NihilScio

  Home

www.NScio.com ©2009 Iuppiter 

Nihil Scio, Sed Unum Scio, Nihil Scire Motore di ricerca tematico per studenti e studiosi        beta version

ELETTROTECNICA E CONTROLLI

PRODUZIONE DELL’ENERGIA ELETTRICA A BORDO

 

Pisano Emanuele

Classe V A AIM

Anno scolastico 2009/2010

PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA A BORDO

CENTRALE ELETTRICA

La centrale elettrica è il luogo dove sono installati i gruppi elettrogeni, i quadri di distribuzione e tutta l’apparecchiatura per il comando ed il controllo della produzione e della distribuzione dell’energia elettrica. Le centrali sono di due tipi:

  • Centrali principali, che forniscono l’energia elettrica a tutti l’impianti in servizio normale, in navigazione o in porto. Esse sono ubicate nel locale apparato motore non solo per motivi di economicità di spazio, ma anche per la comodità di esercizio: infatti il personale di guardia può sorvegliare contemporaneamente sia l’apparato motore che la centrale elettrica. Il numero ed il tipo delle centrali principali dipende dall’importanza della nave. Le navi cisterna hanno di norma un’unica centrale principale ubicata nel locale macchine.
  • Centrali di emergenza. Per tutte le navi mercantili, escluse le più piccole e quelle adibite a brevi viaggi, le norme prevedono una centrale elettrica indipendente, detta di emergenza appunto, ubicata in un locale proprio al di sopra del ponte delle paratie stagne fuori dal cofano dell’apparato motore. Tale centrale deve alimentare per un certo periodo di tempo gli utenti indispensabili alla sicurezza della nave e delle persone nelle situazioni di emergenza più svariate, che mettano fuori uso le centrali principali. Esse alimentano, in generale: l’illuminazione di emergenza, le pompe incendio di emergenza, l’impianto automatico di nebulizzazione, i verricelli per la messa in mare delle imbarcazioni di salvataggio, le porte stagne, le porte tagliafuoco, i fanali di navigazione e segnalazione, gli apparati di comunicazione radio, le reti di comunicazione interna, il timone e gli eventuali ausiliari indispensabili per l’apparato motore. Sulle navi maggiori la centrale di emergenza è costituita da uno o più alternatori, mossi da un motore diesel veloce a quattro tempi.
  • Centrali di propulsione. Nelle navi di recente costruzione realizzate con automazione più o meno spinta, il quadro elettrico è di solito ubicato nella centrale di propulsione o centrale di automazione (la cosiddetta Control Room) e questa centrale è un locale ricavato nel cofano di macchina ma da esso termicamente ed acusticamente isolato, nel quale sono sistemati tutti gli organi e la strumentazione per il comando e la sorveglianza a distanza dell’apparato motore e degli ausiliari.

 

(Sala Macchine in una Aframax quando si utilizzano i gen-sets, in alto, ed i generatori asse, in basso)

MACCHINA SINCRONA

 

Se si fa ruotare un magnete permanente bipolare all’interno di uno statore, esso trascinerà con se un campo magnetico rotante. Su ciascun avvolgimento statorico viene indotta una forza elettromotrice alternata avente la stessa frequenza di quella di rotazione del magnete permanente.

Le tre forze elettromotrici sono di forma identica, ma sfasate l’una rispetto all’altra di 120°. Se il magnete è sagomato in modo che l’induzione abbia un andamento sinusoidale al traferro (passando da un massimo positivo di fronte ad un polo, ad un massimo negativo di fronte al polo opposto), le fem sono anch’esse sinusoidali e nello statore si genera un sistema di tensioni alternate sinusoidali.

La macchina descritta può essere dunque impiegata per generare energia elettrica in corrente alternata (trasformando l’energia meccanica posseduta dal magnete permanente) ed in questo caso prende il nome di ALTERNATORE.

Stante la perfetta reversibilità dei fenomeni elettrici, la stessa macchina può anche essere impiegata come motore, nel cui caso assume il nome di motore sincrono.

 

COSTRUZIONE DELLA MACCHINA SINCRONA

Il rotore della macchina bipolare deve ruotare alla velocità n0 = 60f. Si utilizzano anche macchine multipolari, quindi il rotore ruoterà alla velocità n0 = (60f)/p. Dovendo essere la frequenza costante, l’alternatore deve marciare a velocità rigorosamente costante.

Il rotore a poli salienti crea il campo attraverso le bobine di eccitazione in serie tra loro ed alimentate da corrente continua attraverso un sistema di anelli-spazzole.

Il rotore a poli lisci è realizzato in un unico blocco di acciaio massiccio fucinato in cui sono realizzate le cave in cui sono alloggiate le bobine del circuito di eccitazione.

 

FUNZIONAMENTO A VUOTO DELL’ALTERNATORE

Si ha il funzionamento a vuoto quando il rotore viene posto in rotazione da un opportuno motore primo e gli avvolgimenti di fase statorici sono aperti. Essendo nulla la corrente erogata, la tensione U0 disponibile ai morsetti coincide con la forza elettromotrice generata E0. Si ha che U0 = k f N F.

Poiché il flusso dipende dalla corrente di eccitazione IE secondo la curva di magnetizzazione della macchina, la curva caratteristica a vuoto della macchina coinciderà con la curva di magnetizzazione. Nel funzionamento a vuoto l’alternatore non eroga energia elettrica, ma tuttavia assorbe una potenza P0, necessaria per sopperire alle perdite dovute all’eccitazione, alle perdite meccaniche ed a quelle nel ferro.

 

 

 

 

FUNZIONAMENTO A CARICO

Applicando un carico trifase equilibrato ad un alternatore trifase, l’avvolgimento di statore è percorso da un sistema trifase simmetrico di correnti sinusoidali. Tale sistema di correnti da luogo ad un campo magnetico rotante che compie un giro per ogni periodo delle correnti, e che quindi ruota in sincronismo col rotore.

 

 

Per meglio comprendere il funzionamento dell’alternatore sotto carico, è opportuno specificare la differenza esistente tra forza elettromotrice e forza magnetomotrice.

 

Si consideri un circuito magnetico costruito con un materiale avente una permeabilità magnetica molto maggiore di quella dell'aria circostante (μ > > μ0). Sia S la sezione del detto circuito e sia essa costante. L'eccitazione sia fornita da un avvolgimento formato da N spire percorse dalla corrente i. Essendo la permeabilità magnetica del mezzo molto maggiore di quella dell'aria il campo di induzione magnetico è confinato quasi esclusivamente nel materiale.

Si definisce allora la forza magnetomotrice (f.m.m) relativa ad una qualunque linea chiusa C concatenata con le N spire di eccitazione e passante all'interno del materiale magnetico la corrente totale che si concatena con tale linea.

 

 

 

La forza elettromotrice indotta in un circuito chiuso è uguale alla variazione del flusso magnetico Φ che lo attraversa in una unità di tempo, come stabilisce la legge di Faraday-Neumann:

.

Essendo Φ = Li,

.

 

Il segno - è dovuto al fatto che la forza elettromotrice indotta si oppone alla variazione del flusso magnetico in virtù della legge di Lenz.

Quando il carico è puramente ohmico, la forza magnetomotrice generata dal sistema delle tre correnti di carico è in quadratura con la forza magnetomotrice generata dall’avvolgimento di eccitazione. Poiché i due campi magnetici ruotano in sincronismo, questa relazione di perpendicolarità si mantiene costante nel tempo. Si dice che esiste una REAZIONE D’INDOTTO, o meglioche è presente un campo magnetico di reazione d’indotto, il cui effetto è quello di distorcere il flusso principale. I due campi magnetici interagiscono fra di loro e nasce una coppia che, per la legge di Lenz, deve essere resistente e quindi contraria al senso del moto (ciò che giustifica il senso attribuito alla reazione d’indotto, che riduce leggermente in valore il flusso principale).

 

Se il carico è puramente induttivo, il massimo della corrente si verifica in ritardo di 90°. In questo caso le due fmm sono in controfase, e quindi la reazione d’indotto è COMPLETAMENTE SMAGNETIZZANTE. Il flusso principale non viene distorto ma solo ridotto, e l’entità della riduzione non è affatto trascurabile. Essendo i poli della ruota polare e dello statore perfettamente affacciati, non viene generata alcuna coppua resistente. Ciò corrisponde al fatto che con questo tipo di carico la potenza attiva è nulla sviluppando l’alternatore solo potenza reattiva. Poiché in conseguenza dell’effetto smagnetizzante della reazione di indotto il flusso è notevolmente inferiore a quello generato dal circuito di eccitazione, sarà necessario aumentare la corrente di eccitazione, onde evitare ai morsetti della macchina, una tensione eccessivamente bassa.

Se il carico è puramente capacitivo, l’effetto della reazione di indotto è COMPLETAMENTE MAGNETIZZANTE. Di nuovo non vi è coppia resistente, ed è in gioco solo potenza reattiva. In questo caso si renderà necessario diminuire la corrente di eccitazione per non avere una forza elettromotrice eccessiva ai morsetti.

 

Normalmente il carico applicato ad un alternatore è ohmico-induttivo (RL). La situazione è intermedia a quella relativa a carico puramente ohmico e puramente induttivo. Esiste quindi una componente della fmm di reazione che è in quadratura con la fmm della ruota polare e che quindi ha un effetto trascurabile, ed una componente in fase che è diseccitante.

L’effettiva tensione indotta E può essere considerara come: E = E0 + ER dove:

L’effetto della reazione d’indotto può essere attribuito ad una reattanza di reazione XR (ER = - j XR I) ed è pertanto in quadratura con la corrente assorbita dal carico RL.

Nel funzionamento su carico ohmico-induttivo nascono, quindi, forze di reazione al moto che si traducono in una coppia resistente. Trascurando le perdite entro la macchina, la potenza assorbita dal motore primo che tiene in rotazione la macchina equivale alla potenza erogata al carico.

 

 

 

 

(Carico RL)

 

 

 

RENDIMENTO

Il rendimento varia in base al carico ed al fattore di potenza. Per una data corrente erogata, il rendimento è tanto più basso quanto minore è il fattore di potenza: infatti, diminuendo il fattore di potenza diminuisce la potenza mentre le perdite restano invariate, secondo la formula:

Pr = 3 U I cos φ

Esso è calcolabile dalla formula:

η = Pr / Pa

Dove:

  • Pr è la potenza resa;
  • Pa è la potenza assorbita.

I rendimenti migliori si ottengono per carichi ohmici. Il rendimento è nullo nel funzionamento a vuoto perché in questo caso è nulla la potenza utile, mentre le perdite rimangono.