagnetica provoca su di esso: se la radiazione ricevuta genera un
comportamento desiderato si parla di ”segnale utile” (ricevitore intenzionale); se la radiazione
ricevuta genera invece un malfunzionamento, siamo in presenza di un segnale di disturbo
(ricevitore non intenzionale) e siamo così nel caso di Interferenza Elettromagnetica (EMI:
Electromagnetic Interference). Da notare che i radiatori (emettitori) e i ricevitori intenzionali
possono emettere o ricevere radiazioni elettromagnetiche in bande di frequenza diverse da quelle
tipiche del loro normale funzionamento; anche per essi quindi deve essere verificata la
compatibilità elettromagnetica.
Le modalità di propagazione dei disturbi EM si distinguono in disturbi condotti e disturbi irradiati, a
seconda che il percorso di accoppiamento del disturbo sia costituito da un conduttore o dallo
spazio libero. Con disturbi condotti si intendono tutti i segnali indesiderati presenti sotto forma di
tensioni e correnti sui conduttori che entrano ed escono dall’apparato (cavi di alimentazione, cavi
di segnale e di comunicazione). Come disturbi irradiati invece si considerano i segnali indesiderati
presenti sotto forma di campo elettromagnetico nello spazio circostante. In realtà, qualunque
corrente variabile che circola in un conduttore genera la presenza di un campo EM nello spazio
circostante e allo stesso tempo un campo EM induce un segnale elettrico su un conduttore (che
funziona da antenna ricevente). Alle basse frequenze il campo EM risulta confinato attorno alla
struttura che lo genera e risulta più facile misurare i disturbi sottoforma di tensioni e correnti
(disturbi condotti); ma ad alte frequenze tensioni e correnti perdono di significato ed è più agevole
misurare i campi EM. Fenomeni condotti ed irradiati sono quindi molto legati tra loro.
Lo schema rappresentato in fig. 6.2 riassume i problemi di compatibilità elettromagnetica:
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 415 – 2013
18
Figura 6.2 - Problemi di compatibilità elettromagnetica.
La prima distinzione viene fatta tra fenomeni di emissione (che riguardano la sorgente EM) e
fenomeni di suscettibilità (che interessano la vittima EM) che a sua volta può essere poi suddivisa
in base al percorso di accoppiamento (disturbo condotto o irradiato). Le emissioni condotte
possono propagarsi attraverso un canale di accoppiamento dato da elementi metallici preposti al
collegamento a terra delle apparecchiature oppure attraverso un canale di accoppiamento dato
dalla rete di alimentazione delle apparecchiature. Le cause che producono interferenza
elettromagnetica possono trovarsi all’interno del sistema (problema interno, intrasystem problem),
oppure “intersystem” dove l’interferenza può essere prodotta da cause esterne (problema esterno,
intersystem problem). Tra le prime troviamo ad esempio le sovratensioni sia impulsive che non
impulsive e tra le seconde si hanno il fenomeno della fulminazione e i transitori di commutazione
dovuti ai convertitori elettronici impiegati per la regolazione della tensione di rete. Il “sistema”, dal
punto di vista dell’analisi EMC, è in genere definito come il complesso di dispositivi su cui viene
esercitato un controllo in fase di progetto o di gestione. Una causa molto comune di interferenza
interna o esterna al sistema è dovuta ad un segnale che, pur generato appositamente per un
determinato circuito, raggiunge anche uno o più circuiti a cui il segnale stesso non era dedicato [5].
Per quanto riguarda le interferenze di tipo condotto, il tipo di accoppiamento si distingue in
accoppiamento di modo comune (CM) e di modo differenziale (DM). Le emissioni condotte di
modo comune (figura 6.3) si propagano attraverso le linee di alimentazione e si richiudono
attraverso la terra. L’ampiezza del disturbo sulle due linee di alimentazione è la stessa mentre il
disturbo che si richiude attraverso la terra ha ampiezza doppia.
I disturbi di modo comune possono propagarsi anche attraverso le capacità parassite presenti tra i
componenti di un sistema e la terra. La corrente di modo comune percorre i due conduttori che
costituiscono il circuito nello stesso verso e si richiude a massa attraverso le capacità parassite tra
i conduttori e la massa di riferimento [6].
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19
fase
Carico
Alimentazione
neutro
terra
Impedenza di terra
Figura 6.3 - Schematizzazione del disturbo di modo comune rispetto al riferimento di terra.
Date le finalità del presente rapporto tecnico, verranno nel seguito approfonditi gli aspetti della
suscettività condotta in particolare, dopo aver presentato un quadro riassuntivo sulla normativa di
riferimento, si propone la descrizione di un semplice modello per la previsione delle tensioni
terminali indotte da un campo elettromagnetico incidente su una linea e si presenta l’esempio di
una prova di suscettività a scarica elettrostatica su un azionamento elettrico con motore asincrono
ed inverter PWM.
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20
7 Quadro normativo
L’ambiente elettromagnetico, nel quale sono chiamati ad operare i diversi sistemi elettrici ed
elettronici installati a bordo, risulta particolarmente severo. Inoltre, ci si rende conto che le
conseguenze di un disturbo elettromagnetico possono dare origine a gravi condizioni di guasto ed
addirittura compromettere la sicurezza dell’imbarcazione stessa e quindi degli utilizzatori.
È opportuno, quindi, effettuare delle prove di compatibilità elettromagnetica sui diversi componenti
e sistemi elettrici, le quali devono riprodurre nel modo più fedele possibile le condizioni che si
hanno nel reale funzionamento di detti componenti al fine di consentire, già in fase di sviluppo, la
valutazione del loro comportamento quando verranno installati a bordo. L’analisi dei risultati di tali
prove può quindi essere utilizzata per porre in essere provvedimenti volti a migliorare, dal punto di
vista della compatibilità elettromagnetica, i componenti e sistemi provati onde evitare, quanto più
possibile, malfunzionamenti riconducibili a problemi di compatibilità elettromagnetica.
Le normative EMC sono state studiate al fine di definire ed imporre dei vincoli sui livelli di
emissione e di immunità ai disturbi degli apparati. Gli enti normatori sono diversi e sono sia a
carattere nazionale che europeo che internazionale. A livello europeo le norme sulla compatibilità
elettromagnetica sono generalmente di competenza del CENELEC (Comité Europeen de
Normalisation Eletrotechnique) e sono spesso di derivazione IEC (International Electrotechnical
Commitee) e del CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques). Il
corrispettivo italiano del CENELEC è il CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano), il cui Comitato
Tecnico 210 (C.T. 210) si occupa proprio di "Compatibilità Elettromagnetica". In particolare la
Direttiva Europea sulla compatibilità elettromagnetica (in forma abbreviata direttiva EMC) stabilisce
che tutti gli apparati elettrici ed elettronici immessi sul mercato a partire dal 1° gennaio 1996
devono soddisfare i requisiti essenziali di compatibilità elettromagnetica. Ogni prodotto elettrico e/o
elettronico deve essere realizzato in modo da limitare notevolmente i livelli di emissione dei disturbi
elettromagnetici (EMI) ed aumentare l'immunità degli stessi.
I requisiti essenziali di compatibilità elettromagnetica vengono soddisfatti applicando le norme
tecniche. Tra queste abbiamo le norme armonizzate che vengono emanate dalla Comunità
Europea per essere poi armonizzate dagli stati membri, queste si dividono in:
· Norme generiche: fissano i requisiti che gli apparati devono avere a seconda dell’ambiente
a cui sono destinati, senza tener conto del particolare tipo di prodotto.
· Norme di prodotto: fissano dei limiti a specifiche categorie di prodotti.
· Norme di base: contengono la descrizione delle configurazioni di prova, le caratteristiche
della strumentazione e le prescrizioni sui metodi di misura.
In pratica, le prove che devono essere effettuate ed i relativi limiti (prove di emissione) o livelli di
disturbo (prove di immunità) vengono desunti dalla norma di prodotto o dalla norma generica,
mentre le modalità di esecuzione delle prove si ricavano dalle singole norme di base.
La tabella 7.1 delinea il quadro normativo relativo all’immunità elettromagnetica con riferimento alle
Norme di base.
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 415 – 2013
21
Tabella 7.1 - Norme di base IEC-CENELEC di immunità.
CONTENUTO
Definizioni
Compatibilità elettromagnetica (EMC)
Parte 4: Tecniche di prova e di misura.
Sezione 1: Panoramica delle prove di immunità.
Pubblicazione EMC di base.
Compatibilità elettromagnetica (EMC)
Parte 4: Tecniche di prova e di misura.
Sezione 11: Prove di immunità a buhi di tensione,
brevi interruzioni e variazioni di tensione.
Pubblicazione EMC di base.
Compatibilità elettromagnetica (EMC)
Parte 4: Tecniche di prova e di misura.
Sezione 5: Prova di immunità ad impulso.
Compatibilità elettromagnetica (EMC)
Parte 4: Tecniche di prova e di misura.
Sezione 4: Immunità a transitori/treni elettrici veloci.
Compatibilità elettromagnetica (EMC)
Parte 4: Tecniche di prova e di misura.
Sezione 6: Immunità ai disturbi condotti, indotti da
campi a radiofrequenza.
Compatibilità elettromagnetica (EMC)
Parte 4: Tecniche di prova e di misura.
Sezione 18: Prova di immunità ad onde oscillatorie.
Pubblicazione base EMC.
Compatibilità elettromagnetica (EMC)
Parte 4: Tecniche di prova e di misura.
Sezione 3: Prova di immunità sui campi irradiati a
radiofrequenza.
Compatibilità elettromagnetica (EMC)
Parte 4: Tecniche di prova e di misura.
Sezione 8: Prova di immunità a campi magnetici a
frequenza di rete.
Compatibilità elettromagnetica (EMC)
Parte 4: Tecniche di prova e di misura.
Sezione 9: Prova di immunità a camo magnetico
impulsivo..
Compatibilità elettromagnetica (EMC)
Parte 4: Tecniche di prova e di misura.
Sezione 10: Prova di immunità a campo magnetico
oscillatorio smorzato.
Pubblicazione base EMC.
Compatibilità elettromagnetica (EMC)
Parte 4: Tecniche di prova e di misura.
Sezione 2: Prova di immunità a scarica elettrostatica.
Pubblicazione base EMC.
IEC1
CENELEC2
61000-4-1
(2000)
EN 61000-4-1
(2007)
61000-4-11
(2004)
EN 61000-411 (2004)
61000-4-5
(2005)
EN 61000-4-5
(2005)
61000-4-4
(2012)
EN 61000-4-4
(2012)
61000-4-6
+A1 (2000)
EN 61000-4-6
+A1 (2000)
61000-4-18
(2006)
EN 61000-418
(2007)
61000-4-3
(2002)
EN 61000-4-3
(2006)
61000-4-8
(2009)
EN 61000-4-8
(2010)
61000-4-9
(1993)
EN 61000-4-9
(1993)
61000-4-10
(1993)
EN 61000-410
(1993)
61000-4-2
(1995)
EN 61000-4-2
(2009)
Tra le norme di prodotto si fa riferimento alla norma tecnica CISPR 25 IEC 2008 - Veicoli,
imbarcazioni e motori a combustione interna – Caratteristiche dei disturbi radio - Limiti e metodi di
misura per la protezione dei ricevitori a bordo.
Tale norma è stata elaborata per proteggere i ricevitori dai disturbi dovuti a emissioni irradiate e
condotte generate in un veicolo (inclusi natanti a motore). Sono indicate le procedure ed i limiti sui
test stabiliti per fornire il controllo provvisorio delle emissioni irradiate nel veicolo, nonché le
emissioni condotte/irradiate del componente / modulo di lunga e breve durata. La presente norma
1
2
International Electrotechnical Commission.
Comitè Europèen de Normalisation Electrotecnique.
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 415 – 2013
22
internazionale contiene i limiti e le procedure per la misura dei disturbi radio nella gamma di
frequenza da 150 kHz a 2500 MHz. La norma si applica a qualsiasi componente
elettrico/elettronico destinato ad essere utilizzato nei veicoli e nei dispositivi. Fa riferimento alle
pubblicazioni dell’Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (UIT) per i dettagli
sull’assegnazione delle frequenze. I limiti fissati devono proteggere i ricevitori installati in un
veicolo dai disturbi generati da componenti/moduli presenti nel veicolo stesso. Il metodo e limiti per
un veicolo completo sono descritti nella clausola 5 e le modalità ed i limiti per i componenti/moduli
descritti nella clausola 6. Le tipologie di ricevitori da proteggere sono, ad esempio, i ricevitori per la
radiodiffusione (sonora e televisiva), telefono, radio, navigatore satellitare (GPS, ecc) e Bluetooth.
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 415 – 2013
23
8 Suscettività condotta
Il rispetto dei limiti imposti dalle norme sulle emissioni è una necessità assoluta per poter
immettere in commercio un’apparecchiatura elettrica/elettronica. Tuttavia, non è sufficiente dal
punto di vista della compatibilità elettromagnetica essere in grado di progettare un prodotto che
soddisfi unicamente i limiti sull’emissione. Infatti, se un prodotto presenta una suscettività ai
disturbi esterni, come campi irradiati da trasmettitori radio e radar (caso 1), o è suscettibile ai
transitori indotti da fulmini o scariche elettrostatiche (caso 2), allora le prestazioni dello stesso
saranno comunque inaffidabili.
Caso 1
Viene qui presentato un modello di suscettività che è una semplificazione della più esatta teoria
delle linee di trasmissione utile ai fini della previsione delle tensioni terminali indotte da un campo
elettromagnetico incidente. Di seguito viene studiata una linea di trasmissione costituita da una
coppia di fili paralleli di lunghezza L, posti a distanza s, illuminata da un’onda piana uniforme ,
come illustrato nella figura 8.1(a). (Il modello è valido, con opportune modifiche in due parametri,
anche nel caso di un paio di piste parallele su un circuito stampato). La linea è terminata da due
resistenze di carico RS ed RL. Tutto il sistema è inserito in un sistema di riferimento cartesiano: i fili
sono posti nel piano (x, y), paralleli all’asse x, la resistenza RS è in corrispondenza di x = 0 e RL è
posta a x = L. Per quanto riguarda il disturbo esterno, si fa l’ipotesi di un campo elettrico incidente
che si propaga come un’onda piana, quindi con modulo costante nello spazio e variabile
sinusoidalmente nel tempo. Si vuole ottenere un modello che consenta di prevedere le tensioni
terminali V̂S e V̂L a partire dalla conoscenza dei parametri del campo elettrico incidente, cioè il
modulo, la polarizzazione e la direzione di propagazione. Le componenti del campo
elettromagnetico che contribuiscono a creare le tensioni indotte sono due: la componente del
campo elettrico trasversale all’asse dei fili, Eˆ ti = Eˆ yi (che sta sul piano dei fili ed è ad essi
perpendicolare) e la componente del campo magnetico normale al piano dei fili Hˆ ni = - Hˆ zi
(perpendicolare al piano dei fili), come mostrato in figura 8.1(b). La linea è caratterizzata dai
parametri di induttanza per unità di lunghezza l e di capacità per unità di lunghezza c. Per una
linea composta da una coppia di fili paralleli di raggio rw i parametri per unità di lunghezza valgono
m0 æ s ö
ln ç ÷
p çè rw ÷ø
(in H/m)
(1)
æsö
c = pe 0e r ln çç ÷÷
è rw ø
(in F/m)
(2)
l=
dove εr è la permeabilità relativa del mezzo che li circonda, supposto omogeneo e non
ferromagnetico. Per utilizzare lo stesso modello anche nel caso di due piste di un circuito stampato
è sufficiente utilizzare valori appropriati dei parametri precedenti.
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Figura 8.1 - Modello di una linea a due conduttori per determinare le tensioni terminali indotte da un
campo elettromagnetico incidente: (a) definizione del problema; (b) effetti della componente
trasversale del campo elettrico e normale del campo magnetico; (c)
un circuito equivalente a
parametri per unità di lunghezza.
Nella figura 8.1(c) è presentato il modello equivalente di un tratto di linea di lunghezza Δx, dove i
parametri per unità di lunghezza sono moltiplicati per Δx. I generatori equivalenti indotti V̂S e IˆS
rappresentano l’effetto del campo incidente sulla linea di trasmissione. Si consideri inizialmente la
componente normale del vettore intensità del campo magnetico Ĥ ni . Per la legge di Faraday,
questa componente induce una forza elettromotrice nella spira formata dai fili e dai loro carichi
data da:
s
f .e.m. = jw ò Bˆ ni ds = jwm 0 ò Hˆ ni ds = jwm 0 Dx ò Hˆ ni dy
S
S
y=0
(3)
Questa tensione indotta può essere schematizzata da un generatore equivalente di tensione
polarizzato in modo da produrre, per la legge di Lenz, una corrente (e quindi un campo magnetico)
che tende a opporsi alle variazioni prodotte dal campo magnetico incidente. Perciò se tale
componente del campo magnetico è rivolta nella direzione delle coordinate z negative, il morsetto
positivo del generatore sarà a sinistra. Per una sezione di linea di lunghezza Δx, la tensione
equivalente per unità di lunghezza è data dalla (3) divisa per Δx
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25
s
VˆS ( x ) = jwm 0 ò Hˆ ni dy
(4)
y =0
= - jwm 0 ò
s
y=0
Hˆ zi dy
Il generatore di corrente equivalente IˆS è diretto nel verso delle coordinate y positive: esso è
dovuto alla componente del vettore intensità del campo elettrico incidente che è trasversale ai fili e
diretto verso le y positive. La sua espressione vale
s
s
IˆS ( x ) = - jwc ò Eˆ ti dy = - jwc ò Eˆ yi dy
y=0
y=0
(5)
Questo generatore di corrente è il duale di quello di tensione V̂S . Il campo elettrico incidente in
pratica induce una differenza di tensione tra i due conduttori e di conseguenza induce una corrente
di spostamento attraverso la capacità per unità di lunghezza 1/(jωcΔx) presente tra i due fili.
Si può supporre che il campo elettromagnetico incidente sulla linea sia prodotto da un’antenna
lontana. Allora il campo incidente in prossimità della linea può essere determinato per mezzo
dell’equazione della trasmissione di Friis. Posto che PT sia la potenza di trasmissione dell’antenna,
G il guadagno di potenza in direzione della linea e d la distanza, il campo elettrico incidente Ei è
dato dalla seguente espressione
60 PT G
Eˆ i =
d
(6)
Poiché è stata introdotta l’ipotesi di un campo elettromagnetico che si propaga come un’onda
piana, il campo magnetico incidente si ottiene dividendo il campo elettrico per l’impedenza
intrinseca del vuoto, η0=120π=377, cioè
Hˆ i =
Eˆ i
h0
(7)
Il modello della figura 8.1(c) è applicabile anche se il campo incidente non è un’onda piana
uniforme, come nel caso dei campi magnetici prodotti da trasformatori molto vicini alla linea; la
difficoltà consiste nel calcolare i campi elettrico e magnetico incidenti.
Dal modello della figura 8.1(c), in cui compaiono i parametri per unità di lunghezza, si ricava
l’equazione delle linee di trasmissione che mette in relazione la tensione Vˆ ( x) e la corrente Iˆ( x)
lungo la linea. Applicando le leggi di Kirchhoff al circuito equivalente della figura 7.1(c) si ottengono
le seguenti equazioni
Vˆ ( x + Dx) - Vˆ ( x) = - jwlDxIˆ( x) - VˆS ( x)Dx
(8a)
Iˆ( x + Dx) - Iˆ( x ) = - jwcDxVˆ ( x + Dx) + IˆS ( x )Dx
(8b)
Dividendo ambo i membri per Δx e passando al limite per Δx→0 si ottengono le equazioni delle
linee di trasmissione
s
dVˆ ( x)
+ jwlIˆ( x) = -VˆS ( x) = - jwm 0 ò Hˆ ni dy
y =0
dx
s
dIˆ( x )
+ jwcVˆ ( x) = IˆS ( x) = - jwc ò Eˆti dy
y =0
dx
(9a)
(9b)
Poiché la soluzione esatta di queste equazioni non è necessaria per scopi di previsione, si
presenta una versione approssimata di più facile utilizzo.
In molti casi di importanza pratica, la line a è elettricamente corta alla frequenza che interessa,
cioè L<<λ0, quindi questa è la situazione di cui interessa stimare le tensioni terminali indotte.
Quando a una certa frequenza una linea è elettricamente corta, essa può essere descritta da un
unico circuito a parametri concentrati simile a quello che nella figura 8.1(c) rappresenta una
singola sezione di linea semplicemente sostituendo Δx con L; di conseguenza i parametri della
linea e i generatori di tensione e corrente per unità di lunghezza vengono moltiplicati per la
lunghezza della linea L. Nonostante in questo modo sia già possibile calcolare le tensioni terminali,
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si esegue un’ulteriore semplificazione che consiste nel considerare trascurabili l’induttanza e la
capacità per unità di lunghezza: ciò consente di ottenere un circuito equivalente di una linea
elettricamente corta estremamente semplice ma valido per una grande varietà di situazioni
pratiche. Tale approssimazione è valida purché le impedenze terminali non assumano i valori
estremi, cioè non siano dei cortocircuiti o dei circuiti aperti. Poiché la distanza tra i conduttori è
molto minore della loro lunghezza, quindi è a sua volta elettricamente corta, il vettore del campo
elettromagnetico incidente non varia in modo apprezzabile tra i due fili, cioè rispetto a y. Di
conseguenza l’integrale rispetto a y viene sostituito dalla moltiplicazione per la distanza s e si
ottiene
VˆS L @ jwm 0 Hˆ ni A
Iˆ L @ - jwcEˆ i A
S
n
(10a)
(10b)
dove A è l’area della spira
A = sL
(11)
Il circuito equivalente semplificato è illustrato nella figura 8.2. Utilizzando il principio di
sovrapposizione degli effetti è facile ricavare le tensioni terminali indotte:
RS
RR
jwm 0 LsHˆ ni - S L jwcLsEˆ ti
RS + RL
RS + RL
RR
RL
VˆL = jwm 0 LsHˆ ni - S L jwcLsEˆ ti
RS + RL
RS + RL
VˆS =
(12a)
(12b)
Questo è un circuito equivalente particolarmente semplice che consente di ottenere utili stime degli
effetti di campi incidenti.
Figura 8.2 - Circuito equivalente semplificato a parametri concentrati dell’interazione di un campo
elettromagnetico incidente su una linea a due conduttori elettricamente molto corta.
Caso 2
I limiti normativi sulle emissioni condotte sono volti a limitare le emissioni irradiate dalle correnti di
disturbo presenti sulla rete di distribuzione dell’energia elettrica, fuoriuscite dalle apparecchiature
per conduzione lungo la linea di alimentazione. Questi segnali sono in genere troppo piccoli per
causare un’intereferenza tra due apparecchiature dovuta a conduzione diretta attraverso la rete
esterna e le due rispettive linee di alimentazione. Tuttavia, eventuali transitori di corrente di elevatà
intensità, presenti sulla rete esterna di distribuzione a causa di qualche fenomeno, per esempio un
fulmine, possono creare in un’apparecchiatura qualche problema di compatibilità elettromagnetica
dovuto alla conduzione diretta attraverso la sua linea di alimentazione. Le aziende costruttrici di
apparati elettronici sottopongono pertanto i loro prodotti a prove di suscettività condotta iniettando
nelle linee di alimentazione segnali simili a tali disturbi per assicurarsi che l’apparato funzioni in
modo soddisfacente di fronte a questi disturbi.
Essedo il contenuto spettrale e l’intensità di segnale di questi disturbi tendono ad essere molto più
elevati delle tipiche emissioni condotte, il filtro di alimentazione può non essere efficace quanto
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desiderato in questi casi. Le prove possono di solito rivelare quando è necessaria una protezione
supplementare [9].
8.1 Esempio di prova di suscettività a scarica elettrostatica su un azionamento
elettrico
L'ottenimento di un'adeguata immunità alle scariche elettrostatiche e' un importante obiettivo in un
progetto di qualità. Gli effetti negativi associati alla scarica elettrostatica (ElectoStatic Discharge)
ESD sono ascrivibili fondamentalmente a due grandezze: la prima e' l'intenso campo elettrostatico
(102 - 103 V/m), creato dalla separazione di cariche, precedenti alla scarica. La seconda
grandezza e' l'elevata corrente relativa alla scarica vera e propria. E' inoltre molto importante
l'analisi dell'accoppiamento dell'energia associata alla corrente di scarica con i componenti di
un'apparecchiatura; l'accoppiamento può essere di tipo diretto o indiretto.
L'accoppiamento diretto si verifica quando la corrente di scarica percorre gli stessi conduttori di
segnale fino a raggiungere i componenti del circuito interno all'apparecchiatura, i quali possono
essere distrutti dall'eccessiva sollecitazione termica. L'accoppiamento indiretto accade quando la
corrente di scarica scorre sulla carcassa dell'apparecchiatura senza però interessare direttamente
i circuiti interni oppure su un oggetto prossimo all'apparecchiatura.
Gli effetti della scarica elettrostatica su un componente possono essere rilevati come un semplice
malfunzionamento o come un guasto, ma possono anche essere latenti, vale a dire tali da non
essere rilevati immediatamente o con semplice diagnosi. Sono stati condotti esperimenti [5]
sull'esplorazione degli effetti della ESD che al momento della scarica non modificano ne'
distruggono l'apparecchio, ma causano danni in un secondo tempo durante il normale
funzionamento. Questo e' ciò che viene chiamato il "meccanismo di difetto latente". La
considerazione di un simile meccanismo e' di notevole importanza in quanto dispositivi che hanno
subito fenomeni di ESD potrebbero non presentare danni individuabili e potrebbero quindi essere
incorporati in apparecchiature le quali successivamente andrebbero incontro a guasti.
A titolo di esempio vengono mostrati i risultati ottenuti da una prova di suscettività a scarica
elettrostatica su un azionamento elettrico avente le seguenti caratteristiche: convertitore con
inverter PWM con potenza massima di 5.5kW; motore asincrono trifase a gabbia con potenza
nominale pari a 0.75 W e corrente nominale per fase di 1.9A.
Del corredo di prova fanno parte: un generatore di ESD (simulator ESD30 EM TEST AG), un
oscilloscopio (TEXTRONIX TDS 680 C) per il rilievo delle tensioni statoriche con relativa sonda
differenziale per alta tensione (TEKTRONIX P5205) .
adoperato e' il simulator ESD30 (EM TEST AG). Con riferimento alla valutazione delle prestazioni
di un azionamento e' stata presa a riferimento la norma CEI EN 61800-3. Le modalità di prova per
la verifica dell’immunità delle apparecchiature elettriche ed elettroniche sottoposte a scariche
dirette o indirette di elettricità statica sono state dedotte dalla CEI EN 61000-4-2.
La prova di suscettività dell'azionamento elettrico alle scariche elettrostatiche e' stata effettuata
secondo le seguenti modalità.
- L’azionamento e' stato fatto funzionare senza coppia resistente e ad una velocità pari a 1500
giri/min.
- L’azionamento e' stato provato come apparecchiatura da tavolo ed il posizionamento dei cavi di
alimentazione e' rappresentativo della pratica di installazione.
- I punti scelti per l'applicazione delle scariche sono quelli sulla superficie della carcassa ed in
prossimità del coperchio.
- Per tutti i punti sono state applicate scariche a contatto tenendo la punta dell'elettrodo di scarica
perpendicolare alla superficie del motore.
- E' stato scelto un livello minimo di 3 kV; a partire da questo valore la tensione di prova e' stata
quindi aumentata con gradini di 0,5 kV.
- Tra l'applicazione di una scarica e la successiva e' stato fatto trascorrere un tempo non inferiore a
10 s. Tale intervallo e' sufficiente per assicurarsi che le spie di segnalazione del convertitore non
segnalino anomalie e che non sia avvenuto qualche altro guasto nel sistema.
- A partire dal primo valore di tensione di scarica per cui il motore si e' arrestato, l'incremento di
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tensione da un livello di prova all'altro e' stato ridotto a 0,2 kV. Il livello massimo di prova
corrisponde alla tensione massima consentita dal generatore di ESD nel caso di scariche a
contatto, vale a dire 9 kV.
- Sono state effettuate 50 scariche per ogni tensione di prova; questo numero e' ritenuto
sufficientemente elevato da poter approssimare, per ogni tensione di scarica, la probabilità di
arresto del motore alla frequenza con cui lo stesso fenomeno si e' verificato.
In Fig. 8.1.1 sono mostrate le frequenze (espresse in percentuale) con cui si e' presentato il
fenomeno dell'arresto del motore in relazione ai diversi livelli di prova.
50
45
40
Frequenza [%]
35
30
25
20
15
10
5
0
0
2
4
6
Tensione [kV]
8
10
Fig. 8.1.1 - Andamento della frequenza del fenomeno d’arresto del motore in funzione della tensione
di scarica applicata.
L'azionamento e' risultato conforme ai requisiti minimi di immunità prescritti nella norma di prodotto
CEI EN 61800-3 (cioè con livello di tensione 6 kV, e' ammessa una temporanea variazione delle
caratteristiche di funzionamento, ma la condizione di normalità deve ristabilirsi senza l'intervento
dell'operatore).
Tuttavia spingendo l'analisi sino a 8 kV l'azionamento ha risposto all'applicazione di alcune
scariche con l'arresto del motore. In tutti questi casi la condizione di normale funzionamento non e'
autoripristinabile cioè è necessario l'intervento dell'operatore per rimettere il motore in marcia.
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29
9 Sistemi utilizzati per l’incremento dell’immunità
elettromagnetica dei dispositivi
Tutti gli apparati montati a bordo nave sono collegati alle rispettive centraline e antenne mediante
cavi schermati che non dovrebbero essere interessati da campi magnetici esterni; tuttavia è
consigliabile non far passare vicini cavi di segnale e cavi di alimentazione AC poiché vi è la
possibilità di una generazione disturbi che potrebbero portare a malfunzionamenti del sistema.
Alcuni dispositivi, come l’AIS (Automatic Identification System), richiedono che i cavi di
collegamento siano passati in canale dedicato e soprattutto non vicini ad altri cavi di dispositivi
diversi, per esempio di radio HF/MF, per non introdurre possibili interferenze. Per alcune
apparecchiature viene stabilita la lunghezza massima del cavo e della sezione.
I cavi usati devono essere tutti cavi schermati per ridurre al minimo le interferenze che potrebbero
influenzare negativamente il funzionamento del sistema.
La schermatura funge da “gabbia di Faraday” (sistema costituito da un contenitore in materiale
conduttore in grado di isolare l’ambiente interno da un qualsiasi campo elettrostatico presente
all’esterno) riducendo così il rumore e le radiazioni elettromagnetiche che potrebbero alterare il
segnale utile. Lo schermo inoltre minimizza l’accoppiamento capacitivo con rumori provenienti da
fonti esterne. Questo risulta molto importante al fine del corretto funzionamento del sistema;
potrebbe infatti accadere che un apparato perfettamente progettato dal punto di vista della
compatibilità elettromagnetica non superi, una volta installato, le prove di qualifica di EMC perché i
cavi non sono schermati e si manifestano nelle connessioni elettriche i seguenti problemi:
- emissioni irradiate dai cavi, che funzionano come antenne trasmittenti
- suscettibilità irradiata dei cavi, che funzionano come antenne riceventi
- accoppiamento elettrico / magnetico (E / H) tra cavi.
Nel controllo delle emissioni interferenti interviene il principio di reciprocità, ovvero quello che è
fatto ad un cavo per ridurre le emissioni irradiate è valido anche per incrementare la sua
protezione nei confronti della suscettibilità irradiata.
Per quanto riguarda gli schermi dei cavi, deve essere ricordato che la loro qualità dipende non solo
dal valore delle efficienza di schermatura della calza del cavo, ma anche dal modo con il quale gli
schermi sono terminati sui contenitori degli apparati. Sotto questo punto di vista della terminazioni
degli schermi, intervengono fortemente i connettori, i quali costituiscono un indispensabile mezzo
di connessione tra cavi e apparati. Lo schermo di un cavo può essere costituito da un film sottile di
alluminio, un foglio o substrato di mylar, una calza di rame, un foglio di metallo attorcigliato, un
tubo corrugato. Tutti questi materiali e tecnologie hanno proprietà schermanti di base che
dipendono da due meccanismi :
-di riflessione
-di assorbimento
La riflessione è un fenomeno irradiato ed è il risultato di un disadattamento tra l'impedenza
dell'onda esterna disturbante e l'impedenza della barriera schermante. L'assorbimento dipende
dall'effetto di penetrazione (skin effect). Per frequenze sufficientemente alte, lo skin effect diventa
preponderante, per cui l'assorbimento diventa significativo. Se lo schermo fosse un tubo solido, il
fenomeno di assorbimento si incrementerebbe esponenzialmente.
Se lo schermo è una calza, tutte le minuscole aperture a forma rombica dovute alla struttura
geometrica dei sottilissimi fili di rame costituenti la calza annulleranno l'effetto di assorbimento,
rendendo lo schermo sempre più trasparente all'aumentare della frequenza. In funzione della
tecnica adottata per la copertura ottica della calza, questo effetto dovuto alle aperture rombiche
può intervenire anche a partire già da circa 1-10 MHz, deteriorando significativamente l'efficienza
di schermatura (SE) della calza. I costruttori dei vari dispositivi spesso forniscono informazioni
dettagliate sulla tipologie di cavi da utilizzare nonché sulla loro massima lunghezza provvedendo
spesso a fornire cavi appositamente progettati.
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30
10 Suscettori EMI in ambito marittimo
Come detto precedentemente, i convertitori statici di potenza sono sorgenti non intenzionali di
interferenze elettromagnetiche dato che le elevate frequenze di commutazione dei dispositivi
elettronici di potenza danno luogo a tensioni e correnti con fronti d’onda ripidi che presentano un
elevato contenuto armonico.
Di seguito verranno elencati i principali suscettori di interferenze EMI in un peschereccio (nave
fattoria adibita alla pesca di pesce azzurro a strascico e allo stoccaggio del pescato di 115 metri
operante nelle acque artiche) ed il corrispettivo collocamento.
DISPOSIZIONE STRUMENTI IN PLANCIA
Le principali apparecchiature di controllo e monitoraggio sono sistemate in tre console. È stata
indicata solamente la disposizione degli strumenti di comunicazione, di navigazione e di ricerca
pesce. Sono state rispettate le normative DNV e SOLAS in particolare le sezioni: SECTION 6:
USER INTERFACE (pt.4 ch9 Control and Monitoring System (Ships)), Pt. 7 Ch.17 Safety of
Navigation for Naval Vessel per quanto riguardano le DNV, mentre Chap 04 e 05 per le Solas.
Queste danno delle direttive sul corretto design della plancia e una corretta disposizione degli
strumenti.
a) PONTE A PRORAVIA: i seguenti strumenti vanno installati in ciascuna ala di plancia:
-selettore pilota automatico
-radar
-apparecchiature di ricerca pesce
-sincronizzazione dei dati
-plotter
-ricevitore radio
-pilota automatico
-intercomunicante
-impianto radio intercomunicante
-controllo pescato
-ricerca direzione MF/HF
-ricerca direzione VHF
-navigatore satellitare
b) PONTE DI POPPAVIA:
-radar asservito
c) CONSOLE LOCALE RADIO (INSTALLATA IN SPECIFICO LOCALE RADIO):
-radio-telefono VHF
-comunicazione satellitare (Inmarsat C, satcom B)
-telex SSB/HT
-computer/stampanti
-postazione radio [7], [8].
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31
11 Conclusioni, problematiche aperte e sviluppi futuri
In tale rapporto tecnico è stata affrontata la problematica legata alla suscettività elettromagnetica in
ambito marittimo.
Per affrontare tale tematica è stato necessario partire dallo studio degli aspetti generali dei sistemi
elettrici navali. Da ciò è emerso che, le grandezze principali da tenere in considerazione per il
progetto dell’impianto sono il livello di tensione, il valore della frequenza e la corrente utilizzati a
bordo. Inoltre in fase di progetto è di fondamentale importanza la stesura del bilancio elettrico,
strumento che tiene conto del consumo di potenza delle utenze a bordo. E’ emerso che i differenti
carichi presenti a bordo possono richiedere differenti livelli di tensione e frequenza per il loro
funzionamento, ciò implica la necessità di utilizzare diversi sistemi di conversione a bordo. La
coesistenza di tali convertitori pone problemi di compatibilità elettromagnetica per cui sono stati
esposti dei concetti generali sulla EMC (ElectroMagnetic Compatibility). Particolare attenzione è
stata invece rivolta al quadro normativo di riferimento per l’immunità elettromagnetica, alla
suscettività condotta dovuta a disturbi esterni, ovvero campi irradiati da trasmettitori radio e radar o
a transitori indotti da fulmini o scariche elettrostatiche, ed ai sistemi utilizzati per incrementare
l’immunità elettromagnetica dei dispositivi, in particolare la schermatura dei cavi. Infine sono stati
individuati i principali suscettori di interferenze EMI in un peschereccio con la relativa collocazione
a bordo.
Come già detto precedentemente, i sistemi per la conversione di energia installati a bordo
generano emissioni elettromagnetiche che alterano il normale funzionamento, o causano il
danneggiamento, dei dispositivi elettrici ed elettronici installati sull’imbarcazione.
Una volta effettuato lo studio e modellazione delle emissioni elettromagnetiche (EMI) generate dai
sistemi per la conversione di energia installati a bordo andranno sviluppati sistemi di filtraggio
attivo e passivo per la minimizzazione delle emissioni elettromagnetiche alla sorgente o sul canale
di accoppiamento, e valutare l’eventuale suscettività residua degli apparati sensibili di bordo
provvedendo all’abbattimento dei disturbi su tali apparati ovvero all’incremento della relativa
immunità elettromagnetica.
Dallo studio dello stato dell’arte sulla tipologia e disposizione dei principali sistemi suscettori in
ambito marittimo si evince che tale tematica ha ancora ampi margini di approfondimento rispetto a
quanto proposto nella letteratura tecnica. In particolare, per poter analizzare adeguatamente le
problematiche legate alla suscettività elettromagnetica in ambito marittimo, è necessario fare
un’attenta analisi dei carichi a bordo delle imbarcazioni, il cui funzionamento può essere alterato
dalle interferenze elettromagnetiche, ed analizzare quali siano i provvedimenti da adottare per
limitare la presenza dei disturbi irradiati e dei disturbi condotti ovvero:
- Sopprimere o limitare efficacemente l’emissione della sorgente attraverso l’utilizzo di: filtri e
schermi.
- Rendere il fenomeno di accoppiamento il meno efficace possibile;
- Rendere l’elemento influenzato meno suscettibile al disturbo, mediante l’utilizzo di: filtri, schermi
e/o dispositivi di protezione dalle sovratensioni.
Rapporto Tecnico RT – ISSIA – PA – N. 415 – 2013
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Bibliografia
[1] A. Cavallaro, S. De Falco “Sistemi elettrici navali” prima edizione ARACNE editrice S.r.l. marzo
2009
[2] M.Piattelli “Impianti elettrici sulle navi” Casa editrice Tilgher-Genova s.a.s. 1996
[3] N. Mohan, T.M. Undeland, W.P. Robbins “Elettronica di potenza” terza edizione, Ulrico Hoepli
Editore S.p.A. 2005
[4] A. Emadi, M. Ehsani, J. M. Miller “Vehicular Electric Power System – Land, Sea, Air, and Space
Vehicles” prima edizione, CRC Press 2003
[5] R. P. Clayton “Introduction to Electromagnetic Compatibility” Wiley & Sons
[6] G. L. Skibinski, R.J. Kerkman, D. Schlegel, N./D. 1999, Emi Emissions of Modern PWM ac
Drives, “IEEE Ind. Appl. Magazine”
[7] DNV – Rules for classification of Ships/High speed, light craft and naval surface craft - Part4
Chapter 9: CONTROL AND MONITORING SYSTEMS, January 2005 corrections January
2007.
[8] DNV – Rules for classification of Ships/High speed, light craft and naval surface craft - Part6
Chapter 17: SAFETY OF NAVIGATION FOR NAVAL VESSELS, January 2005.
[9] Clayton R. Paul “COMPATIBILITA’ ELETTROMAGNETICA – Concetti fondamentali di
elettromagnetismo – Applicazioni progettuali” Ulrico Hoepli Editore S.p.A. 1995
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