ITNA20090003A1

ITNA20090003A1 - INTEGRATED SYSTEM FOR THE MANAGEMENT OF ELECTRICITY SOURCES AND GALVANIC PROTECTION FOR MARINE APPLICATIONS.

Info

Publication number: ITNA20090003A1
Application number: IT000003A
Authority: IT
Inventors: Marco Monsurro'
Original assignee: Co El Mo S R L
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2010-08-06
Also published as: IT1393721B1; EP2393709A2; WO2010089791A3; EP2393709B1; WO2010089791A2

Description

SISTEMA INTEGRATO DI GESTIONE DELLE FONTI DI ENERGIA ELETTRICA E PROTEZIONE GALVANICA PER APPLICAZIONI MARINE, INTEGRATED SYSTEM FOR THE MANAGEMENT OF ELECTRICITY SOURCES AND GALVANIC PROTECTION FOR MARINE APPLICATIONS,

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Le imbarcazioni hanno a disposizione tre distinte modalitÃ per l'approvvigionamento di energia elettrica per l'alimentazione delle utenze di bordo: The boats have three distinct modes for the supply of electricity to power the on-board utilities:

a) attraverso un quadro di distribuzione situato sulla terra ferma (in seguito "banchina"); b) attraverso un sistema di accumulatori di energia elettrica (batterie); a) through a distribution switchboard located on dry land (hereinafter "quay"); b) through a system of electrical energy accumulators (batteries);

c) attraverso un sistema di generazione da motore endotermico (di seguito "gruppo elettrogeno"). Ciascuna delle summenzionate fonti ha una specifica potenza massima erogabile e prevede un distinto impianto di comando, controllo e distribuzione. c) through an internal combustion engine generation system (hereinafter "generator"). Each of the aforementioned sources has a specific maximum deliverable power and provides for a distinct command, control and distribution system.

Ãˆ lasciata all'utilizzatore la scelta della fonte da adoperare in base ad una valutazione soggettiva della potenza necessaria ad alimentare l'utenza desiderata, con probabile dispendio di risorse energetiche rispetto a quelle effettivamente necessarie. The choice of the source to be used is left to the user on the basis of a subjective evaluation of the power necessary to supply the desired user, with probable waste of energy resources compared to those actually needed.

Inoltre, l'utilizzo sempre piÃ¹ diffuso della banchina come modalitÃ di approvvigionamento dell'energia elettrica per l'alimentazione delle utenze di bordo, espone le strutture metalliche delle imbarcazioni ai danni dovuti alle correnti galvaniche, tipicamente presenti nei porti, che vengono a configurarsi come un'unica cella galvanica. Furthermore, the increasingly widespread use of the quay as a way of supplying electricity to power on-board utilities, exposes the metal structures of the boats to damage due to galvanic currents, typically present in ports, which are configured as a single galvanic cell.

Se da un lato, l'installazione di un trasformatore sulle imbarcazioni isolerebbe il circuito di bordo da quello di terra, riducendo l'effetto corrosivo delle summenzionate correnti, dall'altro, tale trasformatore, non Ã ̈ largamente diffuso a motivo delle ingombranti dimensioni e della naturale attitudine delle parti metalliche ad essere danneggiate dall'ambiente umido-salino presente sulle imbarcazioni. If on the one hand, the installation of a transformer on boats would isolate the on-board circuit from the ground circuit, reducing the corrosive effect of the aforementioned currents, on the other hand, this transformer is not widespread due to its bulky dimensions and the natural aptitude of the metal parts to be damaged by the humid-saline environment present on boats.

Il presente brevetto per invenzione industriale propone un sistema che integra sia la gestione delle fonti dÃ¬ energÃ¬a elettrica per applicazioni marine che la protezione galvanica. The present patent for industrial invention proposes a system that integrates both the management of electrical energy sources for marine applications and galvanic protection.

Il sistema consente la gestione intelligente delle fonti di energia, l'alimentazione dei carichi presenti senza interruzioni di tensioni (no-break) e la protezione galvanica della struttura dell'imbarcazione. The system allows the intelligent management of the energy sources, the power supply of the loads present without voltage interruptions (no-break) and the galvanic protection of the boat structure.

L'isolamento galvanico Ã ̈ realizzato tramite l'utilizzo di convertitori elettronici di potenza (PFC) senza far ricorso ad alcun trasformatore d'isolamento in bassa frequenza, come nei sistemi tradizionali. Galvanic isolation is achieved through the use of electronic power converters (PFC) without resorting to any low frequency isolation transformer, as in traditional systems.

Tale convertitore Ã ̈ costruito e schermato in modo da garantire le stesse caratteristiche di isolamento dei trasformatori in bassa frequenza. This converter is built and shielded in order to guarantee the same insulation characteristics of the low frequency transformers.

Il vantaggio risultante dall'utilizzo di un trasformatore in alta frequenza Ã ̈ la notevole riduzione di peso e dimensione rispetto ai sistemi che utilizzano trasformatori di isolamento in bassa frequenza. The advantage resulting from the use of a high frequency transformer is the considerable reduction in weight and size compared to systems that use low frequency isolation transformers.

Sono stati adottati opportuni accorgimenti per ridurre gli accoppiamenti capacitivi. Appropriate measures have been adopted to reduce capacitive couplings.

II principio del sistema Ã ̈ illustrato sullo schema a blocchi di fig. 1). The principle of the system is illustrated on the block diagram of fig. 1).

I THE

I principali punti di connessione del sistema sono: Cl) Connessione al Gruppo elettrogeno o ad altra sorgente di energia (fotovoltaico, eolico, etc.). The main connection points of the system are: Cl) Connection to the generator or to other energy source (photovoltaic, wind, etc.).

C2) Connessione al Quadro di rete della banchina. C2) Connection to the network panel of the quay.

C3) Connessione all'Alimentazione utenze ordinarie AC. C3) Connection to the power supply for ordinary AC users.

C4) Connessione all'Alimentazione utenze privilegiate AC (no break). C4) Connection to the AC privileged users power supply (no break).

C5) Connessione alle Batterie di avviamento. C5) Connection to starter batteries.

C6) Connessione alle Batterie di servizio e linea utenze DC. C6) Connection to service batteries and DC user line.

II sistema consente la gestione dei flussi di potenza tra sorgenti elettriche, carichi e batterie. La gestione Ã ̈ realizzata tramite cinque convertitori di potenza PFC, DC/DC (1), DC/DC (2), DC/DC (3) e DC/AC (4) opportunamente controllati. The system allows the management of power flows between electrical sources, loads and batteries. Management is carried out by means of five suitably controlled PFC, DC / DC (1), DC / DC (2), DC / DC (3) and DC / AC (4) power converters.

Tramite i contattori SI, S2 e S5 Ã ̈ possibile scegliere la tipologia di alimentazione e quindi connettere il sistema ad un gruppo elettrogeno e/o all'alimentazione della banchina. Using the SI, S2 and S5 contactors, it is possible to choose the type of power supply and then connect the system to a generator and / or to the shore power supply.

La potenza elettrica prelevata puÃ² essere direttamente erogata alle utenze ordinarie AC dell'imbarcazione, oppure essere erogata alle utenze ordinarie e privilegiate a seconda dello stato di contattori S3, S4 e S5. The electrical power withdrawn can be directly supplied to the ordinary AC users of the boat, or be supplied to ordinary and privileged users according to the state of contactors S3, S4 and S5.

Alternativamente questa energia, o parte di essa, transitando attraverso il PFC puÃ² caricare le batterie e alimentare i carichi DC, oppure, tramite gli inverters, puÃ² essere erogata ai carichi AC. Alternatively this energy, or part of it, passing through the PFC can charge the batteries and power the DC loads, or, through the inverters, it can be supplied to the AC loads.

Le possibili modalitÃ di funzionamento vengono descritte di seguito. The possible operating modes are described below.

A) Funzionamento in modalitÃ alimentazione da banchina. (Fig. 2). A) Operation in shore power mode. (Fig. 2).

Questa modalitÃ di funzionamento a riferimento alla condizione in cui le batterie sono in stato di ricarica. This operating mode refers to the condition in which the batteries are in the charging state.

Sono chiusi i contattori SI e S4, mentre sono aperti i contattori S2, S3 e S5. The SI and S4 contactors are closed, while the S2, S3 and S5 contactors are open.

Le linee attive sono LI) L3) L4) L5) L6) L7) L8) L9) LIO) Lll) L12). The active lines are LI) L3) L4) L5) L6) L7) L8) L9) LIO) Lll) L12).

La potenza prelevata dalla rete Ã ̈ utilizzata in parte per alimentare i carichi ordinari e in parte transita per il PFC. The power taken from the grid is used in part to power ordinary loads and in part passes through the PFC.

La potenza in uscita dal PFC si ripartisce poi sulla linea LIO) per consentire la carica delle batterie e l'alimentazione dei carichi DC dalla batteria di servizio The output power from the PFC is then divided on the LIO line) to allow the batteries to be charged and the DC loads to be powered by the service battery

sulle linee L5), L6) ed L8) per consentire l'alimentazione dei carichi AC privilegiati. B) Funzionamento in modalitÃ alimentazione da banchina con integrazione. (Fig. 3). on lines L5), L6) and L8) to allow powering the privileged AC loads. B) Operation in shore power mode with integration. (Fig. 3).

Questa modalitÃ di funzionamento si attiva quando la potenza richiesta dai carichi supera il limite impostabile della corrente prelevabile da banchina. This operating mode is activated when the power required by the loads exceeds the settable limit of the current that can be drawn from the shore.

In questa modalitÃ parte della potenza richiesta dai carichi AC Ã ̈ sostenuta dalle batterie di servizio. In this mode, part of the power required by the AC loads is supported by the service batteries.

Sono chiusi i contattori SI e S4, sono aperti i contattori S2, S3 e S5. Contactors SI and S4 are closed, contactors S2, S3 and S5 are open.

Le linee attive sono LI) L3) L4) L5) L6) L7) L8) L9) LIO) Lll) L12) L13). The active lines are LI) L3) L4) L5) L6) L7) L8) L9) LIO) Lll) L12) L13).

La potenza prelevata dalla banchina Ã ̈ utilizzata in parte per alimentare i carichi ordinari e in parte transita per il PFC. The power taken from the quay is used in part to power ordinary loads and in part passes through the PFC.

La potenza in uscita dal PFC alimenta i carichi AC privilegiati attraverso le linee L5) L6) L8). The output power from the PFC feeds the privileged AC loads through the lines L5) L6) L8).

Parte della potenza necessaria ad alimentare i carichi AC privilegiati Ã ̈ prelevata dalle batterie e transita nel convertitore DC/DC3. C) Funzionamento in modalitÃ alimentazione da banchina con limitazione. (Fig. 4). Part of the power needed to power the privileged AC loads is taken from the batteries and passes through the DC / DC3 converter. C) Operation in shore power mode with limitation. (Fig. 4).

Questa modalitÃ si attiva se, durante la fase precedente, la tensione della batteria dei servizi scende al di sotto di un limite prefissato e il sistema Ã ̈ nella modalitÃ "sleep".(Gruppo interdetto all'avviamento). This mode is activated if, during the previous phase, the service battery voltage drops below a predetermined limit and the system is in "sleep" mode (group forbidden for starting).

Vengono disconnessi i carichi non privilegiati. Ãˆ chiuso il contattore SI e sono aperti S2, S3, S4 e S5. Non-privileged loads are disconnected. The SI contactor is closed and S2, S3, S4 and S5 are open.

Le linee attive sono LI) L4) L5) L6) L8) L9) LIO) Lll) L12) L13). The active lines are LI) L4) L5) L6) L8) L9) LIO) Lll) L12) L13).

D) Funzionamento in modalitÃ alimentazione da generatore. (Fig. 5). D) Operation in generator power mode. (Fig. 5).

Questa modalitÃ si attiva quando: This mode is activated when:

1. in modalitÃ alimentazione da banchina la tensione di batteria scende sotto un limite prefissato e non Ã ̈ attiva la modalitÃ "sleep" (Gruppo abilitato all'avviamento). 1. in shore power mode, the battery voltage drops below a predetermined limit and the "sleep" mode (group enabled for starting) is not active.

2. La banchina non Ã ̈ presente ed il gruppo Ã ̈ avviato manualmente. 2. The platform is not present and the group is started manually.

Sono chiusi i contattori S2 e S4, sono aperti i contattori SI e S3 e S5. Contactors S2 and S4 are closed, contactors SI and S3 and S5 are open.

Le linee attive sono L3) L4) L5) L6) L7) L8) L9) LIO) Lll) L12). The active lines are L3) L4) L5) L6) L7) L8) L9) LIO) Lll) L12).

La potenza prelevata dal Gruppo Ã ̈ utilizzata in parte per alimentare i carichi ordinari e in parte transita per il PFC. The power drawn by the Group is used in part to power the ordinary loads and in part passes through the PFC.

La potenza in uscita dal PFC si ripartisce poi sulla linea LIO) per consentire la carica delle batterie, se necessario e l'alimentazione dei carichi DC dalla batteria di servizio e sulle linee L5) L6) ed L8) per consentire l'alimentazione dei carichi AC privilegiati. E) Funzionamento in modalitÃ alimentazione da generatore con integrazione. (Fig. 6). The output power from the PFC is then divided on the LIO line) to allow the batteries to be charged, if necessary, and the power supply of the DC loads from the service battery and on the lines L5) L6) and L8) to allow the loads to be powered Privileged AC. E) Operation in generator power mode with integration. (Fig. 6).

Questa modalitÃ di funzionamento si attiva quando la potenza richiesta dei carichi supera la massima potenza erogabile dal Gruppo. This operating mode is activated when the required power of the loads exceeds the maximum power that can be supplied by the Group.

Sono chiusi i contattori S2 e S4, sono aperti i contattori SI, S3 ed S5. Contactors S2 and S4 are closed, contactors SI, S3 and S5 are open.

Le linee attive sono L2) L3) L4) L5) L6) L7) L8) L9) LIO) Lll) L12) L13). The active lines are L2) L3) L4) L5) L6) L7) L8) L9) LIO) Lll) L12) L13).

Parte della potenza necessaria ad alimentare i carichi AC privilegiati Ã ̈ prelevata dallei batterie e transita nel convertitore DC/DC3. Part of the power needed to power the privileged AC loads is taken from the batteries and passes through the DC / DC3 converter.

F) Funzionamento in modalitÃ alimentazione da generatore con limitazione. (Fig. 7). F) Operation in generator power mode with limitation. (Fig. 7).

Questa modalitÃ si attiva se, durante la fase precedente, la tensione della batteria dei servizi scende al di sotto di un limite prefissato. This mode is activated if, during the previous phase, the service battery voltage drops below a predetermined limit.

Vengono aperti i carichi non privilegiati. Non-privileged loads are opened.

Ãˆ chiuso il contattore S2 e sono aperti SI, S3, S4 e S5. Contactor S2 is closed and YES, S3, S4 and S5 are open.

Le linee attive sono L2) L4) L5) L6) L8) L9) LIO) Lll) L12) L13). The active lines are L2) L4) L5) L6) L8) L9) LIO) Lll) L12) L13).

G) Funzionamento in modalitÃ inverter. (Fig. 8). G) Operation in inverter mode. (Fig. 8).

Questa modalitÃ si attiva in caso di mancanza di alimentazione sia da banchina che da gruppo elettrogeno. This mode is activated in the event of a power failure both from the shore and from the generator.

Sono disconnesse sia la rete che il gruppo elettrogeno. Both the mains and the generating set are disconnected.

Ãˆ chiuso il contattore S3, sono aperti i contattori SI, S2, S4 e S5. Contactor S3 is closed, contactors SI, S2, S4 and S5 are open.

Le linee attive sono L6) L7) L8) L9) L13). The active lines are L6) L7) L8) L9) L13).

H) Funzionamento in modalitÃ inverter con limitazioni. (Fig. 9). H) Operation in inverter mode with limitations. (Fig. 9).

Questa modalitÃ si attiva se durante il funzionamento in modalitÃ inverter la tensione di batteria scende sotto un limite prefissato. Sono aperti i contattori SI, S2, S3, S4 e S5. Le linee attive sono L6) L8) L9) L13). This mode is activated if during operation in inverter mode the battery voltage drops below a predetermined limit. Contactors SI, S2, S3, S4 and S5 are open. The active lines are L6) L8) L9) L13).

Solo i carichi privilegiati e i carichi DC som alimentati. Only the privileged loads and the DC som loads powered.

I) Funzionamento_ in_ modalitÃ _ alimentazione combinata rete e generatore. (Fig. 10). I) Operation_ in_ mode _ combined mains and generator power supply. (Fig. 10).

Questa modalitÃ di funzionamento fa riferimento alla condizione in cui il sistema sia connesso ad un quadro di banchina, ma la potenza richiesta supera quella fornibile (la soglia di potenza massima da banchina Ã ̈ settabile dall'utente). This operating mode refers to the condition in which the system is connected to a dockside switchboard, but the requested power exceeds that which can be supplied (the maximum dockside power threshold can be set by the user).

Il gruppo elettrogeno si avvia in maniera automatica e la linea L7) viene alimentata direttamente dal gruppo elettrogeno grazie alla chiusura del contattore S5. The generating set starts up automatically and the line L7) is powered directly by the generating set thanks to the closing of the contactor S5.

Sono quindi chiusi i contattori SI ed S5, sono aperti i contattori S2, S3 e S4. The SI and S5 contactors are then closed, the S2, S3 and S4 contactors are open.

Sono attive le linee LI) L2) L3) L4) L5) L6) L7) L8) L9) LIO) Lll) L12). The lines LI) L2) L3) L4) L5) L6) L7) L8) L9) LIO) Lll) L12) are active.

La potenza prelevata dalla rete transita per il PFC. The power taken from the grid passes through the PFC.

- sulle linee L5) L6) ed L8) per consentire l'alimentazione dei carichi AC privilegiati. - on lines L5) L6) and L8) to allow the power supply of the privileged AC loads.

All'idea di soluzione potranno essere apportate variazioni formali e strutturali nell'ambito del medesimo concetto inventivo che resta definito dalle rivendicazioni che seguono, Formal and structural variations may be made to the solution idea within the scope of the same inventive concept which remains defined by the following claims,

Claims

CLAIMS Integrated source management system of electricity and galvanic protection for marine applications, characterized by the fact which can, depending on the connections you have realize, manage the power flows between electric sources, loads and batteries being said management realized through five suitably controlled power converters.

System, as and for the purpose of the previous claim, characterized in that the galvanic isolation takes place through a high frequency transformer.

System, as and for the purpose of the preceding claims, characterized in that it allows the operating mode with the batteries in the recharged state according to the diagram of fig. 2).

System, as and for the purpose of the preceding claims, characterized in that it allows an operating mode that is activated when the power demand of the loads exceeds the limit that can be set by the current that can be drawn from the quay, according to the diagram in fig. 3).

System, as and for the purpose of the preceding claims, characterized in that it allows an operating mode that is activated if, during the previous phase, the service battery voltage drops below a predetermined limit and the system is in the "sleep" mode (group forbidden to start) all this according to the scheme of fig. 4).

6. System, as and for the purpose of the preceding claims, characterized by the fact that it allows a mode in which the battery voltage drops below a predetermined limit and the "sleep" mode is not active or, even, if the dock is not It is present and the group is started manually, according to the diagram in fig. 5).

7. System, as and for the purpose of the preceding claims, characterized in that it allows an operating mode that is activated when the power required by the loads exceeds the maximum power that can be supplied by the group, according to the diagram in fig. 6).

8. System, as and for the purpose of the preceding claims, characterized by the fact that it allows an operating mode that is activated if during the previous phase, the service battery voltage drops below a predetermined limit, according to the scheme of fig. 7).

9. System, as and for the purpose of the preceding claims, characterized in that it allows an operating mode which is activated in the event of a power failure both from the quay and the generator, according to the diagram in fig. 8).

10. System, as and for the purpose of the preceding claims, characterized by the fact that it allows an operating mode that is activated if in inverter mode the battery voltage drops below a predetermined limit, according to the diagram in fig. 9).

11. System, as and for the purpose of the preceding claims, characterized in that it allows an operating mode that refers to a condition in which the system is connected to a quay switchboard but the required power exceeds that which can be supplied. the diagram of fig. 10). All as described and reported on the attached diagrams,