Tecnologie elettroniche a bordo dei mezzi navali - Tesina per istituto statale industriale

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Tesina d’esame

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ISII G. Marconi

Anno scolastico

2011/2012

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Constantin Isac

5 C E1

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Indice

Tecnologie elettriche a bordo dei mezzi nell’ambito navale ................. 1

Generalità sull’utilizzo di tecnologie elettriche su mezzi navali ............. 2

Impianti di propulsione ........................................................................................................... 3

– –

Schema di un sistema di propulsione termo elettro meccanico ................. 4

Convertitori statici per azionamenti elettrici di propulsione navale ....... 5

Impianti di distribuzione ........................................................................................................ 6

Regime della corrente .................................................................................................. 6

Frequenza ............................................................................................................................ 7

Tensione................................................................................................................................. 8

Analisi sistemi di distribuzione con generazione in bassa e media tensione

............................................................................................................................................................ 9

Nave portacontainer .................................................................................................................... 9

Nave passeggeri da crociera ...................................................................................................... 10

Classificazione delle utenze ............................................................................................ 11

Divisione degli utenti in gruppi corrispondenti ai diversi servizi ............................................... 11

Determinazione e frazionamento della potenza ................................................... 12

Centrale di emergenza ......................................................................................................... 13

Schema unifilare di un gruppo statico di continuità ................................................................... 14

I cavi a bordo ............................................................................................................................. 16

Scelta del cavo .............................................................................................................. 16

Installazione conduttori ......................................................................................... 16

Sistemi di protezione .............................................................................................................. 18

Interuttori ................................................................................................................................. 19

Protezione delle linee partenti ...................................................................................... 20

La selettività ........................................................................................................................... 21

Il coordinamento .................................................................................................................... 21

The Titanic ................................................................................................................................. 22

“Sogno americano” alla

I flussi migratori del primo Novecento, dal

Tragedia del Titanic ........................................................................................................... 26

Il sogno americano ................................................................................................................ 27

Il “sogno” finito in tragedia, la vicenda del Titanic ............................................ 28

La situazione in Italia, la grande migrazione del IXX secolo ......................... 31

Il poeta figlio della grande migrazione, Giuseppe Ungaretti (1888 -

1970) ................................................................................................................................................. 32

La vita .................................................................................................................................. 32

La poetica ........................................................................................................................... 35

Le opere ............................................................................................................................... 35

Tesina d’esame

Anno scolastico 2011/2012

Tecnologie elettriche a bordo dei mezzi

nell’ambito navale

Constantin Isac Pagina 1

Tesina d’esame

Anno scolastico 2011/2012

Generalità sull’utilizzo di tecnologie

elettriche su mezzi navali

Il sistema elettrico navale è autonomo e indipendente dal mondo esterno, si ha pertanto la presenza a bordo di tutto ciò che è necessario per il funzionamento di tale impianto, come organi di generazione,

ed infine d’utilizzazione.

di trasmissione, di distribuzione

Le macchine utilizzate a bordo dei mezzi navali, per poter garantire l’assoluta sicurezza ed il corretto funzionamento del mezzo devono possedere determinate caratteristiche:

• Grande sicurezza di esercizio e affidabilità, anche nelle situazioni particolari.
• Pesi ingombranti ridotti.
• Adattabilità alle forme dello scafo delle navi.
• Elevata resistenza all’azione corrosiva dell’acqua e dell’aria marina.
• Facilità di conduzione, smontaggio e manutenzione.
• Riduzione al minimo delle possibili fonti di incendio.
• Grande manovrabilità.
• Capacità di funzionare in piena efficienza e sicurezza, anche in presenza di forti movimenti, ed anche di inclinazioni permanenti dovute a movimenti accidentali del carico non perfettamente stivato, oppure a variazioni dell’assetto dello scafo a causa di falle.
• Capacità di funzionare anche con diversi combustibili, facilmente reperibili.

Constantin Isac Pagina 2

Tesina d’esame

Anno scolastico 2011/2012

Impianti di propulsione

La classificazione degli apparati di propulsione navale è fatta secondo alcuni principi:

• Di motore primo → –

Tipo motore Diesel oil, turbine a combustibile;

• Tipo di combustione impiegato → –

Nafta, Diesel oil, carbone, materiale fissile;

• Della potenza meccanica dal motore primo all’elica →

Sistema di trasmissione

Trasmissione diretta, mediante ingranaggi, idraulica, elettrica.

La scelta tra un tipo e l’altro dei suddetti apparati va fatta in conformità a considerazioni tecnico-economiche, i cui fattori di principale importanza sono:

• Potenza per ottenere la velocità d’avanzamento richiesta nelle diverse condizioni.
• Costi iniziali.
• Consumi specifici di combustibile.
• Consumi di lubrificante.
• Costi di manutenzione prevedibili.
• Numero e qualifica richiesti per il personale di macchina.
• Confort a bordo della nave, che dipende in larga misura dai valori di rumorosità e vibrazioni causati dall’apparato motore.
• Costi e disponibilità dei diversi combustibili.
• Peso e volume richiesto dall’apparato motore e dalla potenza relativa scorta di combustibile che vanno a sottrarsi al carico pagante (merci o passeggeri).
• Oneri relativi alle scorte di pezzi di ricambio da tenere disponibili sia a bordo della nave, sia nella sede di armamento. Tali oneri, sono molto spesso più rilevanti rispetto ad apparati motori usati in altri campi della tecnica, a causa del fatto che in ambito navale è fondamentale la sicurezza di esercizio dell’apparato motore, in quanto da ciò dipende la sicurezza e l’autosufficienza della nave.

È evidente che a seconda del fatto che il mezzo navale sia di tipo militare, mercantile o da trasporto alcuni fattori potranno prevalere rispetto ad altri e condurre così alla scelta dell’apparato

passeggeri,

motore più adatto.

Constantin Isac Pagina 3

Tesina d’esame

Anno scolastico 2011/2012 –

Schema di un sistema di propulsione termo

–

elettro meccanico

Rispetto alle soluzioni tradizionali, ovvero quelle termiche, la propulsione elettrica offre una serie di vantaggi:

• Alimentazione delle utenze elettriche a bordo;
• Flessibilità di installazione;
• Rendimento globale del sistema elevato;
• Maggiore manovrabilità e flessibilità di impiego;
• Riduzione di rumori e vibrazioni;
• Maggiore affidabilità;
• Sufficiente una minore manutenzione.

Constantin Isac Pagina 4

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Anno scolastico 2011/2012

Convertitori statici per azionamenti elettrici

di propulsione navale

Gli enormi sviluppi dell’elettronica di potenza che si sono verificati negli ultimi anni, sono alla base della notevole espansione della propulsione elettrica a bordo dei più svariati tipi di mezzi navali.

I convertitori statici, che costituiscono la parte principale degli azionamenti elettrici, sono basati sull’utilizzo delle valvole elettroniche, che consentono la conduzione unidirezionale della corrente e sono connesse tra loro con svariate configurazioni circuitali.

Esse possono essere:

• Non comandabili (DIODI);
• Comandabili (TIRISTORI);
• Comandabili sia in apertura, sia in chiusura (GTO, BJT, IGBT).

Tali convertitori hanno raggiunto attualmente dei rendimenti molto elevati, ma dato che le potenze che essi sono in grado di governare sono ingentissime, le perdite pur essendo piccole in percentuale sono molto rilevanti. Bisogna quindi prevedere adeguati sistemi di raffreddamento, per smaltire le notevole quantità di calore dovute alle perdite nei convertitori.

Constantin Isac Pagina 5

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Anno scolastico 2011/2012

Impianti di distribuzione

La scelta da effettuare per determinare quale tipo di sistema di distribuzione adottare riguarda il regime della corrente, la frequenza e la tensione.

1. Regime della corrente

• La corrente continua ha dominato gli impianti di bordo fino agli anni ’30 ma attualmente il suo uso è riservato ad impianti di potenza molto limitata o di caratteristiche particolari.
• L’aumento della potenza e del numero di macchine elettriche sottoposte a condizioni difficili di lavoro, hanno imposto l’impiego delle macchine in corrente alternata, più robuste, sicure, meno costose e meno bisognose di manutenzione e riparazione, inoltre 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, consigliato quindi l’adozione della corrente alternata che ne consente una notevole riduzione.

Constantin Isac Pagina 6

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Anno scolastico 2011/2012

2. Frequenza

Le frequenze attualmente in uso sono di 50 Hz e di 60 Hz e sono ammesse tolleranze del ± 10 % nelle fasi transitorie (con durata massima di 10 s), e del ± 5 % a regime.

La frequenza di 50 Hz è caratteristica degli impianti terrestri d’Europa, Africa, Asia e Australia, mentre quella di 60 Hz, è tipica degli impianti terrestri e navali dell’America e del Giappone.

Anche se oggi esistono e si continuano a costruire generatori a 50 Hz si sta osservando una forte tendenza ad utilizzare per gli impianti navali la frequenza di 60 Hz.

Il sistema a 60 Hz rispetto a quella a 50 Hz è tecnicamente ed economicamente superiore, perché richiede macchinari, reti di distribuzione, quadri ed apparecchiature meno pesanti e meno costosi.

In alcune unità della marina militare sono state utilizzate frequenze più elevate, fino a 400 Hz. Ciò ha il vantaggio della riduzione delle sezioni dei circuiti magnetici a parità d’induzione di lavoro, quindi si ottengono riduzioni dei pesi e degli ingombri. Inoltre si ottengono miglioramenti nella risposta dinamica dei sistemi di regolazione delle macchine elettriche.

D’altra parte aumentando la frequenza, si hanno anche degli incrementi delle perdite per isteresi e per correnti parassite nei materiali magnetici, e per effetto pelle nei materiali conduttori. Inoltre all’aumentare della frequenza aumenta la reattanza longitudinale complessiva della linea e quindi, a parità d’altre condizioni, diminuisce la potenza elettrica trasmissibile al limite della stabilità.

Degno di nota anche il fatto che per apparecchi adeguati a funzionare a frequenze molto elevate aumentano in modo considerevole anche i costi rispetto a quelli a frequenza tradizionale.

Constantin Isac Pagina 7

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Anno scolastico 2011/2012

3. Tensione

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, per arrivare a potenze di 50 MVA per navi da crociera e potenze superiori nel caso di piattaforme di perforazione off-shore. Specialmente per gli ultimi due casi evidenziati diviene obbligatoria la scelta per la generazione d’energia, date le potenze in gioco, di passare dalla bassa alla media tensione. 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.

Valori standardizzati delle tensioni e delle relative frequenze a bordo di mezzi navali.

Bassa tensione media tensione

380V 50Hz 2200V 50Hz

415V 50Hz 3300V 50Hz

440V 60Hz 6000V 50Hz

600V 60Hz 6600V 50Hz

660V 60Hz

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. Si possono individuare però dei centri di potenza elevata e questo fa nascere il dubbio che sia tecnicamente ed economicamente conveniente innalzare la tensione ad un valore superiore. A parità di potenza trasmessa, in sostanza tutti 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 distribuzione);
• Riduzione dei costi di esercizio (perdite Joule minori, minori costi di manutenzione conseguenti alle correnti inferiori in gioco);
• Migliori condizioni di esercizio (cadute di tensione più basse, correnti di corto circuito inferiori, lunghezze ammissibili dei cavi più elevate);
• Tendenze alla riduzione degli spazi occupati e dei pesi di quadri e cavi.

Allo scopo di quantificare i vantaggi evidenziati sono stati analizzati in dettaglio i sistemi di distribuzione elettrica dei due tipi di nave prima citati: una nave passeggeri da crociera a propulsione elettrica e una nave portacontainer.

Constantin Isac Pagina 8

Tesina d’esame

Anno scolastico 2011/2012

Analisi sistemi di distribuzione con generazione

in bassa e media tensione

1. Nave portacontainer, generazione in bassa tensione

Schema a blocchi dell’impianto elettrico:

Constantin Isac Pagina 9

Tesina d’esame

Anno scolastico 2011/2012

2. Nave passeggeri da crociera, generazione in media tensione

Schema a blocchi dell’impianto elettrico:

Constantin Isac Pagina 10

Tesina d’esame

Anno scolastico 2011/2012

Classificazione delle utenze

Già in fase di progetto, non appena possibile, 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.