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Utilizzazione e dimensionamento

Articolo n° 2 su 6 del corso "Gruppi elettrogeni". Vai all'indice del corso.

Paragrafi dell'articolo:

  1. GE in emergenza
  2. Costituzione
  3. Regime dinamico
  4. Criteri di scelta
  5. Dimensionamenti
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Utilizzazione dei G.E. in Emergenza

I gruppi elettrogeni, la cui utilizzazione rientra in tali caratteristiche, (UPS) per l’alimentazione degli impianti di emergenza, per potenze superiori ai 200 kW, devono essere autorizzati dal Ministero delle Attività Produttive, cui va presentata domanda in carta bollata, specificando nominativo, località d’installazione, marca, potenza e numero di matricola del motore e dell’alternatore. L’autorizzazione all’uso del gruppo elettrogeno, purché la potenza del gruppo sia inferiore a quella della fornitura principale, viene di norma concessa; tuttavia si dovrà effettuare denuncia all’UTIF (Ufficio Tecnico Imposte di Fabbricazione) territorialmente competente, il quale imporrà la posa di un misuratore a cura dell’autoproduttore d’energia, al fine di addebitare le imposte sui consumi. Le spese possono essere fissate in misura forfettaria, oppure in base alle indicazioni del misuratore di potenza precedentemente detto.

Spese per la produzione di energia con  i gruppi elettrodiesel

La spesa per la produzione d’energia elettrica, con i gruppi utilizzati come emergenza, è molto contenuta ed è essenzialmente riconducibile alle spese del consumo del combustibile ed all’imposta erariale per l’autoproduzione d’energia; inoltre i costi di manutenzione sono in sostanza nulli, perché l’utilizzo del gruppo non è continuo ma solo saltuario cioè quando viene a mancare l’alimentazione principale del fornitore d’energia elettrica. A titolo d’esempio facciamo un calcolo ipotizzando il funzionamento di un gruppo elettrogeno da 50 kW per 5 h al mese, alla massima potenza. Per i gruppi di potenza inferiore ai 200 kW che sono la stragrande maggioranza dei gruppi installati in Ferrovia, abbiamo che il consumo mensile (Cm) di gasolio (vedi appendice) è:

Cm[kg] = Cper_ogni_kW_prodotto[kg/kWh]*nore_funzionamento[h]*Pmacchina[kW ] = [kg]

Cm[kg]=0,215[kg/kWh]*5[h]*50[kW] = 54[kg]

considerando che il peso specifico medio del gasolio è pari a (0,85 kg/dm3) e che 1dm3 =1l il consumo mensile (Cm) espresso in l è dato dalla seguente relazione:

pertanto un gruppo da 50 kW che funziona per 5 ore al mese al massimo della potenza consuma circa 64 litri di gasolio che ai prezzi attuali (0,935 €/l) si traduce in un esborso mensile di circa 60 €. Considerando che la potenza di 50 kW è associabile ad un media stazione si può rilevare che l’esborso è esiguo.

Funzione

Il gruppo elettrogeno è il complesso formato da un generatore d’energia elettrica (alternatore) mosso da un motore. Esso è destinato a sopperire, con intervento completamente automatico, alla mancanza o inidoneità dell'alimentazione della rete ENEL a tensione trifase 380 V - 50 Hz. E' previsto il servizio continuo per ovviare a mancanze di rete ENEL prolungate. 

Regime di funzionamento

In regime di normalità l’impianto è alimentato dalla rete a 380 V - 50 Hz trifase. In assenza totale o parziale (mancanza di una singola fase) della stessa, o allorquando la tensione di rete superi il valore nominale di una percentuale stabilita e tarabile, il gruppo elettrogeno si avvia in maniera totalmente automatica, si porta in regime in un periodo di pochi secondi e tramite commutazione elettromeccanica alimenta l'impianto fino a che la rete non rientra nei suoi parametri di normalità. A tal punto, dopo un intervallo stabilito e programmabile, avviene la commutazione su rete e si ripristina l'automatismo per successivi cicli d’intervento. Dal momento delle commutazioni su rete, dopo un tempo stabilito e regolabile per permetterne il raffreddamento, il gruppo elettrogeno si fermerà.

Costituzione

Nella sua architettura generale il gruppo elettrogeno da istallare è composto dalle seguenti parti:

  • a) - Motore Diesel
  • b) - Alternatore trifase
  • c) - Interruttore di macchina
  • d) - Serbatoio carburante di servizio
  • e) - Batterie d’accumulatori
  • f) - Armadio di comando e controllo con commutazione (Rete - G E)

a) Motore diesel

Il motore a ciclo Diesel accoppiato all'alternatore è montato su basamento in profilati d’acciaio tale da assicurare un perfetto allineamento dell'accoppiamento. Per impedire la trasmissione di vibrazioni al pavimento sottostante, tra il basamento metallico ed il gruppo motore sono interposti appositi supporti elastici antivibranti. Il raffreddamento del motore è ad aria. La piena potenza nominale del motore ( Norme DIN 6271 - Curva A - 1500 r.p.m.) è assicurata nel range di temperatura ambiente -10°C a +45°C, altitudine 0 m sul livello del mare, umidità relativa dell'aria del 60 %. E' dotato di dispositivo automatico di preriscaldamento olio per facilitare l'avviamento. E' corredato di marmitta silenziatrice completa di tubazioni ed accessori (tubo flessibile, tubo rigido, curve, manicotti, flange a muro, fascette stringitubo, profilati per attacco al soffitto, supporti antivibranti). E' dotato dei seguenti dispositivi di sicurezza:

  • Controllo bassa pressione olio;
  • alta temperatura olio;
  • velocità di fuga:
  • gasolio a livello critico;
  • mancato avviamento ripetuto.

Tali dispositivi oltre a provocare il fuori servizio del gruppo elettrogeno generano una segnalazione ottica - acustica tacitabile d’allarme.

b) Alternatore

Il generatore elettrico sincrono trifase, accoppiato coassialmente al motore, è del tipo senza spazzole, autoventilato e presenta grado di protezione IP 44 ( Norme CEI 70 - 1). La sua classe d’isolamento appartiene al tipo F (155 °C), ma la massima sovratemperatura ammessa a pieno carico nel punto più caldo degli avvolgimenti non supera gli 80 °C. Le sue caratteristiche rispondono alle norme CEI per le macchine rotanti.

c) Interruttore di macchina

A bordo del gruppo elettrogeno stesso, racchiuso in un contenitore con grado di protezione IP20, è inserito l'interruttore di protezione d’uscita del generatore, di tipo tetrapolare e provvisto di bobina di sgancio magnetotermica.

d) Serbatoio

Il serbatoio carburante di servizio, separato, prevede l'istallazione nello stesso localo del gruppo. Realizzato in acciaio, con giunti saldati è dotato dei dispositivi di sicurezza in conformità alla Circolare del Ministero dell'Interno n. 31 / MI.SA del 31/08/1978 e circolare n. 73 del 29/07/1971 e modificazioni e varianti successive.

Caratteristiche del serbatoio

In relazione alla potenza del gruppo esso presenta le seguenti capacità: Potenze fino a 100 KW: 50 litri - Potenze superiori a 100 KW: 120 litri E’ realizzato gia predisposto per il collegamento con un ulteriore serbatoio di deposito non facente parte della fornitura. E' dotato di pompa manuale ed elettrica per il riempimento dal serbatoio di deposito predetto. Il flusso di combustibile al gruppo avviene solo tramite circolazione forzata. La tubazione d’alimentazione è inoltre provvista di un organo d’intercettazione a chiusura rapida e comandabile a distanza dall'esterno del locale del gruppo.

e) Batterie di accumulatori

Il gruppo elettrogeno è dotato di batterie d’accumulatori di tensione nominale 24 Vcc la capacità delle quali varia in funzione della potenza gruppo.

f) Armadio di comando e controllo con commutazione Rete-G.E.

Le funzioni di comando e controllo del gruppo elettrogeno e la circuiteria atta a consentire la commutazione rete - gruppo elettrogeno e viceversa sono riunite ed assemblate in un unico armadio, separato dal gruppo stesso, del tipo per istallazione a pavimento. La costruzione dello stesso è eseguita in conformità alle Norme CEI 17-13. L'accessibilità' di tutta la componentistica cablata all'interno del quadro è ottenuta a mezzo di pannelli frontali, incernierati ed apribili fino a 180°, con maniglia a chiave tipo Yale. Dopo l'apertura dei pannelli si ha una disposizione a vista di tutta la componentistica interna con conseguente facile accessibilità per operazioni di manutenzione e/o sostituzione. Il grado di protezione del quadro è IP 20 mentre, a sportello anteriore aperto, è presente un ulteriore pannellatura atta ad evitare il contatto accidentale con le parti attive.

Pannello frontale

Sulla parte frontale dell'armadio sono disponibili per l'operatore tutte le strumentazioni e tutte le segnalazioni relative al motore Diesel ed all’alternatore.

Interno armadio

Nella parte interna dell'armadio, oltre all'elettronica di comando e di controllo, sono inseriti:

  • I dispositivi necessari all'effettuazione della commutazione rete – gruppo;
  • gli organi di commutazione sono costituiti da n. 2 contattori tetrapolari interbloccati elettricamente e meccanicamente (rif. Norme CEI 11-20)
  • le morsettiere d’attestaggio dei conduttori ingresso - uscita di potenza e di segnalazione allarme per trasmissione a distanza
  • i connettori per interconnessione elettrica con il gruppo elettrogeno

Conduttori

Tutti i conduttori sono numerati in prossimità dell'ancoraggio relativo con numerazione riscontrabile dagli schemi elettrici

Circuiti di comando

Tutta la circuiteria di comando è realizzata in schede elettroniche recanti per ogni elemento la serigrafia a vista.

Modalità di installazione e comportamento nei transitori

Installazione dei Gruppi Elettrogeni sugli Impianti

Come si può vedere le due linee d’alimentazione (Enel - G.E.) confluiscono nel quadro G.E. che svolge la funzione di scambio con interblocco delle due sorgenti d’alimentazione. La prossima figura rappresenta lo schema d’installazione di un Gruppo Elettrogeno negli impianti di emergenza

 

Comportamento dell’alternatore durante i transitori dovuti a forti variazioni di carico

Data la peculiarità delle utenze ed in considerazione della variazione della tensione al carico ammessa in regime transitorio  si rende necessario scegliere un alternatore con una reattanza subtransitoria molto contenuta. In un alternatore si può pensare la reattanza sincrona come costituita da due reattanze di cui, una (Xa) dovuta al flusso disperso, (che non varia col carico), e l’altra fittizia, dovuta alla reazione dell’indotto sull’induttore, che chiameremo reattanza sincrona diretta (Xad, che varia con il carico)

La formula che esprime l’impedenza sincrona di un alternatore e:  Zas = ra + jXas dove ra sta ad indicare la resistenza ohmica della fase dell’avvolgimento indotto dell’alternatore e Xas sta ad indicare la reattanza sincrona dell’alternatore. In un alternatore la resistenza ra in genere è notevolmente minore di Xas (il valore della resistenza è circa la decima parte del valore della reattanza sincrona). Nei primi istanti di un corto circuito netto trifase ai morsetti dell’alternatore, si può ipotizzare che la reattanza transitoria, sia costituita dalla sola reattanza di dispersione (Xa) e che la corrente sia limitata soltanto dalla resistenza ohmica e dalla reattanza di dispersione. Nei primissimi istanti del corto circuito si ha una reattanza transitoria ancora più piccola che chiameremo reattanza subtransitoria X’as che consente all’alternatore di erogare tutta la corrente necessaria al carico, giacché l’effetto risultante è quello di ridurre drasticamente la caduta di tensione sulla reattanza (Xas) dell’alternatore. Trascorsi i primissimi istanti del corto circuito, in altre parole della forte variazione di carico, il valore risultante della corrente si stabilizza ed è limitato oltre che dalla resistenza ohmica dalla reattanza di dispersione (Xa)

Nelle grandi macchine moderne la corrente di corto circuito, in corrispondenza dell’eccitazione normale, può assumere un valore doppio o triplo del valore della corrente nominale. Nel periodo transitorio invece, in corrispondenza della stessa eccitazione, la corrente erogata dall’alternatore, può assumere valori molto elevati; perfino, in qualche caso, dell’ordine di dieci volte il valore della corrente nominale. Vedremo in seguitocome sarà questa grandezza a determinare la scelta della potenza dell’alternatore

Criteri per la scelta della potenza del Gruppo Elettrogeno

Per una corretta scelta della potenza di un gruppo elettrogeno deve essere preso in considerazione

  1. Il tipo di servizio cui è destinato
  2. le condizioni ambientali di funzionamento
Tipo di servizio

I tipi di servizio o d’utilizzazione di un gruppo elettrogeno possono essere così sintetizzati

  1. Servizio d'emergenza
  2. Servizio Continuo

Nel servizio d’emergenza il gruppo è utilizzato in caso di mancanza della Rete Pubblica d’alimentazione. Nel servizio Continuo il gruppo è l’unica fonte d’energia elettrica e pertanto la sua utilizzazione è di 24 ore su 24.

Condizioni ambientali di riferimento

Le condizioni ambientali di riferimento di un gruppo elettrogeno sono così distinte:

  1. Condizioni dei motori Diesel;
  2. condizioni degli alternatori

Le condizioni di riferimento dei motori Diesel in genere sono:

  • temperatura ambiente di 20 °C;
  • altitudine 300 m s.l.m.;
  • umidità relativa del 60%.

Per impieghi diversi dalle condizioni di riferimento, vanno presi in considerazione i diagrammi di dimensionamento dei motori Diesel (vedi appendice)

Le condizioni di riferimento degli alternatori sono:

  • altitudine 1000 m s.l.m.;
  • temperatura ambiente 40°C.

Per impieghi diversi dalle condizioni di riferimento vanno presi in considerazione i diagrammi di correzione delle potenze degli alternatori (vedi appaendice)

Dimensionamento della potenza del Gruppo Elettrogeno

Dati del carico da alimentare: carico trifase equilibrato

  1. Tensione nominale = 380 V ±5%;
  2. potenza apparente nominale (A) = 60 kVA;
  3. potenza attiva nominale (P) = 30 kW;
  4. fattore di potenza cosf = 0,5;
  5. frequenza nominale = 50 Hz ±5%;
  6. temperatura ambiente =(-10¸+55°C).

Le richieste tecniche per la fornitura dei gruppi , prescrivono che la reattanza subtransitoria diretta dell’alternatore, deve essere 3% per potenze nominali fino a 100 kVA e 4% fino a 340 kVA.

Le variazioni ammesse in regime statico sono:

  • tensione = ±1,25%;
  • frequenza = ± 0,25%;

Le variazioni ammesse in regime dinamico sono:¸

  • tensione = ±15%;
  • frequenza = (+6% ÷ -10%).

Calcolo della potenza dell’alternatore

Per il dimensionamento dell’alternatore bisogna prendere in considerazione il fattore di potenza cosfì= 0,5 perché rappresenta la peggiore condizione di funzionamento (sovraccarico del sistema d’eccitazione). La scelta dell’alternatore è fatta partendo dalla potenza nominale del carico ed utilizzando la seguente relazione:

da cui

Il valore del rendimento di un alternatore della potenza da 150 kVA che funziona al 50% della potenza nominale con cosfì= 0,5 è pari 0,84 (vedi appendice). La potenza meccanica richiesta dall’alternatore pertanto è:

Per rispettare le richieste tecniche che prescrivono una temperatura ambiente di 55°C ed un cosfì= 0,5 bisogna utilizzare i coefficienti k(a), k(c), k(t), (vedi appendice) dove:

  • k(a) = 1;
  • k(c) = 0,84;
  • k(t) = 0,91.

Pertanto la potenza meccanica effettiva richiesta all’asse dell’alternatore deve essere:

 

Se esprimiamo la potenza in cavallo – vapore anziché in kW avremo:

 

Considerando che nelle macchine elettriche la potenza è solitamente espressa in kVA; la potenza nominale apparente dell’alternatore deve essere di:

 

Alla luce di quanto calcolato, l'alternatore deve essere da 100 kVA di potenza nominale. Resta inteso che, in base alle richieste tecniche, l'alternatore così scelto sarà classificato come alternatore idoneo ad erogare una potenza apparente nominale An= 60 kVA, fino ad un cosfì= 0,5.

Se vogliamo che l’alternatore soddisfi le richieste tecniche  anche per quanto riguarda il valore della reattanza subtransitoria diretta, (grandezza molto importante che interviene nelle fasi transitorie dovute a variazioni brusche del carico), questo dovrà essere scelto in modo che il valore, della reattanza subtransitoria diretta, sia del 3% per potenze nominali comprese tra 10 e 100 kVA, e del 4% per potenze nominali comprese tra 101 e 340 kVA. Per la scelta quindi della potenza dell’alternatore basta riferirsi alla tabella delle caratteristiche degli alternatori (vedi appendice). Basta fare una semplice proporzione e si calcola la potenza dell’alternatore nel seguente modo:

 

alternatore da 100kVA

il valore è maggiore di tre e pertanto la potenza dell’alternatore non soddisfa le richieste tecniche. Procedendo nello stesso modo verifichiamo qual è la minima potenza dell’alternatore che soddisfa le richieste tecniche.

alternatore da 120kVA

alternatore da 150kVA

Alla luce di quanto precedentemente detto e calcolato si evince che la potenza dell’alternatore da scegliere è di 150 kVA. Resta inteso che, in base alle richieste tecniche, l’alternatore così scelto sarà classificato come alternatore idoneo ad erogare una potenza apparente nominale An= 60 kVA, fino ad un cosfì = 0,5.

Calcolo della potenza del motore Diesel

Per il dimensionamento del motore Diesel bisogna prendere in considerazione il fattore di potenza cosfì= 0,5 richieste tecniche. La scelta del motore Diesel deve essere effettuata tenendo nel dovuto conto le seguenti grandezze di riferimento:

  • temperatura ambiente di 45°C;
  • altitudine 0 m s.l.m.;
  • umidità relativa del 60%.

Il valore della potenza meccanica effettiva richiesta all’asse, come precedentemente calcolato è di 64 CV e pertanto considerando i grafici (vedi appendice), si determina il rendimento del motore Diesel in relazione all’altitudine ed alla temperatura ambiente ( h = 0,9). La potenza meccanica effettiva disponibile all’asse deve essere di:

Se esprimiamo la potenza in kW anziché in cavallo – vapore avremo:

Alla luce di quanto calcolato, il motore Diesel deve rendere disponibile una potenza utile all’asse di circa 52 kW (71 CV).

Come conclusione possiamo dire che per alimentare un carico da 60 kVA con cosfì= 0,5 alle condizioni delle richieste tecniche bisogna scegliere un gruppo elettrogeno costituito da un alternatore da 150 kVA commerciali e da un motore Diesel da 71 CV a 1500 r.p.m..

Se vogliamo invece che il motore Diesel alimenti un carico anche tutto attivo, per il suo dimensionamento bisogna ripetere il procedimento precedente come se l’alternatore funzionasse non più con un  fattore di potenza (cosfì = 0,5) ma bensì con un fattore di potenza pari a (cofì =1). Quindi il calcolo per il dimensionamento dell’alternatore va ripetuto considerando un carico puramente ohmico (cosfì= 1).

La scelta dell’alternatore è fatta partendo dalla potenza nominale del carico ed utilizzando la seguente relazione:

da cui        

  

Il valore del rendimento di un alternatore della potenza da 150 kVA che funziona al 50% della potenza nominale con cosfì= 1 è pari 0,93. (vedi appendice). La potenza meccanica richiesta dall’alternatore pertanto è:

Per rispettare le richieste tecniche , che prescrivono una temperatura ambiente di 45°C ed un cosfì= 1 bisogna utilizzare i coefficienti k(a), k(c), k(t), (vedi in appendice) dove:

  • k(a) = 1;
  • k(c) = 1;
  • k(t) = 0,97.

Pertanto la potenza meccanica effettiva richiesta all’asse dell’alternatore deve essere:

Se esprimiamo la potenza in cavallo – vapore anziché in kW avremo:

 

Alla luce di quanto calcolato, l’alternatore deve essere da 150 kVA di potenza nominale. Resta inteso che, in base alle richieste tecniche, l’alternatore così scelto sarà classificato come alternatore idoneo ad erogare una potenza apparente nominale An= 60 kVA, fino ad un cosfì=0.5

Per il dimensionamento del motore Diesel bisogna prendere in considerazione il fattore di potenza cosfì= 1 (richieste tecniche) poiché rappresenta la peggiore condizione di funzionamento. La scelta del motore Diesel deve essere effettuata tenendo nel dovuto conto le seguenti grandezze di riferimento:

  • temperatura ambiente di 45°C;
  • altitudine 0 m s.l.m.;
  • umidità relativa del 60%.

Il valore della potenza meccanica, come precedentemente calcolato è di 91CV e pertanto considerando i grafici (vedi appendice) si determina il rendimento del motore Diesel in relazione all’altitudine ed alla temperatura ambiente ( h = 0,9) e pertanto la potenza meccanica effettiva disponibile all’asse deve essere di:

Se esprimiamo la potenza in kW anziché in cavallo – vapore avremo:

Alla luce di quanto calcolato, il motore Diesel deve rendere disponibile una potenza utile all’asse di circa 74 kW (101 CV).

In definitiva e come conclusione possiamo dire che per alimentare un carico da 60 kVA con cosfì tra 0,5 ed 1 alle condizioni delle richieste tecniche bisogna scegliere un gruppo elettrogeno costituito da un alternatore da 150 kVA commerciali e da un motore Diesel da 101 CV a 1500 r.p.m..

Di seguito è riportata una tabella riassuntiva della caratteristiche del gruppo elettrogeno.

Tabella riassuntiva per la scelta del gruppo elettrogeno
Potenza apparente nominale del carico (kVA)

fattore di potenza (cosfì)

Potenza richiesta

all'asse dell'alternatore (CV)

Potenza nominale dell'alternatore (kVA)

Potenza del motore Diesel (CV)

Valore della reattanza subtransitoria diretta [%]

60
0,5
64
100
71
11,6
60
1
91
74
101
14,7
60
-
-
150
6.27
60
1
91
150
101
2,508

A titolo d’esempio, in appendice sono riportati i grafici del motore Diesel Marca SAME tipo 1056 PS.

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Commenti e note

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di giuseppe minichino,

se l'alternatore è asincrono cosa cambia nel calcolo del dimensionamento del generatore? Desidero che il paragrafo di questo argomento sia tradotto in italiano. Grazie

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di Luciano Liturri,

Sarebbe interessante vedere come il dimensionamento cambi se ci sono delle partenze motore (penso ad un generatore di emergenza)

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di Lightowler,

Saluti, sarebbe interessante sapere che influenza sul dimensionamento del gruppo elettrogeno hanno (1)la percentuale di carico massimo applicabile come primo gradino e (2)lo spunto dei carichi induttivi.

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di nik,

Salve, complimenti per l'articolo. Vorrei chiedere come si comporta la macchina elettrica sincrona nel caso in cui si abbia una differenza importante in termini di assorbimento (A) sulle tre fasi (carico non equilibrato).

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