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

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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 occore 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 princiapli 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.

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ANALISI SISTEMI DI DISTRIBUZIONE CON GENERAZIONE

IN BASSA E MEDIA TENSIONE

1. Nave portacontainer, generazione in bassa tensione

Schema a blocchi dell’impianto elettrico:

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2. Nave passeggeri da crociera, generazione in media tensione

dell’impianto elettrico:

Schema a blocchi

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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.

I diversi utenti sono divisi in gruppi corrispondenti ai diversi esercizi e d'ogni utente sono indicati il

numero totale delle macchine utilizzatrici installate, lo potenza resa unitaria, la potenza assorbita, il

fattore di potenza ed infine la potenza resa e assorbita totale.

Divisione degli utenti in gruppi corrispondenti ai diversi servizi:

SERVIZIO UTENTI

A) COPERTA 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 (A.M.) Ausiliari dell'A.M. e degli elettrogeneratori.

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 dei locali dell'apparato motore.

M) TOTALE C+D+E+I+L

Secondo quest’elenco è possibile definire, servizio per servizio, la potenza installata e da questa i

consumi di ciascun servizio nelle diverse ore del giorno e compilare il cosidetto bilancio elettrico.

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DETERMINAZIONE E FRAZIONAMENTO DELLA POTENZA

La potenza totale dell'impianto generatore si determina moltiplicando le potenze degli utenti

effettivamente in funzione, per il rispettivo coefficiente medio d'utilizzazione Kn, che tiene conto del

coefficiente di utilizzazione istantaneo e del coefficiente d'intermitenza.

Sulla determinazione della potenza totale influiscono inoltre considerazioni sul tipo di nave in esame,

con particolare riferimento ai viaggi cui la nave è destinata, al rapporto tra i periodi di navigazione e di

sosta in porto e alla frequenza 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 nuovi utenti durante la vita della nave.

Dal bilancio elettrico si può stabilire oltre alla totale potenza dell'impianto generatore, anche la potenza

unitaria ed il numero di generatori più conveniente in modo da avere in funzione, nelle diverse

condizìoni operative, un numero adatto di generatori lavoranti in prossimità del pieno carico e quindi

nelle condizioni di massimo rendimento e minima necessità di controllo e manutenzione.

Occorre considerare che i generatori in funzione devono essere in grado di sopperire non solo alla

potenza media richiesta dal carico, ma anche alle punte dovute all'avviamente dei motori elettrici più

grossi.

La suddivisione della potenza su molte unità eventualmente diverse tra loro, è conveniente per

l'esercizio ma non per quanto riguarda il peso, l'ingombro ed i costi d'installazione e manutenzione,

perciò si tende ad utilizzare generatori identici fra loro, in un numero che consenta di ottenere un

impianto equilibrato e di buon rendimento.

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CENTRALE DI EMERGENZA

Per tutte le navi mercantili di stazza lorda superiore od uguale alle 500 t e per tutte le navi passeggeri

abilitate a navigazioni internazionali, i Registri impongono lo presenza di una fonte autonoma di

energia elettrica indipendente dalla principale, che viene denominata centrale di emergenza. Questa

può essere costituita da:

• una batteria di accumulatori capace di sopperire al carico di emergenza senza ricariche e

senza eccessive cadute di tensione;

• uno o più gruppi elettrogeni costituiti ciascuno da un motore primo Diesel, collegato ad

un generatore elettrico che deve fornire, in condizioni di emergenza, energia ai carichi

detti in interrompibili.

II motore Diesel in questione deve essere in grado di avviarsi anche quando la rete principale non è in

grado di fornire energia (black start). Per ottenere tale risultato si deve tenere a disposizione la quantità

di energia necessaria per l'avviamento e ciò di solito viene fatto immagazzinando aria compressa o

prevedendo un collegamento al sistema UPS (Uninterruptible Power Supply).

Il sistema di accumulatori è presente allo scopo di disporre di energia anche durante il tempo di

avviamento dell'elettrogeno di emergenza.

Ovviamente tale batteria deve essere inserita automaticamente in caso di mancanza della fonte

principale, a questo provvedono gli UPS che garantiscono una continuità in sostanza assoluta

dell'alimentazione a tutte quelle utenze che non tollerano neppure una breve interruzione

dell'alimentazione, come ad esempio:

1. computer;

2. impianto antincendio;

3. parti dell'impianto luce destinate ad illuminare le vie di fuga in condizioni di emergenza.

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Schema unifilare di un gruppo statico di

continuità:

In condizione di normale funzionamento, e quindi in presenza di tensione sulla rete, il raddrizzatore ha

il compito di fornire alle batterie di accumulatori l'energia necessaria per mantenerli alla massima

carica. In caso d'assenza di tensione il commutatore statico, commuta in modo rapido l'alimentazione

dei carichi dalla rete alle batterie di accumulatori, che forniscono l'energia precedentemente

accumulata attraverso l'lnverter a commutazione forzata. La centrale d'emergenza deve essere

sistemata in modo che il suo funzionamento sia sicuro in caso di incendio o di altri incidenti che

mettano fuori uso la centrale elettrica principale.

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L'impianto d'emergenza deve essere in grado di sopportare il carico massimo che può essere richiesto

in pratica, per almeno 36 ore nel caso di nave passeggeri, per un periodo più breve nel caso di navi

mercantili.

Durante questo tempo esso deve alimentare tutti quei servizi che sono necessari per la sicurezza dei

passeggeri e dell'equipaggio nel caso in cui avvenga un'emergenza che metta fuori uso le centrali

principali.

In genere la centrale d'emergenza deve poter alimentare se sono elettrici i seguenti servizi:

• Illuminazione d'emergenza in tutte le zone necessarie per le esigenze di salvataggio.

• Illuminazione d'emergenza in tutti i corridoi, scale, uscite…

• Illuminazione d'emergenza nei locali dell'apparato motore e nelle stazioni di comando.

• Pompa d'emergenza per esaurimento.

• Pompa dell'impianto antincendio automatico a nebulizzazione (a sprinklers).

• Verricelli per la messa in mare delle imbarcazioni di salvataggio.

• Manovra delle porte stagne e tagliafuoco.

• Centralino fanali di navigazione e segnali.

• Apparati di radiocomunicazione.

• Reti di comunicazione e segnalazioni interne d'emergenza e d'allarme.

• Timonerie ed ausiliari indispensabili dell'apparato motore.

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I CAVI A BORDO

La distribuzione dell'energia elettrica a bordo viene effettuata esclusivamente per mezzo di cavi, cioè

di conduttori ricoperti da guaine isolanti e rivestimenti protettivi. È ammesso l'uso di conduttori nudi

solo come sbarre all'interno di quadri elettrici.

SCELTA DEL CAVO

La tensione per la quale il cavo è stato progettato non deve essere minore della tensione nominale del

circuito, nel quale il cavo stesso è inserito e l'isolante deve essere scelto in modo che la sua

temperatura di funzionamento sia al minimo del 10 % più alta della massima temperatura ambiente che

si presume esista, o sia prodotta nel luogo dove il cavo è installato. In base quindi alla tensione

nominale e alla temperatura di funzionamento, viene determinato il tipo di isolamento necessario.

Le norme ritengono necessario dotare di guaina impermeabile tutti i cavi installati sui ponti ed esposti

alle condizioni atmosferiche, quelli situati in ambienti umidi o bagnati, in luoghi refrigerati o in sala

macchine e in generale devono essere provvisti di tale guaina tutti i cavi situati in luoghi dove sono

presenti condense o vapori pericolosi.

INSTALLAZIONE CONDUTTORI

I Registri stabiliscono precise norme per l'installazione dei cavi, relativamente al percorso, alla

protezione meccanica, al fissaggio dei medesimi, in modo che siano assicurate all'impianto le migliori

caratteristiche di funzionalità e sicurezza.

Le condutture ed i cavi devono seguire percorsi il più possibile rettilinei ed accessibili, essere fissati in

posto per mezzo di graffette e simili supporti e devono essere rispettati i valori dei raggi di curvatura

interni che variano a seconda del tipo di cavo.

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Per motivi di sicurezza e accessibilità si consiglia di limitare al minimo la posa di cavi entro condotte