Capitolo 1 Generalità e classificazione dei gruppi elettrogeni

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1 1 Capitolo 1 Generalità e classificazione dei gruppi elettrogeni 1.1 Introduzione Un gruppo elettrogeno è una unità autonoma destinata alla produzione di energia elettrica, costituita da un motore primo a combustione interna che pone in rotazione uno o più generatori elettrici accoppiati meccanicamente al motore stesso. I motori primi possono essere del tipo alternativo o a turbina. A loro volta i motori alternativi possono essere ad accensione comandata (benzina o gas) o ad accensione spontanea (ciclo Diesel). Quest ultima applicazione è quella utilizzata in maggior misura, mentre le altre sono adottate nelle realizzazioni in cui sono richieste specifiche prestazioni o particolari funzionamenti (limitazione del peso, contenimento della rumorosità, erogazione continua dell energia elettrica, ecc.). I generatori accoppiati ai motori primi possono essere in corrente continua o in corrente alternata. I primi, cioè le dinamo, hanno una scarsa applicazione nella costruzione dei gruppi elettrogeni e vengono utilizzati, ad esempio, per la generazione di energia nella trazione elettrica industriale o portuale (transtainer). I generatori in corrente alternata, invece, trovano impiego in tutti gli ambiti impiantistici e per questo sono di gran lunga i più utilizzati. Tra loro si distinguono le macchine asincrone e le macchine sincrone, sia in BT che in MT. Un caso particolare che rientra nella denominazione di gruppo elettrogeno, ma che costituisce oramai una categoria a sé stante, è il gruppo di cogenerazione. Esso è costituito da un gruppo elettrogeno che genera simultaneamente energia elettrica ed energia termica, quest ultima recuperata con un complesso di scambiatori che sfruttano il calore di rifiuto del sistema di raffreddamento e del sistema di scarico dei gas combusti del motore primo. Queste macchine, pertanto, sono caratterizzate da un elevato rendimento e da una eccellente modularità, che fanno di esse il prodotto ottimo per la microgenerazione. A livello energetico non esiste alcuna differenza tra un gruppo elettrogeno ed una centrale termoelettrica. Si parla in genere di gruppo elettrogeno quando il complesso motore-generatore costituisce una unità pre-assemblata, la cui può raggiungere la decina di MWe. Nei prossimi paragrafi si procede alla classificazione dei gruppi elettrogeni per poi passare, nel capitolo successivo, all analisi dei componenti principali, quali i motori e i generatori.

2 2 1.2 Classificazione dei gruppi elettrogeni Una prima classificazione dei gruppi elettrogeni è derivata dalle norme di prodotto. In questo ambito si distinguono gruppi elettrogeni per applicazione terrestre e gruppi elettrogeni per applicazione marina. Nelle applicazioni terrestri sono classificate tutte le macchine destinate alla generazione di energia elettrica a terra. Queste si possono suddividere in base alla loro destinazione d uso e cioè: in gruppi elettrogeni trasportabili; in gruppi elettrogeni carrellati; in gruppi elettrogeni fissi. I gruppi elettrogeni trasportabili sono di piccola, limitata a qualche kva. Essi sono trasportabili a mano da una sede all altra e non richiedono particolari attenzioni nella loro installazione, se non semplici cautele derivate dal buon senso. Esempi classici di queste macchine sono i piccoli gruppi elettrogeni utilizzati per l alimentazione delle bancarelle, di roulotte o di piccoli stand. I gruppi elettrogeni carrellati possono coprire una gamma di piuttosto ampia, da qualche kva al MVA. Essi sono montati su carrelli che facilitano la loro movimentazione da e per il luogo di impiego. A tal fine si distinguono due tipologie di carrelli: quelli omologabili e quelli non omologabili. I carrelli omologabili sono dei normali carrelli per uso stradale su cui vengono sistemati i gruppi elettrogeni. E cura del costruttore del gruppo elettrogeno provvedere al corretto posizionamento e fissaggio della macchina, in modo che la struttura del complesso rispetti le caratteristiche imposte dal fornitore del carrello e dalle disposizioni del codice della strada. I carrelli non omologabili sono costituiti da semplici intelaiature metalliche (spesso si tratta della stessa intelaiatura di base del gruppo elettrogeno) montate su uno o due assali con ruote. La struttura risultante non possiede le caratteristiche dei precedenti e, pertanto, l unità mobile può essere trainata solamente all interno di una area privata, su un terreno privo di sconnessioni e ad una velocità ridotta (inferiore ai 20 km/h). I gruppi elettrogeni fissi coprono l intera gamma di, da qualche kva alla decina di MVA. Essi, per l appunto, sono installati in posizione fissa e quindi non sono trasportabili e non sono carrellabili. Rientrano in questo ambito sia i gruppi elettrogeni installati all interno di appositi locali sia quelli all esterno, il cui servizio è destinato all alimentazione di impianti per un tempo indeterminato. Rientrano in questa classificazione anche i gruppi elettrogeni cabinati per installazione esterna o in container, anche se la loro struttura può indurre a ritenerli assimilabili ad unità mobili.

3 3 Nelle applicazioni marine sono classificati tutti i gruppi elettrogeni installati in impianti a bordo di navi, di imbarcazioni di qualsiasi genere e di piattaforme. Queste macchine devono essere costruite, allestite e condotte in conformità alle normative dei relativi Enti di classifica (per l Italia RINA). In questo lavoro saranno presi in considerazione esclusivamente i gruppi elettrogeni terrestri, anche se taluni concetti sviluppati possono essere applicati equivalentemente alle macchine marine. Gruppi elettrogeni Terrestri Marini Trasportabili Carrellabili Fissi Figura 1.1 Classificazione per norme di prodotto e destinazione d uso Una seconda suddivisione dei gruppi elettrogeni riguarda il tipo di alimentazione che svolgono rispetto all impianto elettrico di cui fanno parte (vedi Figura 1.2). Si distinguono, così, gruppi elettrogeni in isola e gruppi elettrogeni in parallelo alla rete. I gruppi elettrogeni in isola provvedono alla alimentazione dell impianto elettrico, o di una sua parte, quando questo risulta elettricamente separato dalla rete di distribuzione dell energia elettrica. I gruppi elettrogeni possono così costituire l unica sorgente di alimentazione dell impianto (ad esempio cantieri edili, autoproduzione in isola, alimentazione di siti in cui non è distribuita l energia elettrica), oppure essere una fonte alternativa di energia (gruppo di emergenza). In entrambi i casi, i gruppi elettrogeni possono essere a funzionamento singolo o in parallelo tra di loro. I gruppi elettrogeni in parallelo alla rete provvedono all integrazione della rete stessa per alimentare l impianto nelle condizioni ordinarie di funzionamento. Pertanto, i due circuiti risultano elettricamente collegati tra loro e vincolati a funzionare in determinate condizioni per assicurare la loro corretta interfacciabilità. A questo riguardo, si distinguono gruppi elettrogeni per allacciamento in BT e per allacciamento in MT (vedi CEI e ENEL DK 5940, ENEL DK 5740 e ENEL DK 5600). Un caso particolare, che fa parte sia del funzionamento in isola sia del parallelo con la rete, è quello del parallelo breve transitorio. Trattasi di macchine in emergenza che si sostituiscono alla rete, quando questa viene a mancare, ma che successivamente, al suo ritorno, si inseriscono in

4 4 parallelo con essa (per un tempo sufficiente al trasferimento del carico) in modo da evitare un secondo black out. Gruppi elettrogeni In isola In parallelo alla rete unica sorgente di alimentazione in emergenza alla rete BT MT parallelo breve transitorio Figura 1.2 Classificazione dei gruppi elettrogeni terrestri in funzione del tipo di esercizio Dal punto di vista funzionale si ritiene utile classificare ulteriormente i gruppi elettrogeni secondo il criterio della erogabile. Questa suddivisione si innesta e completa le due precedenti, ponendo in relazione alcune gamme di con le massime prestazioni ottenibili dai relativi gruppi elettrogeni. Infatti, negli anni, fattori dovuti a limiti costruttivi ed esigenze di tipo impiantistico, hanno determinato una sorta di standardizzazione nella costruzione e nell allestimento dei gruppi elettrogeni e, di conseguenza, delle loro prestazioni. La classificazione a seguire risulta alquanto appropriata per l individuazione della macchina che meglio si adatta alle specifiche tecniche dell impianto. Le principali prestazioni e caratteristiche a cui si fa riferimento sono: il regime di giri, il sistema di raffreddamento, il sistema di alimentazione e di aspirazione del motore, la precisione e lo statismo della frequenza, la precisione della tensione, il rapporto peso/, il sistema di eccitazione dell alternatore. Ad esse si legano le seguenti gamme (vedi Figura 1.3): a. piccolissima : 1 P < 7 kwe; b. medio - piccola : 7 P < 25 kwe; c. medio - grande : 25 P 800 kwe; d. grande : > 800 kwe.

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6 6 Gruppi elettrogeni piccolissima 1 P < 7 kw e Trasportabili medio - piccola 7 P < 25 kw e Carrellabili Fissi medio - grande 25 P 800 kw e grande > 800 kw e Numero di giri [g/min]: Raffreddamento: Aria Aria - Acqua Acqua Acqua Alimentazione: B - D D D - G D - G Aspirazione: NA NA - TC NA - TC - TCI TCI Precisione frequenza: ± 2% ± 1% ± 1% / ± 0.25% ± 0.25% Statismo frequenza: 5% 5% 5% / 0 % 0 % Precisione tensione: ± 10 % ± 5 % / ± 1.5 % ± 5 % / ± 1.5 % ± 1.5% / ± 0.5% Peso/ [kg/kw]: 16 B - 22 D Eccitazione alternatore: BCD - SC SC - SE - BC - E BC - E E Legenda: B = benzina; D = gasolio; G = gas; NA = aspirazione naturale; TC = aspirazione sovralimentata; TCI = aspirazione sovralimentata ed interrefrigerata; BCD = brushless a condensatore; SC = spazzole con compound; SE = spazzole elettronica; BC = brushless con compound; E = brushless elettronica Figura 1.3 Classificazione secondo gamme di Nel prossimo capitolo si esamineranno i componenti principali dei gruppi elettrogeni, quali i motori ed i generatori, seguendo nell analisi la classificazione per gamme di che, come ribadito precedentemente, si reputa la più efficace per effettuare la corretta scelta del gruppo elettrogeno.

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