Sistemi di generazione e macchine elettriche

L’impiego di reti di distribuzione in media tensione a corrente continua (MVDC)  a bordo di grandi navi crea nuovi e interessanti  ambiti di miglioramento per quanto riguarda le prestazioni delle macchine di generazione elettrica. Gli indici prestazionali più significativi per il progetto nave riguardano la tecnologia costruttiva, l’efficienza del macchinario, il suo peso e ingombro e l’affidabilità.

Regioni del piano potenza-velocità copribili con generatori elettrici di diversa tecnologia.
Nello stesso piano, triangoli e circoletti indicano turbine a gas e motori diesel adatti a funzionare come motori primi.

Tecnologie costruttive

L’impiego di reti  MVDC apre il campo all’uso di nuovi tipi di motori primi veloci o superveloci (turbine a gas) che possono affiancarsi ai tradizionali motori a combustione interna. I generatori elettrici adatti all’accoppiamento a turbine a gas veloci presentano una tecnologia sostanzialmente diversa da quella propria degli alternatori tradizionali accoppiati a motori a combustione interna. Particolare importanza assumono le tipologie costruttive del tipo a turboalternatore e a magneti permanenti. Per quanto non diffusi in campo navale, questi tipi di macchina elettrica sono comunemente impiegati in altri ambiti (industriale e di power generation) e non si prevedono particolari criticità nella loro integrazione a bordo nave.

Efficienza del macchinario di generazione

L’efficienza del generatore elettrico, confrontata con quella del motore primo, si mantiene sempre molto elevata – tipicamente superiore al 97% – indipendentemente dalla tecnologia utilizzata. L’impatto del generatore elettrico sul consumo complessivo della nave si può ritenere pressoché trascurabile ed indipendente dal fatto che si usi una distribuzione in media tensione a corrente alternata o continua.

Pesi ed ingombri del macchinario di generazione

La possibilità di aumentare il numero di giri con l’adozione di turbine a gas come sostituto dei tradizionali e lenti motori a combustione interna porta a drastiche riduzioni nel peso e nell’ingombro del macchinario di generazione. Il progetto ha analizzato dimensionamenti dettagliati riferiti a diverse taglie e velocità di rotazione. A titolo indicativo, per una potenza di circa 12 MW (pari a quella degli attuali generatori lenti) l’innalzamento della velocità dagli attuali 500 giri/min (tipici del motore a combustione interna) a 9000 giri/min (propri di una turbina a gas) può portare ad una riduzione nel peso e nell’ingombro del generatore elettrico che diventano pari a circa un decimo rispetto alla tecnologia tradizionale attualmente in uso.

Stima del peso complessivo dei generatori da imbarcare nell’ipotesi di utilizzo di diverse tecnologie di macchina elettrica a parità di potenza totale installata.

Affidabilità

Il generatore elettrico, in combinazione con sistemi di conversione statica per l’alimentazione di una rete MVDC, si presta bene ad essere progettato secondo topologie multi-terna che consistono nell’usare, sullo statore della macchina, non un solo avvolgimento trifase ma avvolgimenti trifase multipli. Ciascuno di questi è connesso ad un diverso convertitore in modo che l’insieme generatore-convertitore assuma una struttura altamente modulare nella quale, se un modulo si guasta, il sistema complessivo può continuare a funzionare, pur se con un regime leggermente degradato.