Sez 2a - FUNZIONAMENTO e CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE

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1 Sez 2a - FUNZIONAMENTO e CARATTERISTICHE COSTRUTTIVE 26 MARZO 2014 dalle ore alle ore c/o Museo della Tecnica Elettrica Via Ferrata Pavia

2 La soluzione Rete Picchi Cali di tensione Armoniche? Forma d onda pulita Carico Variazioni di frequenza Microinterruzioni Transitori UPS STATICO UPS FLYWHEEL GRUPPO ROTANTE DI CONTINUITÀ + G. E. + RIFASATORI + FILTRI + G. E. + RIFASATORI + FILTRI Secondo CEI EN / ISO

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4 Alimentazione stabilizzata e perfettamente sinusoidale I PROBLEMI LA SOLUZIONE IL RISULTATO Variazioni di tensione Fluttuazioni di tensione (flicker) Buchi di tensione Sovratensioni Squilibri di tensione Armoniche Interarmoniche CONTINUITA : assenza di interruzioni nella fornitura di energia elettrica QUALITA della TENSIONE: qualità della forma d onda (ampiezza, frequenza, ecc.)

5 Gruppi rotanti ad asse orizzontale SOLO 5 COMPONENTI PRINCIPALI Quadro di potenza Rete Carico Quadro di controllo Modulo di potenza Induttanza

6 Schema di collegamento in BT o MT Interruttore di bypass Rete Induttanza Carico Motore Diesel Ruota libera Unità cinetica Macchina sincrona

7 Schema di collegamento in BT o MT Interruttore di bypass Rete Induttanza Carico Trasformatore elevatore Motore Diesel Ruota libera Unità cinetica Macchina sincrona

8 Modulo di potenza: catena cinematica SOLO 4 COMPONENTI PRINCIPALI macchina sincrona unità cinetica a 2 rotori innesto a ruota libera motore diesel

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10 Fasi di funzionamento FASE 1: funzionamento normale (alimentazione da rete) FASE 2: transitorio di caduta rete - passaggio da funzionamento normale a funzionamento rete FASE 3: funzionamento di emergenza, con motore diesel FASE 4: ritorno al funzionamento normale

11 Fase 1: funzionamento normale ALIMENTAZIONE DA RETE Il carico è alimentato da rete tramite l induttanza Motore diesel in standby Unità cinetica La macchina sincrona funziona come motore a vuoto

12 Fase 2: transitorio di caduta rete PASSAGGIO DA FUNZIONAMENTO NORMALE A FUNZIONAMENTO RETE Si apre l interruttore del giunto La macchina sincrona funziona da alternatore trascinata dal giunto a induzione Si alimenta il secondo avvolgimento dell unità cinetica. L energia cinetica accumulata nel volano sostiene il generatore a 50 Hz. Il PLC comanda l avviamento del diesel

13 Fase 3: funzionamento di emergenza FUNZIONAMENTO CON MOTORE DIESEL Ricarica volano: LTP ISO 8528 A regime: PRP-ISO 8528 L interruttore del giunto si chiude: il volano recupera l energia cinetica persa durante la fase precedente e contribuisce alla regolazione di frequenza del gruppo La macchina sincrona funziona da alternatore azionato dal diesel La ruota libera si ingaggia. Il diesel fornisce la coppia necessaria alla macchina sincrona L unità cinetica interviene solo per stabilizzare la frequenza in presenza di gradini di carico

14 Fase 4: ritorno al funzionamento normale Il diesel si porta a 1450 giri/min provocando il disinnesto della ruota libera. Terminato il ciclo di raffreddamento torna in standby dopo circa 10 min Il PLC comanda la messa in parallelo della macchina sincrona che riprende a funzionare da motore

15 Grafico delle velocità Legenda Volano Diesel Macchina sincrona

16 Graficocadutarete D-UPS da 1000 kva Istante della Caduta rete Tensione di rete Tensione di rete Regime del motore diesel Tensione al carico 1500 giri/min 50.5 Hz 50 Hz 49.5 Hz Ingaggio della ruota libera linea dei 50 Hz Frequenza al carico [Hz] 1 s Partenza del Diesel

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18 Caratteristiche del motore diesel Preriscaldato Prelubrificato Volano alleggerito Parte a vuoto fino ai giri/min Dimensionato in PRP ISO 8528 per la potenza NB In fase di ricarica dell unità cinetica funziona LTP * * Limited Standby Power

19 Motore Diesel: definizioni ISO 8528 COP (Continuous Power) funzionamento continuo illimitato con potenza costante PRP (Prime Power) funzionamento continuo illimitato con potenza variabile (media <70%) LTP (Limited Standby Power) funzionamento < 500 h/anno con potenza variabile ESP (Emergency Standby Power) funzionamento < 200 h/anno con potenza variabile (media <70%)

20 DC continuous(ddc) ratings L Uptime Institute per i DC Tier III e IV prescrive che la potenza N di un gruppo sia: definita come continua non abbia limitazioni nel numero di ore annue di funzionamento. UI fa riferimento nella propria letteratura alle ISO 8528, ma permette ai singoli costruttori dei gruppi di certificare la potenza continua da utilizzare per l alimentazione dei DC.

21 Sicurezza dell avviamento Un diesel, se non ha guasti meccanici e l impianto di alimentazione carburante funziona correttamente, si avvia sempre senza problemi! Perché non partono i motori diesel: sistema di avviamento non affidabile; impianto di alimentazione del carburante progettato e/o realizzato con un livello di affidabilità inadeguato; inadeguata gestione dell impianto.

22 Come irrobustire il sistema di avviamento due motorini di avviamento; corretto dimensionamento del pacco batterie. Per garantire numerosi avviamenti successivi senza che V scenda sotto il valore di allarme (20 V nei sistemi 24 V) che è comunque superiore del 25% rispetto a V minima richiesta per avviare il motore; utilizzo di batterie di elevata qualità. Normalmente si usano batterie al piombo ricaricate dall alternatore del motore e/o dall apposito carica batterie, montato nel quadro di controllo; monitoraggio in continuo della tensione del pacco batterie e trasmissione allarmi sul BMS del cliente; sistema di avviamento ridondante che permetta l avviamento del motore senza l utilizzo delle batterie.

23 Sistema ausiliario di avviamento E composto da un raddrizzatore alimentato dalla tensione del generatore ed è in grado di far partire il diesel anche senza le batterie. La potenza (circa 15 kw) è prelevata dalla energia cinetica immagazzinata. Principali vantaggi del sistema con raddrizzatore vita illimitata dei componenti, che non subiscono invecchiamento precoce a causa di temperature elevate; numero di avviamenti praticamente illimitato; nessuna necessità di manutenzione; non può provocare nessun tipo di danno al motore diesel; nessun problema di tipo ecologico.

24 Impianto di alimentazione carburante E composto dai seguenti elementi: serbatoio di servizio, da posizionare nelle immediate vicinanze del motore; cisterna di stoccaggio (interrata o da esterno); sistema automatico di travaso tra serbatoio di servizio e cisterna (pompa elettrica e manuale); sistema di filtraggio; tubazioni di collegamento (andata e ritorno) e relative valvole

25 La «regola dell arte» L impianto di alimentazione del carburante è un sistema ausiliario indispensabile a garantire l avviamento e il corretto funzionamento del motore. Per questo motivo deve essere progettato e realizzato nel rispetto delle leggi e delle norme tecniche in vigore in Italia e, soprattutto, secondo la regola dell arte. Nel seguito vengono elencate le regole fondamentali per realizzare un buon impianto di alimentazione.

26 La «regola dell arte» alimentazione del motore per gravità dal serbatoio di servizio, battente di almeno 500 mm (ISO per i servizi di sicurezza); serbatoio di servizio dimensionato tenendo conto anche del ritorno di gasolio impiegato per raffreddare la pompa di iniezione (problemi di surriscaldamento); il livello nel serbatoio di servizio deve essere monitorato in continuo da un sistema a 4 livelli che comanda l attivazione delle pompe di travaso. Tutti i segnali di allarme devono essere riportati BMS;

27 La «regola dell arte» prevedere una cisterna di stoccaggio per ciascun gruppo, dimensionata per una sufficiente autonomia in caso di black out prolungati. Per impianti di elevata affidabilità è suggerita una autonomia di 48 ore; ridondare (n+1) le pompe di travaso. Deve sempre essere prevista anche una pompa manuale; le tubazioni e i vari raccordi non devono essere in acciaio zincato. È raccomandato l utilizzo di tubazioni in acciaio inossidabile;

28 La «regola dell arte» lungo le tubazioni di ritorno non prevedere valvole o saracinesche di alcun genere; coibentare e riscaldare le tubazioni posizionate all esterno per evitare che in caso di basse temperature si formino paraffine; è opportuno installare i filtri separatori acqua (tipo Racor). Nel gasolio sono presenti tracce di acqua dovute a fenomeni di condensazione; è suggerita l installazione di un filtraggio in cascata (15 μm c.ca) a monte dei filtri motore previsti dal costruttore (5 μm).

29 La «regola dell arte» - impianti multipli Prevedere dei collegamenti tra le varie cisterne da attivare manualmente che permettano di alimentare tutti i gruppi anche in caso di fuori servizio di una cisterna.

30 Corretta gestione dell impianto Una gestione inadeguata ha gravi ripercussioni in termini di affidabilità, anche su sistemi ben progettati. Si raccomanda in particolare di: utilizzare combustibile conforme alle EN 590; non scendere sotto il fabbisogno minimo di copertura dell autonomia (normalmente 18/24h); prevedere contratti di fornitura gasolio con consegna in tempi predeterminati (es. 8 h); organizzare un efficace programma di manutenzione preventiva programmata.

31 Qualità del gasolio Principali fonti di contaminazione inquinanti solidi come ruggine e polvere entrati attraverso gli sfiati nei serbatoi; inquinanti liquidi: normalmente acqua dovuta alla condensa. Parametri indicativi della qualità del gasolio peso specifico: un minore peso specifico migliora la qualità dell iniezione e il potere calorifico; pour point: correlato alle difficoltà di spostamento del fluido nelle tubazioni (deposito di paraffine); concentrazione di acqua e presenza di sedimenti: indice della «pulizia» del carburante contenuto di cenere: contaminazioni a valle della raffineria.

32 Come ridurre l insorgenza dei problemi per ogni fornitura di gasolio far eseguire analisi da un laboratorio indipendente, (impianti con affidabilità elevata); far depositare i residui solidi all arrivo in cisterna prima dell utilizzo.

33 Manutenzione preventiva programmata Le principali operazioni da eseguire sono: controllo batterie: verificare (a batterie riposate e fredde) che il livello dell elettrolita sia tra min e max. Se il livello è inferiore al min ripristinarlo con acqua distillata (identificare la causa del problema e rimuoverla); se il motore rimane fermo controllare ogni mese l elettrolita; sostituzione periodica dei filtri combustibile, secondo le indicazioni del costruttore del motore; pulizia dei filtri separatori acqua; pulizia periodica delle cisterne di stoccaggio;

34 Manutenzione preventiva programmata verifica del funzionamento delle scaldiglie di preriscaldo del liquido refrigerante; individuazioni di trafilamenti/perdite del circuito di raffreddamento; verifica della concentrazione di antigelo; analisi periodiche dell olio lubrificante; provare l impianto con il motore diesel a piena potenza, almeno una volta all anno.

35 Scheda DSR (Diesel Start Reduction) Buco di tensione: diminuzione improvvisa della V (valore efficace) tra 90% e 1% Vn, seguita da un ripristino entro breve (CEI ). Rappresenta il 65% degli eventi lamentati dagli utenti. fino al 10% compensati senza limiti di tempo 10%-30% compensati fino a 3 s. In questo intervallo il D-UPS continua a operare in funzionamento normale. Superati i 3 s si avvia il Diesel > 30% avvio del Diesel NB: i costruttori dei diesel raccomandano che i motori lavorino con un carico almeno all 80% per non meno di 12 volte l anno.

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37 Innesto a ruota libera Senza lubrificazione esterna. Ridotta manutenzione. Meno componenti. Sistema collaudato. Non crea vibrazioni al momento dell innesto.

38 Innesto a ruota libera Anello esterno collegato al motore diesel Anello interno collegato alla parte dell unità cinetica induzione solidale con il rotore dell alternatore

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41 ISO : limiti di tolleranza G3 Capitolo 16: Performance class operating limit values Deviazione di tensione a pieno carico ±1% Modulazione della tensione (da picco a picco) = 0,3% Frequency droop (da 0 al 100% del carico) ±3% Modulazione della frequenza ± 0,5%

42 ISO : limiti di tolleranza G3 TRANSITORI A1 A2 frequenza -7% +10% recovery time 3 s 3s tensione -15% +20% recovery time 4 s 4 s

43 CEI 64-8/3*: Capitolo 35 ALIMENTAZIONE DEI SERVIZI DI SICUREZZA Par Generalità Sorgenti ammesse per i servizi di sicurezza: Batterie di accumulatori e Pile Altri generatori indipendenti dall alimentazione ordinaria Linea di alimentazione effettivamente indipendente da quella ordinaria (articolo parte 5) * Impianti elettrici utilizzatori a tensione nominale non superiore a 1000V in corrente alternata e a 1500V in corrente continua

44 CEI 64-8/3: Capitolo 35 Par Classificazioni L alimentazione dei servizi di sicurezza può essere: Non automatica: richiede l'intervento di un operatore. Automatica: non richiede l intervento di un operatore ed è classificatea in base al tempo entro cui diviene disponibile di continuità: assicura la continuità dell alimentazione, entro condizioni specificate per il periodo transitorio a interruzione brevissima < 0,15 s a interruzione breve 0,15 0,5 s a interruzione media 0,5 15 s a interruzione lunga > 15 s

45 CEI 64-8/5: SCELTA ED INSTALLAZIONE DEI COMPONENTI ELETTRICI Cap. 56: ALIMENTAZIONE DEI SERVIZI DI SICUREZZA 562.1: Sorgenti Le sorgenti di alimentazione dei servizi di sicurezza devono essere installate a posa fissa e in modo tale che non possano essere influenzate negativamente da guasti dell alimentazione ordinaria.

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47 Affidabilità (reliability) «Attitudine di un oggetto ad adempiere alla funzione richiesta nelle condizioni fissate e per un certo periodo di tempo» «Affidabilità viene usato per designare quella precisa caratteristica che indica la probabilità di successo o la percentuale di successi» (da UNI 9910)

48 Cenni storici I primi studi matematici sull affidabilità furono pubblicati dal matematico svizzero Giacomo Bernoulli ( ). I concetti matematici esposti da Bernoulli divennero di pratica utilità solo nel corso della seconda guerra mondiale, quando si verificò che la totalità dei sistemi di guida e di controllo delle V1, costituiti da un numero elevato di componenti non funzionò correttamente,. pur essendo realizzato con la massima attenzione. Oggi i componenti di grande serie degli impianti elettrici sono costruiti con materiali e tecniche così avanzate da risultare molto affidabili.

49 Affidabilità di un componente e dei sistemi Affidabilità r(t) di un singolo componente in determinate condizione di impiego, è il rapporto fra il numero degli oggetti sopravvissuti Ns(t) all istante t e il numero iniziale di oggetti N: Un sistema costituito da tre componenti (a, b, c) aventi ciascuno una affidabilità di 0,99 e che funzioni solo se tutti i componenti funzionano, ha la seguente affidabilità: 0,99 0,99 0,990,9703 Un sistema costituito da 300 componenti aventi ciascuno una affidabilità di 0,99 e che funzioni solo se tutti i funzionano, ha la seguente affidabilità: 0,05

50 Affidabilità dei sistemi Volendo portare l affidabilità di un sistema di 300 componenti al livello rs= 0,90 dovremmo usare componenti aventi ciascuno un livello di affidabilità 0,99965 Ciascun componente dovrebbe essere tratto da una popolazione con 35 esemplari difettosi ogni pezzi, ossia molto più costosi.

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52 OEE OVERALL EQUIPMENT EFFECTIVENESS- EFFICIENZA GLOBALE DELLE APPARECCHIATURE Fornisce una valutazione delle prestazioni per ogni zona di attività monitorata OEE = disponibilità x produttività x qualità % Disponibilità: rapporto tra il tempo di funzionamento e il tempo a disposizione. Produttività: rendimento della macchina in funzione del ciclo ideale. Qualità: percentuale dei pezzi senza difetto rispetto ai pezzi prodotti.

53 Indici di guasto: MTBF MTTF -MTTR MTBF:(MeanTime BetweenFailures): rapporto tra il tempo totale di funzionamento apparecchiature e il numero di guasti intervenuti. L MTBF deve essere definito in sede di progetto e comparire nelle specifiche del prodotto. MTTF(MeanTime To Failure ) intervallo di tempo trascorso il quale è mediamente probabile che si presenti il primo guasto su un elemento, mai riparato. MTTR(MeanTime To Restore) tempo medio di ripristino.

54 Le definizioni di MTBF MTTF MTTR t t 0 t 1 t 2 Guasto Riparazione MTTF = Mean Time To Failure MTTR = Mean Time To Repair MTBF = Mean Time Between Failure

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56 L ultimo chiarimento tecnico kvar kva kw copyright Brian

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