Impianti navali B Parte II II semestre 2013 giulio.barabino@unige.it danilo.tigano@unige.it 1
Sistema elettrico per l'energia isolato Def: un sistema elettrico per l'energia si definisce isolato quando non e' raggiungibile dalla rete di trasmissione e distribuzione terrestre dell'energia elettrica. Un sistema elettrico isolato richiede tutti gli elementi di un sistema completo. Esempio: natanti, aerei, auto, durante il movimento non possono utilizzare la rete di distribuzione terrestre. 2
Sviluppo degli impianti elettrici navali Funzioni vitali di una nave dipendenti dall energia elettrica: il governo e la navigazione, impianti ed apparecchiature per l automazione e la sicurezza, le macchine ausiliarie, di scafo e di coperta, apparati di telecomunicazione, illuminazione, ventilazione e condizionamento 3
Sviluppo degli impianti elettrici navali Def: si definisce potenza elettrica installata a bordo la somma delle potenze nominali o di targa dei generatori e delle utenze elettriche Def: si definisce coefficiente di elettrificazione E il rapporto tra potenza elettrica installata, espressa in kw e la stazza lorda espressa in tonnellate. E=P/TSL [kw/t] 4
Il comfort a bordo ambiente: moti indesiderati, rumore, vibrazioni, clima interno, odori, illuminazione, servizi: alimentazione, igiene, ricreazione, informazione, dimensioni: volumi/superfici dei locali in rapporto al numero di utilizzatori, estetica o design: forme, colori, funzionalità, varietà, vista sull'esterno, sicurezza: impianti di sicurezza, allarmi, informazioni, sfuggite, mezzi di salvataggio 5
Il rischio a bordo i rischi per la vita umana: qualora non si adoperino adeguate precauzioni, sussiste durante la navigazione un rischio per la vita umana superiore a quello che si ha usualmente in ambienti di vita e lavoro terrestri, con maggiori difficolta' di intervento legate ad esempio accessibilita' dei soccorsi condizioni meteo-marine individuazione della posizione nave rischi per l ambiente: il frequente trasporto via mare di materiali tossici o fortemente inquinanti (primo fra tutti il petrolio e i suoi derivati) comporta un maggiore rischio per l ambiente a causa della possibilità di dispersione in mare di tutto o parte del carico trasportato 6
Enti normatori (I) IMO International Maritime Organization Fondata nel 1948 MSC Marine Safety Committee MEPC Marine Environment Protection Committee SOLAS International Convention on Safety of Life at Sea prima adozione nel 1960 e pienamente operativa dal 1965 seconda versione nel 1974, effettiva nel 1980 dal 1980 numerose varianti, normalmente operative nell'arco di due anni 7
Enti normatori (II) R.I.NA. Registro Italiano Navale organo tecnico del Ministero dei Trasporti e della Navigazione (D.L. 340/47) col compito di predisporre prescrizioni tecniche aggiuntive (regolamenti) oltre a quelle già previste dall IMO effettuare la verifica che le navi soddisfino le prescrizioni internazionali e nazionali, sia in fase di costruzione e/o collaudo, che durante la vita utile della nave stessa rilasciare certificati di conformità Aderisce a IACS International Association of Classification Societies 8
Enti normatori (III) IEC International Electrotechnical Commission fondata nel 1906 prepara e pubblica normative tecniche in campo elettrotecnico ed elettronico adozione delle norme IEC da parte di una nazione interamente di tipo volontario Per l'italia l'organismo aderente a IEC e deputato a queste funzioni e' CEI Comitato Elettrotecnico Nazionale 9
Enti normatori (IIIa) Legge 186/68: Disposizioni concernenti la produzione di materiali, apparecchiature, macchinari, installazioni e impianti elettrici ed elettronici Art. 1 - Tutti i materiali, le apparecchiature, i macchinari, le installazioni e gli impianti elettrici ed elettronici devono essere realizzati e costruiti a regola d arte Art. 2 - I materiali, le apparecchiature, i macchinari le installazioni e gli impianti elettrici ed elettronici realizzati secondo le norme CEI si considerano costruiti a regola d arte. 10
Enti normatori (IIIb) Comitato tecnico 18 pubblica le norme CEI di ambito navale recepisce generalmente senza modifiche analoghe norme tecniche emesse dalla IEC I Regolamenti emessi dal RINA, per la parte relativa al sistema elettrico di bordo, si ispirano sostanzialmente alle norme IEC, richiamandole spesso per i dettagli tecnici 11
Enti normatori (IV) ISO International Organization for Standardization fondata nel 1947 e' la più importante organizzazione a livello mondiale per la definizione di norme tecniche. ha il suo quartier generale a Ginevra in Svizzera membri dell'iso sono gli organismi nazionali di standardizzazione di 162 Paesi del mondo in Italia le norme ISO vengono recepite, armonizzate e diffuse dall'uni, il membro che partecipa in rappresentanza dell'italia all'attività normativa dell'iso ISO coopera strettamente con IEC 12
Principali norme di riferimento per le imbarcazioni da diporto Norma CEI 64-8 "Impianti elettrici utilizzatori a tensione nominale non superiore a 1000 V in corrente alternata e a 1500 V in corrente continua"; Norma IEC 364-7-709 "Marinas and pleasure craft"; Norma CEI EN 60092-507 (CEI 18-56) "Impianti elettrici a bordo di navi - Parte 507: Imbarcazioni da diporto" (per i sistemi elettrici monofase e in corrente continua delle imbarcazioni di lunghezza compresa fra 24 e 50 m, e per i sistemi elettrici trifase di tutte le imbarcazioni fino a 50 m) Norma ISO 10133 "Unità di piccole dimensioni - Impianto elettrico - Impianti elettrici c.c. a tensione molto bassa" (per i sistemi elettrici in corrente continua delle imbarcazioni di lunghezza inferiore ai 24 m) 13
Principali norme di riferimento per le imbarcazioni da diporto (II) Norma ISO 13297 "Unità di piccole dimensioni - Impianto elettrico - Impianti a c.a." (per i sistemi elettrici monofase delle imbarcazioni di lunghezza inferiore ai 24 m) Norma CEI 64-8 sezione 709 "Porti turistici ed imbarcazioni da diporto" attualmente in fase di studio; IEC201 / CEI 18-44 Impianti elettrici a bordo di navi- Parte 201: Progettazione di sistema - Generalità 14
Impianto elettrico una o più sorgenti o generatori di energia elettrica un sistema di distribuzione utenze Classificazione degli impianti elettrici in base al tipo di corrente usata: corrente continua (CC) valore della tensione in volt (V) corrente trasportata in ampere (A) 15
Impianto elettrico (II) corrente alternata (CA) valore della tensione in volt (V) della corrente trasportata in ampere (A) della frequenza in hertz (Hz) distribuzione monofase o trifase 16
Confronto tra corrente continua ed alternata Vantaggi del sistema CC facilità di regolazione dei giri dei motori o azionamento di picchi di carico mediante reostati in passato azionamenti elettronici a diodi controllati oggi possibilità di alimentazione diretta da accumulatori di emergenza Numerosi svantaggi limite della tensione utilizzabile nel macchinario (dinamo e motori) per la presenza del collettore a lamelle. costo, peso ed ingombro del macchinario 17
Confronto tra corrente continua ed alternata (II) elevata incidenza della manutenzione impossibilità di usare trasformatori e quindi vincolo sulle tensioni disponibili impossibilità della distribuzione trifase e quindi linee o cavi più pesanti e costosi a parità di potenza; difficoltà maggiori nell'interruzione della corrente, che a differenza di quella CA non va mai spontaneamente a zero. Anche con impianti in CC si preferisce produrre l'energia elettrica con alternatori e successivamente trasformarla in CC mediante raddrizzatori 18
Confronto macchine elettriche a 50 Hz (EU) e 60 Hz (USA) La velocità di una macchina sincrona vale: n s = 60 f p Dove: f = frequenza [Hz] e p = numero di coppie polari. La potenza meccanica è data dal prodotto della coppia per il numero di giri dimensionalmente [W] = [Nm rpm 2π / 60] a parità di potenza le macchine a 60 Hz utilizzano meno coppia e risultano meno ingombranti e pesanti. 19
Tipologie di impianti elettrici di bordo impianti principali impianti ausiliari impianti speciali 20
Impianti elettrici principali Propulsione elettrica rendimento complessivo soluzione diesel-elettrica svantaggio, in particolare sulle potenze inferiori, di richiedere almeno due macchine in piu' rispetto alla propulsione diesel: il motore elettrico sistema di controllo e conversione 21
Vantaggi della propulsione elettrica e diesel-elettrica diesel-elettrica: uso di motori diesel veloci e di piccola taglia con più bassa emissione di rumore; propulsione elettrica (alimentazione da batterie o fonti alternative): nessuna emissione di sostanze inquinanti e basso rumore acustico, ideale in ambienti ecologicamente protetti; modularità dei motori e conseguente risparmio nella manutenzione; sicurezza, in caso di guasto si possono usare gli altri gruppi; alta manovrabilità per l'uso dei nuovi sistemi a piede rotante (tipo azipod). 22
Note realizzative per quanto visto nel confronto tra CA e CC conviene che l'impianto sia in CA la difficoltà della regolazione in velocità dei motori CA viene risolta sistemi di azionamento elettronico (convertitori di frequenza) sistemi d'elica a geometria variabile Per grandi potenze installate conviene che la generazione sia ad alta tensione 1500, 6000 o più volt, ed i motori di propulsione funzionino alla stessa tensione. 23
Power plant (I) 24
Power plant (II) 25
Power plant (III) 26
Impianti ausiliari illuminazione normale e di emergenza piccola forza motori monofase resistenze di riscaldamento carica batterie forza (motori trifase) 27
Impianti ausiliari (II) standard europeo in CA 50Hz illuminazione e piccola forza 220 V (oggi 230 V) forza 380 V (oggi 400 V) L'alimentazione di emergenza di alcuni impianti ausiliari può essere fornita da batterie di accumulatori o da un elettrogeno appositamente previsto per tale servizio e rispondente alle norme di sicurezza al riguardo. 28
Impianti speciali categorie tipiche sistemi di comunicazione sia interni, sia con l'esterno apparecchiature di navigazione impianti di automazione e di controllo Anche per gli impianti speciali essenziali per la sicurezza nave e' prevista una alimentazione di emergenza. 29
Tensioni per sistemi navali in C.C. (IEC 201) 30
Tensioni e frequenze per sistemi navali in C.A. (IEC 201) 31
Tolleranze RINA 32
Livelli di tensione usualmente utilizzati nella nautica da diporto super e mega yacht di lusso Europa 400V 3f+N a 50 HZ USA 208/120V 3f+N a 60 Hz imbarcazioni medio piccole Europa 220V monofase, raramente trifase a 50 Hz Usa 240/120 2f+N a 60 Hz, raramente 120V 1f a 60 HZ In assenza di trifase a bordo, la monofase non si presta per alimentare grossi carichi quali verricelli ancore, argani, tonneggi, gru a causa degli elevati spunti di potenza richiesti: in tal caso viene utilizzata la CC a 24 V. 33