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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

 

PROVE SULL’ALTERNATORE

PROVA A VUOTO

La prova a vuoto dell’alternatore è utile per la determinazione sperimentale della curva caratteristica a vuoto o curva di magnetizzazione, che mette in relazione la fem U0 generata la vuoto alla frequenza di regime con la corrente di eccitazione Ie. Tale curva fa riferimento alla velocità n0 = 60f / p.. La potenza sarà pari al 5-10% di quella nominale dell’alternatore, in quanto a vuoto questo assorbe solo una potenza pari alle perdite nel ferro ed alle perdite meccaniche.

 

Si avvii il motore , variando a poco a poco il reostato RC. Si chiuda quindi il circuito di eccitazione aumentando gradualmente la corrente di eccitazione tramite il reostato Re, leggendo l’amperometro nel circuito di eccitazione, il voltmetro ed il frequenzimetro sull’alternatore.

L’esperienza va proseguita fino a quando si arrivi alle condizioni di saturazione. Con i valori determinati di U0 e Ie si tracci per punti la curva caratteristica a vuoto con un andamento del tipo:

La prova a vuoto consente anche la determinazione delle perdite meccaniche e nel ferro. Portando l’alternatore alla velocità di regime, la potenza assorbita dal motore di trascinamento, moltiplicata per il suo rendimento, coincide con le perdite meccaniche della macchina in prova.

 

 

ECCITAZIONE E REGOLAZIONE DI UN ALTERNATORE

In qualsiasi impianto di produzione dell’energia elettrica si evince la presenza costante di alcuni servizi di rete, quali la regolazione della frequenza, la regolazione della tensione ed altri ancora, necessari per la tutela dell’economicità di gestione dell’impianto e per la garanzia di un elevato grado di sicurezza per l’esercizio della macchina stessa.

Si analizzino, per sommi capi, i sistemi di eccitazione e di regolazione automatica della tensione di un alternatore, con sua conseguente messa in parallelo con unità affini per la produzione di energia elettrica a bordo di una nave.

 

SISTEMI DI ECCITAZIONE DI UN ALTERNATORE

Gli avvolgimenti di eccitazione (detti anche di campo), che fanno parte ovviamente del circuito di eccitazione, servono a creare il flusso magnetico induttore principale. Essi sono posti attorno ad ogni polo e risultano collegati tra di loro in serie in modo da essere percorsi dalla stessa corrente Ie [A] affinché ogni polo generi rigorosamente lo stesso flusso. Detta corrente è continua e viene fornita alla macchina sincrona con modalità e dispositivi diversi a seconda dei casi.

Nelle macchine di potenza significativa, gli estremi degli avvolgimenti di eccitazione (ruotanti assieme al rotore) fanno capo a due anelli collettori, isolati tra di loro e rigidamente calettati sull'albero di rotazione. Su ciascun anello preme una spazzola, tenuta ferma, ed attraverso le due spazzole si alimenta la serie degli avvolgimenti mediante un opportuno dispositivo di eccitazione in corrente continua. 

Gli alternatori di bordo possono essere eccitati con due differenti metodologie:

  • Eccitazione indipendente, quando la potenza di eccitazione è fornita da un generatore ausiliario.Questo, coassiale  con l’alternatore, è azionato dallo stesso motore primo.

Un tempo il sistema di eccitazione era costituito da una dinamo principale D eccitata da un'altra dinamo ausiliaria D' di minor potenza (figura a).

 

 

REGOLAZIONE

Per il buon funzionamento di un processo, le sue variabili si devono mantenere sotto controllo, nel senso che devono assumere valori opportunamente prefissati, senza subire, per quanto possibile, l’influenza di cause esterne, quali perdite, variazioni di carico o variazioni dell’alimentazione del processo.

In molti casi, specie per gli impianti complessi, si utilizzano i controllers, detti anche regolatori, che agevolano la messa a punto del sistema, variandone entro ampi limiti i parametri caratterizzanti la dinamica.

 

REGOLAZIONE AUTOMATICA DELLA TENSIONE

Per tutti gli alternatori di bordo, quando si desidera un’elevata precisione di regolazione si impiegano i regolatori automatici di tensione. Il sistema di regolazione, rigorosamente a catena chiusa, è rappresentabile dal seguente schema a blocchi:

 

Il nodo comparatore è l’elemento che confronta i segnali omogenei di riferimento e di retroazione e può essere di tipo meccanico, elettronico ecc.

Il fulcro del sistema di controllo è il controllore o unità di controllo, normalmente costituito da un amplificatore e da una rete stabilizzatrice, la cui funzione è quella di ricevere, dai generatori del segnale di riferimento o dagli eventuali dispositivi esterni di impostazione e programmazione, i segnali di ingresso per poi effettuare i confronti logici ed i calcoli che servono a scegliere i comandi che sono i segnali elettrici per gli attuatori.

Talvolta dopo questo blocco è presente un amplificatore di potenza il cui scopo è quello di fornire l’energia necessaria per il successivo blocco della catena.

Gli attuatori producono le azioni in grado di modificare le grandezze di uscita del sistema controllato.

L’anello di retroazione include un trasduttore che fornisce il segnale di feelback omogeneo con il segnale di riferimento.

 

RISPOSTA DI UN SISTEMA AI SEGNALI DI INGRESSO

Un problema di fondamentale importanza nello studio dei sistemi di controllo è la valutazione della risposta di un sistema ad una variazione del segnale applicato all’ingresso: tale risposta definisce infatti la precisione e la prontezza che l’uscita segue in base alle variazioni dell’ingresso.

Anche i disturbi intesi come segnali indesiderati, sono in grado di influenzare l’uscita del sistema stesso. In un sistema di controllo a catena chiusa come quello considerato, la retroazione, pur non essendo in grado di compensare e correggere integralmente tutti i disturbi agenti sul sistema, è tuttavia quasi sempre idonea a mantenere il livello d’uscita entro i limiti desiderati.

In relazione agli effetti prodotti sul sistema da una variazione di segnale di ingresso o dall’applicazione di un segnale di disturbo, si suddivida la risposta del sistema descitta dall’andamento temporale della grandezza di uscita, in due fasi:

- periodo di funzionamento in transitorio;

- periodo di funzionamento a regime.

Le condizioni di funzionamento a regime vengono raggiunte quando cessa la fase transitoria, e la grandezza di uscita può adeguarsi al valore di quella in ingresso; nel caso in cui l’ingresso si mantenga costante, altrettanto farà l’uscita.

Per periodo transitorio si intende l’intervallo di tempo esistente fra l’istante in cui viene prodotta la variazione della grandezza di ingresso e l’istante in cui la grandezza di uscita raggiunge la nuava condizione di equilibrio che le compete.

 

FUNZIONAMENTO DEI GENERATORI IN PARALLELO CON ALTRE UNITA’ SIMILI

Quando un generatore funziona in modo indipendente ed isolato, la potenza erogata dallo stesso è vincolata ad essere uguale alla potenza richiesta dal carico, e la frequenza e la tensione di uscita vengono regolate dai riferimenti prefissati (set point) dalla corrente di eccitazione.

Quando la potenza richiesta dall’utenza supera quella erogabile da un alternatore, se ne inserisce un altro in parallelo, in modo da ridistribuire fra le due macchine l’aumentato carico, impedire che la prima debba erogare una potenza superiore a quella di targa e garantire continuità di servizio.

L’accoppiamento di piu alternatori in parallelo consiste nel farli funzionare alla stessa tensione e frequenza, con i morsetti direttamente collegati ad un sistema di sbarre, dalle quali si dipartono le linee che convogliano la somma delle potenze erogate dalle singole macchine.

 

Condizione indispensabile per la regolarità della manovra è che questa si compia senza perturbare lo stato di regime della rete, cioè senza che si determini all'atto della chiusura dell'interruttore alcuno scambio di corrente fra la nuova macchina inserita e le sbarre. Per tale motivo è necessario collegare in parallelo i due alternatori nell'istante in cui le loro f.e.m., di eguale valore e frequenza, sono in opposizione nel circuito costituito dalla macchina che si inserisce in parallelo con la macchina (o con ciascuna delle macchine della centrale) già in esercizio.

Si descriva la manovra con riferimento agli alternatori trifasi considerati nella produzione di energia elettrica a bordo dell’unità navale. L'alternatore G1 sia funzionante e collegato alle sbarre, l'alternatore G2 sia fermo e non collegato alle sbarre. Si opera come segue:

1) Venga posto in rotazione l'alternatore G2, quindi gli si faccia assumere una velocità prossima a quella dell’alternatore G1 ( n1 = n2);

2) contemporaneamente si regoli l'eccitazione dell'alternatore G2 in modo che l'indicazione del voltmetro V2 sia uguale all'indicazione del voltmetro V1 (ovvero la tensione a vuoto V02 di G2 sia uguale alla tensione alle sbarre V1). In tali fasi si è guidati dalle indicazioni dei frequenzimetri e dei voltmetri della colonnina di parallelo.

3) si osservino lo zerovoltmetro ZV e le lampade inseriti in parallelo fra morsetti corrispondenti (questa inserzione viene chiamata a lampade spente, lo zerovoltmetro e le lampade devono essere in grado di poter sopportare una tensione doppia di quella alle sbarre). Se la frequenza f2 della f.e.m. generata da G2 è diversa dalla frequenza f1 della tensione alle sbarre, la tensione VMN ai capi degli indicatori di sincronismo oscilla essendo  e variando nel tempo la posizione relativa dei vettori  e  a causa delle diverse pulsazioni w1 e w2 dei vettori stessi. Le lampade sono accese al massimo e lo zerovoltmetro ha l'indice in massima deflessione quando i due vettori sono in opposizione fra loro, le lampade sono spente e lo zerovoltmetro ha l'indice sullo zero quando i due vettori sono sovrapposti. Nel tempo l'indice dello zerovoltmetro oscillerà sincronicamente con i battimenti della luce delle lampade.

4) si regolerà la velocità dell'alternatore G2 in modo da ridurre i battimenti, fino a farli scomparire, ottenuta questa regolazione si chiude l'interruttore della macchina G2. 

Osservazione : anche se l'alternatore G2 non ha una velocità rigorosamente uguale a quella che compete alle frequenze di rete, dopo la chiusura dell'interruttore l'alternatore G2 si mette senz'altro in marcia sincrona con G1. Ciò accade perché ogni sua tendenza ad accelerare o ritardare viene automaticamente contrastata dalle energiche coppie sincronizzanti che intervengono per effetto degli scambi di corrente che si verificano tra le macchine quando una di esse tende ad uscire dal sincronismo. Così, ad esempio, se l'alternatore G2 tende ad anticipare, accade che anche il vettore  si sposta in anticipo rispetto a  di un certo angolo d. Con ciò si realizza la condizione per la quale l'alternatore G2 eroga potenza attiva dando luogo ad una coppia sincronizzante frenante che è proporzionale a send. Nel caso in cui G2 tenda a ritardare, il vettore  si sposta in ritardo rispetto a  e, come vedremo, la seconda macchina assorbirà potenza attiva dalla rete dando origine ad una coppia sincronizzante motrice. Tutto ciò favorirà la messa in marcia al passo di sincronismo tra la macchina e la rete cui essa è allacciata.

In sostituzione della colonnina di parallelo si può usare un sincronoscopio ad ago rotante oppure un sincronoscopio a luce rotante. In tal caso la manovra è facilitata perché il sincronoscopio dà la diretta indicazione sull'intervento da compiere sulla velocità dell'alternatore da accoppiare. Se le frequenze f1 ed f2 sono uguali e se V02 è in fase con V1(condizioni per il parallelo), allora la lampada L11' è spenta mentre le lampade L23' e L32' sono accese sulla stessa intensità. Se invece l'alternatore da accoppiare gira a velocità superiore a quella di sincronismo la lampada L11' tenderà ad accendersi, la lampada L23' tenderà a brillare maggiormente, la lampada L32' tenderà a spegnersi e l'effetto complessivo sarà quello di una rotazione antioraria della luce di sincronismo. Infine, se l'alternatore da accoppiare gira a velocità inferiore di quella di sincronismo, si vedrà la luce del sincronoscopio ruotare in senso orario.