CAP.IV. TRASFORMAZIONE E CONVERSIONE DELL ENERGIA ELETTRICA (Bozza-III parte) IV.8 FONDAMENTI DI ELETTRONICA DI POTENZA

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1 CAP.IV TRASFORMAZIONE E CONVERSIONE DELL ENERGIA ELETTRICA (Bozza-III parte) IV.8 FONDAMENTI DI ELETTRONICA DI POTENZA IV.8. Circuiti raddrizzatori Tra i bipoli fondamentali si è già accennato ( I.7) al diodo ideale e reale (fig.iv.8.): si hanno fenomeni significativi di conduzione (con caratteristica non lineare) se la tensione tra anodo A è catodo C è positiva (tratto di conduzione ), non si hanno praticamente fenomeni di conduzione se tale tensione è negativa (tratto di interdizione, a meno di non raggiungere valori di tensione eccessivi che determinano il collasso (breadown) del componente). V AC A I anodo v AC i diodo reale diodo ideale I V AC C catodo + e(t) v u R u fig.iv.8. fig.iv.8.2 Un diodo reale viene realizzato attraverso una giunzione P-N di due strati di un materiale tetravalente puro, semiconduttore intrinseco come il Silicio, uno drogato con materiale trivalente (come il boro) che quindi rende lo strato ricco di lacune elettroniche (P è l anodo) e l altro drogato con materiale pentavalente (quale l antimonio) che quindi rende lo strato ricco di elettroni disponibili per la conduzione (N è il catodo). Applicando una tensione positiva si avrà una agevole migrazione o diffusione di elettroni verso l anodo e lacune verso il catodo; la migrazione inversa è evidentemente molto difficile. Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.

2 La caratteristica è fortemente asimmetrica; quindi, imponendo una tensione vac variabile (ad esempio sinuoidale), l intensità di corrente risulterà fortemente distorta e viceversa. Se si alimenta con un generatore sinusoidale una serie diodo-resistore (fig.iv.8.2), la caratteristica di fig. IV.8. andrà confrontata con quella del bipolo visto dal diodo v AC ( t) e( t) vac ( t) = e( t) Rui i = (IV.6.) R Tale caratteristica è una retta che intercetta la zona di conduzione se e(t)>0, quella di interdizione se e(t)<0 (fig. IV.8.3) V AC v AC ( t) = e( t) R i u diodo reale v 2 diodo ideale I t e fig.iv.8.3 fig.iv.8.4 La tensione sul diodo risulterà trascurabile se e(t)>0, per cui la tensione sul resistore v2 risulterà praticamente coincidente con e(t); se e(t) è minore di zero, risulterà invece piccola l intensità di corrente e quindi trascurabile la v2 (fig.iv.8.4, raddrizzamento ad una semionda). La tensione di uscita risulta quindi periodica con lo stesso periodo della e(t) se questa è periodica -, ma con un valore medio significativo; nel caso e(t) sia sinusoidale di valore massimo EM e periodo T t + T V* = vac 38 T π t ( t) dt EM = 0, EM Anche l intensità di corrente presenterà quindi un valore medio non nullo. Nel caso (frequente) in cui la e(t) sia fornita attraverso un trasformatore su ferro (fig.iv.5.5), questa circostanza potrebbe comportare saturazione del ferro e conseguente cattivo funzionamento del trasformatore. Per tensioni non elevate si può ricorrere ad una Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.2

3 alimentazione doppia del resistore Ru considerando un trasformatore con secondario a presa centrale (fig.iv.8.6), circuito a doppia semionda). Le due tensioni v2 e v2* sono di uguale ampiezza ed in opposizione di fase; a vuoto (Ru infinita) le correnti al secondario sono praticamente nulle perché i due diodi sono in antiserie; per R finita,, il diodo D conduce per il semiperiodo in cui v è positiva (mentre v* è negativa e quindi il diodo D* interdetto); per l altro semiperiodo D* conduce e D è interdetto. In tale caso, a parità di valore massimo EM della tensione di alimentazione il valore medio nel periodo T raddoppia t + T 2 V* = vac 636 T π t ( t) dt EM = 0, EM Tale valore risulta abbastanza prossimo al valore efficace della tensione di ingresso sinusoidale (=0,707 EM) (fig.iv.8.7) ; v AC i + v AC e=v 2 v u i Ru + D e=v 2 v 2 * R u v u D* fig.iv.8.5 fig.iv.8.6 v u v* 2 t v 2 fig.iv.8.7 Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.3

4 Con questa soluzione si avranno correnti a valor medio non nullo nei due avvolgimenti, significative in semiperiodi diversi; con opportune disposizioni (ravvicinate) dei due avvolgimenti si potrà creare un campo magnetico praticamente alternativo dovunque. Per tensioni più elevate si potrà utilizzare il circuito di fig. IV.8\.8 (ponte di Graetz) con unico avvolgimento interessato da correnti alternative + e=v 2 Ru v u fig. IV.6.8 Una versione polifase del circuito ad una semionda è presentata in fig.iv.8.9; la tensione sul carico è rappresentata in fig. IV.8.0 nel caso trifase. Come si nota, all aumentare del numero delle fasi il valore medio della tensione di uscita diventa sempre più prossima al valore massimo e si riduce sempre più il fattore di ondulazione. + e(t) i (t) + e2(t) i 2 (t) 0 + e3(t) 2 i 3 (t) v u Fig. IV.6.9 Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.4

5 v e 3 t e e 2 Fig.IV.6.0 Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.5

6 IV.8.2 Tiristori o SCR (Silicon Controlled Rectifier) Il TRIAC (triode for alternating current) Il tiristore o SCR è un diodo controllato. La effettiva conduzione del diodo, se ammessa, avviene solo se si invia un opportuno comando (anche un impulso ) di tensione sul terminale di controllo (gate G) (fig.iv.8.) V AC SCR reale A V AC I anodo catodo G gate SCR ideale I C fig.iv.8.- Caratteristica di un tiristore Il tiristore si comporta quindi come un interruttore a stato solido (in chiusura); inoltre esso si interdice se l intensità di corrente scende al disotto di un valore di soglia; in caso di grandezze variabili, si interdice sempre (e non si riaccende fino ad un nuovo comando sull elettrodo di controllo) se la intensità di corrente passa per lo zero. Il tempo di accensione è di -4 µs, quello di spegnimento di 0-25 µs Il TRIAC è costituito sostanzialmente da due SCR in antiparallelo, che hanno l elettrodo di controllo in comune. La conduzione può essere attivata sia per tensioni positive che negative (con impulsi positivi e negativi). In fig. IV.8.2 è rappresentata la caratteristica reale e quella ideale A I V AC C G V GC Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.6

7 V AC v AC TRIAC reale TRIAC ideale I V GC fig.iv.6.2- Caratteristica di un triac Come si vede si possono parzializzare i fenomeni di conduzione; il triac quindi può funzionare come un regolatore di corrente sinusoidale (alternata). Per elevate correnti e tensioni si preferisce usare due tiristori separati in antiparallelo, per meglio dissipare le perdite sul componente. Costruttivamente il tiristore è costituito da un quadruplo strato di semiconduttori p-n-p-n (fig. IV.8.3), con l'anodo collegato allo stato p esterno, il catodo allo strato n opposto ed il gate al p intermedio. L iniezione di elettroni attraverso l elettrodo di controllo consente la conduzione anche attraverso la giunzione inversa. fig.iv.8.3 L'impiego tipico si ha nei raddrizzatori di tensione controllabili, in grado di fornire tensioni continue regolabili da una tensione alternata fissa. Altri impieghi si hanno negli inverter e nei convertitori di tensione Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.7

8 alternata. Il circuito di innesco degli SCR fa si che questo si trova in ritardo rispetto alla tensione anodo-catodo; questo provoca un frazionamento della tensione raddrizzata (il cosiddetto Controllo di fase).. Altri fondamentali componenti dei circuiti di potenza sono alcuni tipi di transistori. Nel caso di tali componenti (funzionalmente simili a quelli impiegati nei circuiti elettronici di segnale) si è in presenza di giunzioni multiple PNP o NPN in cui i due strati esterni sono indicati come emettitore e collettore, lo strato centrale (base) regola il meccanismo di conduzione collettore-emettitore. Si rinvia ad altra occasione la descrizione del funzionamento dei transistori di segnale e di potenza. Tra questi ultimi preme tuttavia, segnalare gli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) di recentissima introduzione per le applicazioni nel campo della trazione ferroviaria, interessati da correnti di intensità superiori a 000 A e tensioni superiori a 6000 V (fig. IV.8.4) fig. IV.8.4 IGBT IV.8.3 La propulsione elettrica navale (obbligatorio per allievi navali) L impiego delle tecnologie elettriche non è nuovo nella catena di propulsione delle navi essendo noti fin dall inizio del secolo scorso i vantaggi in termini di efficienza e manutenzione di soluzioni elettriche alternative al tradizionale riduttore meccanico per ricondurre la velocità di rotazione dei motori diesel o a turbina al più basso numero di giri delle eliche. L introduzione dei convertitori elettronici ed in generale dei componenti elettronici di potenza ha consentito soluzioni ad hoc di sistema a bordo delle navi. Vengono adottate soluzioni miste (sistemi diesel-elettrici) o integrali (AES, all electric ships ). L impiego integrale delle tecnologie elettriche dell impiantistica di bordo assicura Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.8

9 importanti vantaggi, quali incremento del comfort a bordo per la riduzione di vibrazioni e rumore, maggiore spazio a disposizione, superiori prestazioni dinamiche della nave (ivi compresa la regolazione della velocità, il controllo locale e generale, i sistemi di registrazione ed allarme, la gestione di emergenze), riduzione di consumi ed emissioni, integrazione tecnologica e di automazione, manutenzione meno onerosa. Il campo di applicazione della propulsione elettrica navale è stato sicuramente quello delle navi di grande taglia ( 2 ), con particolare riguardo alle navi da crociera che negli ultimi anni hanno assunto dimensioni impensabilmente elevate. Le positive esperienze in termini di prestazioni, sicurezza e comfort stanno favorendo un rapido processo di trasferimento di tali soluzioni innovative ad altri comparti della navigazione commerciale e militare. Risulta oggi sempre più frequente il ricorso ad un sistema elettrico,in cui la potenza elettrica necessaria a bordo viene fornita da una centrale di generazione che alimenta i diversi carichi, propulsori compresi,attraverso un unico schema di distribuzione. Precedentemente, i blocchi dei motori e della trasmissione erano separati dai servizi ausiliari per l illuminazione e impianti elevatori e dal servizio elettrico per cucine ed accoglienza alberghiera. Ne risulta una maggiore efficienza strutturale complessiva dovuta alla possibilità di regolare il regime dei generatori all andamento dei carichi elettrici. Le moderne navi all-electric in servizio o in costruzione forniscono già elevati standard di qualità e sicurezza che comunque vanno sempre migliorando nelle nuove unità in fase di progetto 2 Ad esempio a bordo della nave da crociera Costa Fortuna (varata nel 2004) è installato un sistema di generazione della ABB Asea Brown Boveri, comprendente 6 alternatori per complessivi 90 MVA; esso è collegati ad un quadro di distribuzione in media tensione da 6,6 kv, per alimentare i servizi di hotel e di propulsione della nave. La propulsione è realizzata con due motori elettrici sincroni ciascuno da 20 MW di potenza a 40 giri, in grado di conferire all unità una velocità di 23 nodi. Il numero di giri dei motori elettrici viene controllato da azionamenti statici a frequenza variabile (cicloconvertitori) che consentono una regolazione accurata nell intera gamma di velocità, sia in marcia avanti che indietro. La nave Queen Mary con i suoi 86 MW di propulsione elettrica su quattro eliche e 2 MVA di alternatori detiene allo stato (200) il primato quanto a potenze elettriche installate. La propulsione è stata adottata anche su navi traghetto, navi oceanografiche, posacavi/tubi, navi rompighiaccio. Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.9

10 attraverso l ulteriore implementazione di tecniche avanzate e di tecnologie innovative. Particolare attenzione e sviluppo hanno riguardato i processori di controllo, la rete informatica di gestione, i problemi legati ad disturbi elettromagnetici di origine interna ed esterna ( compatibilità elettromagnetica ), la diagnostica e l affidabilità dei componenti e dei sistemi, l esercizio in sicurezza. IV.8.3. Sistemi per la produzione di energia elettrica a bordo di navi. Ogni nave è dotata di impianto autonomo in grado di produrre l energia elettrica richiesta durante la navigazione e in manovra. Può essere tuttavia prevista alimentazione da terra durante la permanenza in porto, anche per limitare al massimo i prodotti di combustione. Fino agli anni 70 gli impianti di propulsione erano costituiti o da turbine a vapore o da motori diesel a due o a quattro tempi; l alimentazione elettrica veniva fornita a mezzo di turboalternatori di adeguata potenza alimentati da vapore delle stesse caratteristiche termodinamiche del vapore che alimentava la turbina principale di propulsione. I turboalternatori dovevano essere affiancati da uno o più diesel alternatori detti comunemente gen-sets che provvedevano a soddisfare le esigenze di energia elettrica quando era limitata la disponibilità di vapore, e cioè quando la nave è in porto a motore di propulsione fermo (fig.iv.8.3.) Dopo gli anni 70 la propulsione navale tradizionale ebbe un crollo a vantaggio dei motori diesel e agli inizi degli anni 80, per la riduzione dei costi di esercizio della nave si passò agli impianti detti unifuel. Sulle navi dotate di motori a due tempi, fu introdotto il concetto di generatore-asse azionando direttamente il generatore per mezzo del motore di propulsione. Tra le possibili soluzioni si prevedeva l alternatore rotante alla stessa velocità dell elica quando il generatore è inserito lungo la linea d assi o all estremità del motore opposta a quella che aziona l albero portaelica. Per una disposizione diversa si prevede Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.0

11 un moltiplicatore di giri per far ruotare il generatore asse ad una velocità di rotazione superiore a quella dell elica. Altre soluzioni (meccaniche o elettroniche) consentono di scollegare la rotazione dell alternatore da quella dell elica. fig.iv.8.3. Schema di impianto per la produzione di energia elettrica a bordo mediante generatore asse a numero di giri costante: motore principale di propulsione, 2 generatore asse, 3 gen-sets IV Propulsione navale elettrica Il motore principale della nave può azionare un generatore elettrico che comanda un motore elettrico di propulsione. I primi impianti furono realizzati in corrente continua (dinamo); tale tipo viene ancora oggi impiegato in impianti particolari per la elasticità di regolazione di tali motori( 3 ). La propulsione in corrente alternata si è diffusa per i vantaggi dell alternatore sulla dinamo; inoltre, per gli sviluppi riscontrati nel campo dell elettronica di potenza si è passati dall uso motore asincrono al motore sincrono per potenza superiori a 0 ( 3 ) in alcuni casi (ad. es. sommergibili) l energia elettrica viene fornita da batterie di accumulatori di notevoli dimensioni, a loro volta ricaricati a mezzo di gruppi elettrogeni. Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.

12 MW. Le moderne navi da crociera sono a propulsione elettrica con due assi azionati da motori sincroni a tensione elevata (tipicamente 6- kv) ed eliche a pale orientabili o fisse a seconda del tipo di convertitore statico adottato oppure con propulsori di tipo azimutale ( azipod ). Nella fig.iv è presentato uno schema semplificato unifilare di una centrale per la propulsione elettrica per nave da crociera d) b) e) a) c) a) fig.iv Schema generale di propulsione elettrica: a) alternatori collegati a motori diesel, b) sbarra a 6 kv, c) Motore di propulsione alimentato alla tensione di 3 kv, d) Gruppi di condizionamento ed eliche di manovra, e) alimentazione dei carichi essenziali (macchina del timone, servizi generali, pompe dei circuiti di raffreddamento del motore,...), circuiti luce. La potenza richiesta dalla propulsione elettrica comporta una radicale rivisitazione dell impianto elettrico di bordo, il quale deve assicurare le necessarie capacità di generazione, regolazione e distribuzione dell energia elettrica a tutti gli utilizzatori. La suddetta Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.2

13 architettura di tipo tutto elettrico AES è fondata sul cosiddetto sistema elettrico integrato (IPS Integrated Power System). L IPS racchiude la centrale elettrica di bordo, basata sull insieme di generatori connessi ad una sbarra principale: da essa vengono alimentati, direttamente oppure tramite trasformatori o convertitori elettronici, tutti i carichi di bordo. I vantaggi offerti dal sistema AES sono notevoli: basti pensare alle superiori dinamiche dei motori elettrici rispetto ai diesel; la possibilità (avendo eliminato il vincolo della linea d asse) di allocare pesi ed ingombri in modo più razionale (offrendo un elevata flessibilità in termini di compartimentazione degli spazi e quindi di continuità del servizio in caso di guasti) la riduzione dei fumi e dei consumi di combustibile dovute alla possibilità di modulare il numero di motori primi (termici) in servizio al fine di esercirli nell intorno del punto di minimo consumo specifico; la conseguente riduzione di manutenzione ed il prolungamento della vita operativa del macchinario; maggior comfort dovuta alle assenze di vibrazioni; l utilizzo di supporti rotanti fuoribordo per alloggiare i motori elettrici (con il conseguente recupero di spazi a bordo della nave); l eliminazione del timone dei relativi attuatori e una manovrabilità di gran lunga superiore rispetto ai timoni tradizionali;l elevato grado di automazione degli apparati elettrici di centrale e di regolazione del moto dell elica con conseguente riduzione del personale addetto Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.3

14 fig.iv La fig. IV rappresenta il layout dell impianto in MT dell IPS di una tipica nave da crociera (si nota la doppia sbarra a kv, due trasformatori di servizio hotel, 2x2 macchine di condizionamento, 2x2 macchine per la spinta direzionale bow thruster, due motori da 7.4 MW per la propulsione, alimentati ciascuno tramite un cicloconvertitore 4 ). 4 Trattasi di un sistema trifase raddrizzatore-inverter per conversione di tensione sinusoidale a frequenza ed ampiezza fissa in tensione sinusoidale a frequenza ed ampiezza variabile. Cap. IV Trasformazione e conversione dell energia elettrica III parte - pag.4