ELETTROTECNICA E CONTROLLI

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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 I_e. 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 R_C. Si chiuda quindi il circuito di eccitazione aumentando gradualmente la corrente di eccitazione tramite il reostato R_e, 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 U₀e I_e 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).

Autoeccitazione, se la potenza di eccitazione è fornita dallo stesso generatore. Oggi si utilizza un　gruppo statico di tiristori　(figura b) il quale converte in tensione continua la tensione alternata trifase dell'alternatore stesso (o di una rete ausiliaria). L'eccitazione statica garantisce un più elevato rendimento, una maggiore affidabilità ed una migliore regolazione della corrente di eccitazione. Infatti trattandosi di un sistema elettronico i　dispositivi automatici di regolazione e controllo　RV　possono realizzare facilmente qualsiasi tipo di regolazione purché al controllo pervengano , tramite i　trasformatori di misura　TV　ed i　TA, i segnali proporzionali alla tensione ed alla corrente dell'alternatore. Il trasformatore di potenza　TP　serve ad adattare la tensione dell'alternatore a quella ottimale per l'eccitazione. E' inoltre presente un　dispositivo per l'innesco dell'eccitazione　DI　in fase di avviamento.

　

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 V₀₂di　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　Z_V　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　V_MNai 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　L_11'　è spenta mentre le lampade　L_23'　e　L_32'　sono accese sulla stessa intensità. Se invece l'alternatore da accoppiare gira a velocità superiore a quella di sincronismo la lampada　L_11'tenderà ad accendersi, la lampada　L_23'　tenderà a brillare maggiormente, la lampada　L_32'　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.