HΛΕΚΤΡΟΠΡΟΩΣΗ ΠΛΟΙΩΝ ΚΑΙ ΠΛΗΡΩΣ ΕΞΗΛΕΚΤΡΙΣΜΕΝΟ ΠΛΟΙΟ: ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ

Transcript

1 HΛΕΚΤΡΟΠΡΟΩΣΗ ΠΛΟΙΩΝ ΚΑΙ ΠΛΗΡΩΣ ΕΞΗΛΕΚΤΡΙΣΜΕΝΟ ΠΛΟΙΟ: ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ Ι. Μ. Προυσαλίδης, Επ. Καθηγητής ΕΜΠ ρ Ι. Κ. Χατζηλάου, Καθηγητής ΣΝ ρ E. Στυβακτάκης, ΕΣΜΗΕ ΑΕ ρ Φ. Κανέλλος, Μεταδιδάκτορας ΕΜΠ Ν. Χατζηαργυρίου, Καθηγητής ΕΜΠ Χ. Φραγκόπουλος, Καθηγητής ΕΜΠ Η. Σοφράς, Υπ. ιδάκτορας ΕΜΠ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η διαρκώς αυξανόµενη χρήση της ηλεκτροπρόωσης δηµιουργεί νέα δεδοµένα για τα συστήµατα ηλεκτρικής ενέργειας των πλοίων. Τα τεχνολογικά επιτεύγµατα στον τοµέα των ηλεκτρονικών ισχύος και η εφαρµογή τους στους κινητήρες πρόωσης προσφέρουν µεγάλα πλεονεκτήµατα σε σχέση µε το παρελθόν αλλά παράλληλα δηµιουργούν µεγαλύτερες απαιτήσεις από την πλευρά της παραγωγής, του ελέγχου, της διανοµής και της ποιότητας της ηλεκτρικής ισχύος. Επιπλέον οι σύγχρονες τάσεις οδηγούν σε πλήρη «εξηλεκτρισµό» όλων των εγκατεστηµένων υποσυστηµάτων (ο όρος που έχει επικρατήσει είναι το πλήρως εξηλεκτρισµένο πλοίο από την απόδοση του All Electric Ship AES ) αυξάνοντας τη σηµασία του συστήµατος ηλεκτρικής ισχύος του πλοίου και της εύρυθµης λειτουργίας του για την οµαλή και ασφαλή πλεύση του αλλά και την επιβίωση του σκάφους, του πληρώµατος και των επιβατών του. Ο όρος «ποιότητα ισχύος» σχετίζεται µε ένα µεγάλο αριθµό φαινοµένων που εµφανίζονται κατά τη παραγωγή, µεταφορά και διανοµή ηλεκτρικής ισχύος και θέτουν σε κίνδυνο την οµαλή λειτουργία των στοιχείων του συστήµατος και των φορτίων του. Για τα ηλεκτρικά συστήµατα των πλοίων, η ποιότητα ισχύος είναι πλέον απαιραίτητη παράµετρος σχεδιασµού και λειτουργίας. Αιτία είναι η αύξηση των φορτίων που είναι ευαίσθητα σε διαταραχές της τάσης τροφοδοσίας και η παράλληλη αύξηση φορτίων υπεύθυνων για τέτοιες διαταραχές. Επιπλέον, η ποιότητα ισχύος στα πλοία συνδέεται άµεσα µε την ανθρώπινη ασφάλεια πέραν του οικονοµικού κόστους που συνεπάγονται οι βλάβες και οι διακοπές λειτουργίας των διάφορων υποσυστηµάτων που τροφοδοτούνται από το ηλεκτρικό σύστηµα. Στο άρθρο αυτό παρουσιάζονται τα τυπικά ηλεκτρικά συστήµατα πλοίων και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους. Στη συνέχεια, καταγράφονται τα διάφορα φαινόµενα ποιότητας ισχύος και ο τρόπος που αντιµετωπίζονται από τις προδιαγραφές πλοίων. Τέλος, αναδεικνύονται τα θέµατα ποιότητας ισχύος όπως αναµένονται εξαιτίας των νέων τεχνολογιών ηλεκτροπρόωσης και του πλήρους εξηλεκτρισµό του πλοίου. 2. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΛΟΙΩΝ Το τυπικό σύστηµα ηλεκτρικής ενέργειας πλοίου αποτελείται από τις συσκευές και τον εξοπλισµό παραγωγής, µεταφοράς και διανοµής της ηλεκτρικής ενέργειας καθώς επίσης και από τους διάφορους καταναλωτές. Τα κύρια στοιχεία που το απαρτίζουν όπως φαίνονται και στο Σχ. 1 είναι τα ακόλουθα: Πηγές ηλεκτρικής ενέργειας. Συνήθως αποτελούνται από τρεις ηλεκτρογεννήτριες (diesel generators, DG) από τις οποίες συνήθως η µια είναι σε εφεδρεία. Σε αρκετές περιπτώσεις χρησιµοποιούνται αξονικές γεννήτριες (shaft generators, SG) η οποίες είναι ηλεκτρικές µηχανές οι οποίες παίρνουν κίνηση από τον ελικοφόρο άξονα του πλοίου καθώς και στρόβιλογεννήτριες (turbo generators, TG). Κύριος πίνακας µαζί µε τις διατάξεις προστασίας τους διακόπτες τα όργανα ελέγχου και τους κύριους ζυγούς διανοµής. Ηλεκτρικός πίνακας ανάγκης (emergency) που καλύπτει µόνο κρίσιµα φορτία. Καλώδια µεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας. Ηλεκτρικοί καταναλωτές που ενδέχεται να είναι και µεγάλοι κινητήρες, συγκρίσιµης ονοµαστικής ισχύος µε αυτήν των γεννητριών όπως π.χ κινητήρες πρόωσης, αντλιών φορτίου κ.τ.λ 1

2 M M 1 DG 3 DG 3 DG 3 SG 3 TG 3 M Ελικοφόρος άξονας πλοίου UPS 2 1 Κύριος Πίνακας DG: Diesel Generator TG: Turbo Generator 2 Πίνακας κρίσιµων φορτίων SG: Shaft Generator UPS: Αδιάλειπτη Παροχή Ισχύος (Uninterruptible Power Supply) Σχήµα. 1 Ηλεκτρικό σύστηµα πλοίου 2

3 Α. Αξονικές γεννήτριες Η αξονική γεννήτρια είναι σύγχρονη ή ασύγχρονη ηλεκτρική µηχανή απ ευθείας συνδεδεµένη µε τον ελικοφόρο άξονα του πλοίου η οποία παίρνει κίνηση από αυτόν και χρησιµοποιείται σαν µια επιπρόσθετη πηγή ενέργειας όταν το πλοίο κινείται και έχει αρκετά υψηλό βαθµό απόδοσης. Ένα βασικό πρόβληµα στην χρήση αξονικών γεννητριών είναι η επίτευξη σταθερής τάσης και συχνότητας ειδικά όταν µεταβάλλονται οι στροφές της µηχανής και κατά συνέπεια του άξονα. Σήµερα για την επίτευξη σταθερής τάσης και συχνότητας χρησιµοποιούνται οι στατοί µετατροπείς (static converters). Η σύγχρονη αξονική γεννήτρια παράγει εναλλασσόµενο ρεύµα µεταβλητής συχνότητας και τάσης. Μετά την ανόρθωση το ρεύµα δίνεται στο ηλεκτρικό δίκτυο του πλοίου µε σταθερή τιµή τάσης και συχνότητας µέσω ενός αντιστροφέα (inverter) όπως παρουσιάζεται στο Σχ. 2. Μια γεννήτρια αναλαµβάνει την παραγωγή αέργου ισχύος (στρεφόµενος πυκνωτής condenser). Ο βαθµός απόδοσης ενός τέτοιου συστήµατος φτάνει το 80%, αλλά παρ όλα τα εµφανή πλεονεκτήµατα ενός τέτοιου συστήµατος, υπάρχει ένα βασικό µειονέκτηµα: η κυµατοµορφή της έντασης και της τάσης του ρεύµατος είναι παραµορφωµένες στην έξοδο του µετατροπέα, περιέχουν δηλαδή αρµονικές οι οποίες επηρεάζουν την ποιότητα ηλεκτρικής ισχύος. Περισσότερα για τις αρµονικές δίνονται παρακάτω. Σταθερή συχνότητα Ελικοφόρος άξονας Αξονική γεννήτρια Μεταβλητή τάση και συχνότητα = Μετατροπέας διεγέρσεως = Ανορθωτής = Αντιστροφέας Στρεφόµενος πυκνωτής Πηνίο εξοµάλυνσης Σχήµα 2. Αξονική γεννήτρια συνδεδεµένη µέσω αντιστροφέα στο ηλεκτρικό δίκτυο. Β. Ιδιαιτερότητες ηλεκτρικών συστηµάτων πλοίων Το ηλεκτρικό σύστηµα ενός πλοίου µπορεί να θεωρηθεί ως ένα αυτόνοµο, µικρής κλίµακας βιοµηχανικού τύπου σύστηµα ηλεκτρικής ενέργειας, παρ όλα αυτά υπάρχουν αρκετές αξιοσηµείωτες διαφορές ανάµεσα σε ένα ηπειρωτικό ηλεκτρικό σύστηµα και σε ένα ηλεκτρικό σύστηµα πλοίου οι κυριότερες από τις οποίες είναι: Πρόκειται για συγκεντρωµένα δίκτυα µε διακεκριµένα συστήµατα παραγωγής και καταναλωτών συγκεντρωµένα σε πολύ µικρό χώρο ανά µονάδα ισχύος (σε σύγχρονες ναυπηγήσεις µε ηλεκτρική πρόωση, η εγκατεστηµένη ισχύς φτάνει τα ΜW σε έκταση µερικών τετραγωνικών µέτρων). Το όλο σύστηµα είναι εξαιρετικά αυτόνοµο και η µόνη εφεδρική πηγή ενέργειας είναι το ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος ανάγκης το οποίο όµως είναι ικανό να τροφοδοτήσει ορισµένα µόνο φορτία ανάγκης. Για το λόγο αυτό το όλο σύστηµα πρέπει να είναι εξαιρετικά αξιόπιστο. το δίκτυο γείωσής του είναι κατά κανόνα αγείωτο (ΙΤ). η διανοµή της ηλεκτρικής ενέργειας γίνεται µέσω συστήµατος διανοµής (καλωδιώσεις, µετασχηµατιστές, διακόπτες κλπ) πολύ περιορισµένου µήκους (της τάξης των 50 έως το πολύ 1000 µέτρων). σε αντίθεση µε τα συστήµατα ξηράς, αποτελούνται από υποσυστήµατα συνεχούς ρεύµατος (ΣΡ) και εναλλασσοµένου ρεύµατος (ΕΡ), στο οποίο µάλιστα ΕΡ µπορεί κανείς ενίοτε να διακρίνει περισσότερες από µία συχνότητες λειτουργίες (η γνωστή «βιοµηχανική συχνότητα» των 50 ή 60 Hz, αλλά και αυτή των 400 Hz για εξειδικευµένου τύπου καταναλωτές, όπως π.χ. όργανα ναυσιπλοϊας, ραντάρ κοκ). Σε συγκεκριµένες εφαρµογές (π.χ. νέου τύπου υποβρύχια) µάλιστα µε την εκτεταµένη εφαρµογή των κυψελών καυσίµου τα δίκτυα είναι κατεξοχήν ΣΡ [26]. 3

4 3. ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΙΣΧΥΟΣ Τα ηλεκτροµαγνητικά φαινόµενα τα οποία καλύπτονται από τον όρο ποιότητα ισχύος είναι πολλά και διαφορετικά µεταξύ τους, και έχουν γίνει πολλές προσπάθειες έτσι ώστε να κατηγοριοποιηθούν µε τρόπο τέτοιο ώστε να διευκολυνθεί η µελέτη τους αλλά και η επικοινωνία της επιστηµονικής κοινότητας και των µηχανικών γενικότερα. Τα αποτελέσµατα αυτής της προσπάθειας αντικατοπτρίζονται στις σχετικές προδιαγραφές. Τα σηµαντικότερα φαινόµενα, αυτά δηλαδή που έχουν συγκεντρώσει το µεγαλύτερο ενδιαφέρον δίνονται στον Πίνακα 1. Κατηγορία Βυθίσεις τάσης Τυπική κυµατοµορφή ΠΙΝΑΚΑΣ 1 ΣΗΜΑΝΤΙΚΟΤΕΡΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΙΣΧΥΟΣ Χαρακτηριστικά Αιτίες Συνέπειες - ιάρκεια - rms τάση - Σχέση των 3 φάσεων - Σφάλµατα - Εκκινηση κινητήρα - Ηλέκτριση µετασχηµατιστή υσλειτουργίες ή διακοπή λειτουργίας Η/Υ, κινητήρων, ρυθµιστές στροφών κινητήρων, συστηµάτων ελέγχου (PLC) Ανύψωση τάσης - ιάρκεια - rms τάση - Σφάλµατα σε αγείωτα συστήµατα Καταπόνηση και καταστροφή µονώσεων Ταχέα µεταβατικά φαινόµενα Αρµονικές Ασυµµετρία τάσης - Μέγιστη τιµή τάσης - Συχνότητα - Χρόνος ανύψωσης - ιάρκεια - Τυπος κυµατοµορφής - Χαρακτηρισµός µέσω µε-τασχηµατισµού Fourier - THD για τάση και ένταση Ο λόγος της αρνητικής προς τη θετική συµµετρική συνιστώσα της τάσης - ιακοπτικά φαινόµενα - Ηλέκτριση πυκνωτών Μη γραµµικά φορτία: - ανορθωτές - φορτία τόξου - Ασύµµετρη φόρτιση φάσεων - Ανοιχτοκυκλώµατα - Μονοφασική παραγωγή Καταστροφή µονώσεων, δυσλειτουργίες Η/υ και ρυθµιστών στροφών κινητήρων Υπερφορτίσεις καταστροφή στοιχείων, λειτουργία προστασίας, λανθασµένη λειτουργία µετρητικών οργάνων, µηχανική καταπόνηση. Θερµική καταπόνηση κινητήρων και µετασχηµατιστών, δυσλειτουργία και διακοπή λειτουργίας κινητήρων ιαµόρφωση τάσης P st (short term severity factor) και P lt (long term severity factor - 2 ωρών) - Φούρνοι τόξου - Συχνές εκκινήσεις κινητήρων Τρεµοσβήσιµο φωτισµού Παρακάτω, δίνονται περισσότερες λεπτοµέρειες για αυτά τα φαινόµενα µε έµφαση σε αυτά που έχουν µεγαλύτερο ενδιαφέρον για τα πλοία. Τέτοια φαινόµενα είναι οι βυθίσεις τάσης (εξαιτίας της παρουσίας σηµαντικού αριθµού κινητήρων οι οποίοι είτε δηµιουργούν βυθίσεις είτε είναι ευαίσθητοι σε αυτές), οι αρµονικές (εξαιτίας της ύπαρξης µετατροπέων στα συστήµατα ηλεκτροπρόωσης) αλλά και άλλα φαινόµενα των οποίων η σπουδαιότητα συνίσταται στο ότι µπορούν να επηρεάσουν τα ευαίσθητα ηλεκτρονικά συστήµατα των τηλεπικοινωνιών, ελέγχου κ.ά. Α. Βυθίσεις τάσης Βύθιση τάσης είναι η µικρής διάρκειας - προσωρινή µείωση της ενεργού τιµής της τάσης κυρίως λόγω σφαλµάτων στο ηλεκτρικό σύστηµα, της εκκίνησης µεγάλων κινητήρων και µεταβατικών ρευµάτων ηλέκτρισης µετασχηµατιστή. Το ενδιαφέρον γύρω από τις βυθίσεις τάσεις εστιάζεται κυρίως στα προβλήµατα τα οποία δηµιουργούν σε µεγάλο αριθµό συσκευών. Ηλεκτρονικοί υπολογιστές, κινητήρες µε µετατροπείς ισχύος για τη ρύθµιση στροφών (adjustable speed 4

5 drives), συστήµατα ελέγχου (Programmable Logic Controllers - PLC) είναι µερικά µόνο φορτία που είναι ευαίσθητα σε βυθίσεις τάσης. Κάποιες συσκευές δεν µπορούν να αντέξουν τάση κάτω από 90% της ονοµαστικής για 2 ή 3 κύκλους και διακόπτουν την λειτουργία τους µέσω των συστηµάτων προστασίας που διαθέτουν. Πολλές ηλεκτρονικές συσκευές και κινητήρες µε µετατροπείς ισχύος δεν λειτουργούν σωστά για βυθίσεις τάσης, όπου η τάση πέφτει κάτω από 70% της ονοµαστικής για περισσότερο από 100 msec [1]. Για τους επαγωγικούς κινητήρες κατά τη διάρκεια της πτώσης τάσης µειώνεται ο αριθµός των στροφών τους και τροφοδοτούνται µε µεγαλύτερο ρεύµα. Εάν η βύθιση τάσης διαρκέσει αρκετά, τότε ενδέχεται να φτάσουν σε ένα σηµείο, όπου σταµατούν να λειτουργούν (stalling). Οι αλλαγές αυτές στο ρεύµα αλλά και στην ροπή του κινητήρα ενδέχεται να οδηγήσουν σε λειτουργία της προστασίας του (διακοπή λειτουργίας). Προβλήµατα προκύπτουν και αν η διαδικασία η οποία συνδέεται µε τον κινητήρα δεν µπορεί να ανταπεξέλθει στην µείωση της στροφών του κινητήρα. Επιπλέον, κατά την επαναφορά της τάσης ο κινητήρας απορροφά µεγάλα ρεύµατα µειώνοντας έτσι την τάση. Αυτό µπορεί να δηµιουργήσει προβλήµατα σε δίκτυα βιοµηχανικού τύπου µε πολλούς κινητήρες (όπως και αυτά των πλοίων) και να οδηγήσει σε αδυναµία επαναφοράς του συστήµατος σε κανονική λειτουργία. Για τους κινητήρες µε µετατροπείς ισχύος για τη ρύθµιση στροφών µέσω διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος, η µείωση της τάσης µειώνει την ταχύτητα τους και προκαλούνται προβλήµατα στην διαδικασία στην οποία είναι συνδεδεµένοι. Η βύθιση επίσης εντοπίζεται από το σύστηµα προστασίας του κυκλώµατος ελέγχου ταχύτητας το οποίο λειτουργεί αποσυνδέοντας την συσκευή προκειµένου να προστατέψει τα ηλεκτρονικά ισχύος από τις µη κανονικές συνθήκες λειτουργίας. Επιπρόσθετα, κατά την επαναφορά της τάσης εµφανίζονται ρεύµατα µεγάλης εντάσεως µε αποτέλεσµα να λειτουργεί η προστασία υπερεντάσεως του κυκλώµατος ελέγχου ταχύτητας κινητήρα και να αποσυνδέεται. Προβλήµατα επίσης εµφανίζονται σε PLC. Ενδέχεται να λειτουργήσει το σύστηµα προστασίας τους και να αποσυνδεθούν σταµατώντας τη διαδικασία την οποία ελέγχουν. Πριν αποσυνδεθούν ενδέχεται να λειτουργήσουν εσφαλµένα, να δώσουν λάθος εντολές και να δηµιουργήσουν δυσλειτουργίες στις συσκευές τις οποίες ελέγχουν. Παρόµοια, οι διακόπτες φορτίου (contactors) που χρησιµοποιούνται για τη σύνδεση κινητήρων σε δίκτυα χαµηλής τάσης ενδεχοµένως να ανοίξουν κατά τη διάρκεια βυθίσεων αποσυνδέοντας τους κινητήρες και διακόπτοντας την διαδικασία στην οποία οι κινητήρες εµπλέκονται. Για βυθίσεις τάσης που προκαλούνται από σφάλµατα στο δίκτυο (Σχ. 3α), η τιµή της τάσης κατά την διάρκεια της βύθισης εξαρτάται: από την απόσταση του σφάλµατος από το φορτίο (σύνθετη αντίσταση καλωδιώσεων), το πόσο ισχυρό ή ασθενές είναι το δίκτυο (ισχύς βραχυκύκλωσης) στο σηµείο όπου ενώνονται ηλεκτρικά το φορτίο, το σφάλµα και την παροχή ισχύος του δικτύου (σηµείο ζεύξης), την τοπολογία του δικτύου και τον τύπο του σφάλµατος καθώς και τις συνδεσµολογίες των µετασχηµατιστών µεταξύ του σφάλµατος και του φορτίου. Η διάρκεια της βύθισης τάσης εξαρτάται κυρίως από το πόσο γρήγορα θα λειτουργήσει το σύστηµα προστασίας προκειµένου να αποµονωθεί το τµήµα του δικτύου όπου εµφανίστηκε το σφάλµα. Οι χρόνοι που υπεισέρχονται εδώ είναι τόσο ο χρόνος εντοπισµού του σφάλµατος (δηλαδή ο τύπος προστασίας που χρησιµοποιείται: ηλεκτρονόµοι αποστάσεως, διαφορική προστασία, ηλεκτρονόµοι υπερεντάσεως, ασφάλειες κτλ) καθώς και ο χρόνος λειτουργίας των συσκευών διακοπής του ρεύµατος (διακόπτες ισχύος, ασφάλειες κτλ). Βυθίσεις τάσης λόγω της σύνδεσης µεγάλων κινητήρων (Σχ. 3β) προκαλούνται λόγω των µεγάλων ρευµάτων εκκινήσεως και έχουν χαρακτηριστικά που εξαρτώνται από το µέγεθος των κινητήρων, τα χαρακτηριστικά τους (αδράνεια, τρόπος εκκίνησης κτλ) καθώς και από την ισχύ βραχυκύκλωσης στο σηµείο ζεύξης. Βυθίσεις τάσης λόγω κορεσµού µετασχηµατιστών (Σχ. 3γ) προκαλούνται κυρίως κατά την ηλέκτρισή τους από τα µεγάλα ασύµµετρα ρεύµατα αποτέλεσµα της λειτουργίας του µαγνητικού πυρήνα στην περιοχή κορεσµού. Η ένταση αυτών των ρευµάτων και κατ επέκταση οι τιµές τάσης κατά τη διάρκεια της βύθισης εξαρτώνται από το χρονικό σηµείο στην κυµατοµορφή της τάσης όπου γίνεται η ηλέκτριση, την παραµένουσα ροή στον πυρήνα και τα χαρακτηριστικά της καµπύλης κορεσµού. Οι βυθίσεις αυτές δεν παρουσιάζουν συνήθως µεγάλες τιµές [2]. Να σηµειωθεί τέλος ότι ανύψωση τάσης (voltage swells) σε συνδυασµό µε βύθιση εµφανίζεται κατά την διάρκεια µονοφασικών σφαλµάτων σε αγείωτα δίκτυα (όπως κατά κανόνα αυτά των πλοίων) ή δίκτυα γειωµένα µέσω σύνθετης αντίστασης. Οι υπερτάσεις στην χειρότερη περίπτωση ισούνται µε την πολική τάση του δικτύου, εµφανίζονται στις υγιείς φάσεις και διαρκούν όσο διαρκεί το σφάλµα. Η πρακτική του αγείωτου συστήµατος εξασφαλίζει την λειτουργία των φορτίων σε περίπτωση µονοφασικού σφάλµατος (εφόσον αυτά τροφοδοτούνται µέσω µετασχηµατιστή αστέρατριγώνου) αλλά αυξάνει τις ανάγκες για µόνωση. 5

6 Β. Ταχέα µεταβατικά φαινόµενα Τα ταχέα µεταβατικά φαινόµενα (υπερτάσεις ή υπερεντάσεις) που εµφανίζονται κατά την διάρκεια λειτουργίας ενός ηλεκτρικού συστήµατος µπορούν να γίνουν ιδιαίτερα επικίνδυνα για τον εξοπλισµό του αλλά και για τα φορτία. Προκαλούνται κυρίως από λειτουργίες διακοπτών (ζεύξη ή απόζευξη) και σε µεγάλο βαθµό εξαρτώνται από τις αυτεπαγωγές και τις χωρητικότητες του ηλεκτρικού συστήµατος. Στα ηπειρωτικά συστήµατα σηµαντική αιτία για τέτοια φαινόµενα είναι η κεραυνοί. Το ενδιαφέρον σχετικά µε τα ταχέα µεταβατικά φαινόµενα εστιάζεται κυρίως στην τάση αλλά σηµαντική είναι και η ένταση όπως έχουν δείξει διάφορες µελέτες [3]. Σηµαντική παράµετρος για την κατηγοριοποίηση των ταχέων µεταβατικών φαινοµένων είναι η µορφή της κυµατοµορφής της τάσης (ή της έντασης) κατά την διάρκεια του φαινοµένου. Με αυτό τον τρόπο αναφερόµαστε σε: φαινόµενα αιχµής όπου η κυµατοµορφή παρουσιάζει µια απότοµη αλλαγή προς µία κατεύθυνση και επανέρχεται σε φυσιολογικές τιµές εντός λίγων µsec. φαινόµενα µε χαρακτηριστικά ταλάντωσης µε την τάση να µεταβάλλεται γρήγορα και προς τις δύο κατευθύνσεις και να επανέρχεται σε φυσιολογικές τιµές εντός µερικών msec ή και κάποιων κύκλων. Υπερτάσεις µε µορφή ταλάντωσης ενδεχοµένως να σηµειωθούν κατά την ηλέκτριση πυκνωτών στο δίκτυο (Σχ. 3δ). Το µέγεθός τους µπορεί να φτάσει µέχρι και 2 φορές την ονοµαστική τάση και αυτό εγκυµονεί κινδύνους για τη λειτουργία αλλά και την ασφάλεια ηλεκτρονικών συσκευών. Περιπτώσεις έχουν καταγραφεί όπου, εξαιτίας τέτοιων υπερτάσεων, σηµειώθηκαν βλάβες των ηλεκτρονικών τµηµάτων συσκευών, ενώ πιο συνηθισµένη φαίνεται να είναι η περίπτωση όπου η υπέρταση ενεργοποιεί τα συστήµατα προστασίας και διακόπτεται η λειτουργία των συσκευών. Χαρακτηριστικό φορτίο το οποίο παρουσιάζει τέτοια συµπεριφορά είναι ο µετατροπέας ισχύος για τη ρύθµιση στροφών κινητήρα [4]. (α) Βύθιση τάσης λόγω σφάλµατος (β) Βύθιση τάσης λόγω εκκίνησης κινητήρα (γ) Βύθιση τάσης λόγω ηλέκτρισης µετασχηµατιστή (δ) Κυµατοµορφή τάση κατά την ηλέκτριση πυκνωτή Σχήµα 3. Μεταβατικά φαινόµενα τάσης: (α)-(γ) Βυθίσεις τάσης : µετρήσεις τάσης (πάνω) και ενεργός τιµή (κάτω) και (δ) Κυµατοµορφή τάσης Γ. Αρµονικές Η ύπαρξη αρµονικών στην τάση και την ένταση (υπέρθεση συχνοτήτων πολλαπλάσιων της θεµελιώδους 50/60 Hz) οφείλεται κυρίως στην ύπαρξη µη-γραµµικών φορτίων, φορτίων δηλαδή, που παίρνουν ρεύµα διαφορετικής κυµατοµορφής από την τάση, (άγουν ρεύµα µόνο σε ορισµένες περιοχές της τάσης). Μέσω της τάσης και σε συνάρτηση µε την ισχύ βραχυκυκλώσεως του δικτύου, οι αρµονικές που παράγονται σε ένα σηµείο του δικτύου µεταδίδονται και έτσι µπορεί να δηµιουργήσουν προβλήµατα σε άλλα φορτία. Αντίθετα από τα φαινόµενα που περιγράφονται παραπάνω (τα οποία είναι µικρής διάρκειας και µεταβατικής φύσεως), οι αρµονικές παρουσιάζονται κατά την µόνιµη κατάσταση λειτουργίας του συστήµατος. 6

7 Τυπικά µη-γραµµικά φορτία είναι: φορτία µε διατάξεις ηλεκτρονικών ισχύος: δηλαδή φορτία που χρησιµοποιούν ανορθωτές όπως οι κινητήρες µε µετατροπείς ισχύος για τη ρύθµιση στροφών, ηλεκτρονικές συσκευές (ηλεκτρονικοί υπολογιστές, τηλεοράσεις) καθώς και φορτία που χρησιµοποιούν ηλεκτρικό τόξο: φούρνοι τήξης και λάµπες φθορισµού. Το φάσµα των αρµονικών για την τάση και την ένταση υπολογίζεται µέσω του µετασχηµατισµού Fourier των αντίστοιχων κυµατοµορφών ώστε να υπολογισθούν τα πλάτη V n και I n σε κάθε συχνότητα όπως στις παρακάτω εξισώσεις: v( t) = n= 1 V n 2 sin( n. ω t + θ v, n ) (1) i( t) = I = n 1 n 2 sin( n. ω t + θ (2) i, n ) όπου v(t) η στιγµιαία τιµής της τάσης, i(t) η στιγµιαία τιµής της έντασης, V n το πλάτος αρµονικής τάσης τάξεως n, I n το πλάτος αρµονικής έντασης τάξεως n, θ v,n η γωνία αρµονικής τάσης τάξεως n, θ i,n η γωνία αρµονικής έντασης τάξεως n, n η τάξη αρµονικής, ω=2πf (όπου f είναι η θεµελιώδης συχνότητα του ηλεκτρικού συστήµατος 50 ή 60 Hz) και t ο χρόνος. Ένα παράδειγµα δίνεται στο Σχ. 4. Για την εκτίµηση της σοβαρότητας των αρµονικών στις κυµατοµορφές της τάσης και της έντασης, εκτός από τα πλάτη τους, χρησιµοποιούνται τα µεγέθη: συνολική παραµόρφωση λόγω αρµονικών τάσης και έντασης τα οποία είναι αντίστοιχα: THD V = n= 2 V 1 V 2 n (3) THD I = n= 2 I 1 I 2 n (4) Σχήµα 4. Κυµατοµορφή έντασης από switch mode power supply (παλµο-τροφοδοτικό) και η ανάλυση της σε αρµονικές µέσω µετασχηµατισµού Fourier Αν η θεµελιώδης συνιστώσα δεν µετράται ταυτόχρονα µε τις αρµονικές και στις παραπάνω σχέσεις αντικατασταθεί µε ένα µέσο όρο για µια συγκεκριµένη χρονική περίοδο τότε οι λόγοι που προκύπτουν από τις παραπάνω εξισώσεις ονοµάζονται «συνολική παραµόρφωση ζήτησης» και συµβολίζονται TDD. Οι πιο συνηθισµένες αρµονικές είναι οι περιττής τάξης (3 η, 5 η, 7 η κ.ο.κ.). Αρµονικές άρτιας τάξης είναι σπανιότερες και όταν εµφανίζονται συνδέονται κυρίως µε φαινόµενα κορεσµού µετασχηµατιστή. Οι επιπτώσεις των αρµονικών συνδέονται κυρίως µε την αύξηση της ενεργού τιµής τόσο της τάσης όσο και της έντασης [5]. Προβλήµατα επίσης προκαλούνται από την παραµόρφωση των κυµατοµορφών (αύξηση της κορυφής της κυµατοµορφής ή µετατόπιση των χρονικών τιµών κατά τις οποίες διέρχονται από το µηδέν). Εξαιτίας των αρµονικών: ενδέχεται να λειτουργήσουν λανθασµένα συσκευές προστασίας ειδικά αυτές που χρησιµοποιούν θερµικά µοντέλα. αν ο υπολογισµός της ενεργού τιµής της έντασης γίνεται χρησιµοποιώντας τη µέγιστη τιµή της κυµατοµορφής της αυξάνεται η πιθανότητα λάθους και ανεπιθύµητης λειτουργίας της προστασίας. Για τον ίδιο λόγο λάθη παρουσιάζονται σε µετρητικές συσκευές. 7

8 παρουσιάζονται προβλήµατα στην λειτουργία ηλεκτρονικών συστηµάτων αλλά και βλάβες. Επίσης παρουσιάζονται προβλήµατα ηλεκτροµαγνητικής συµβατότητας σε ηλεκτρονικές συσκευές πλοήγησης, επικοινωνίας, ελέγχου και αυτοµατισµών µε αποτέλεσµα λανθασµένη λειτουργία, διακοπή λειτουργίας, απώλεια δεδοµένων και βλάβες. προκαλείται υπερφόρτιση (δηλαδή υπερθέρµανση) και αυξάνονται οι δονήσεις και ο θόρυβος (µηχανική καταπόνηση) σε συσκευές όπως µετασχηµατιστές, µηχανές και πίνακες χαµηλής τάσης. µακροχρόνια προκαλείται πρόωρη γήρανση του εξοπλισµού. υπερθερµαίνεται ο ουδέτερος αγωγός (εφόσον υφίσταται) καθώς προστίθενται οι αρµονικές και δίνουν ρεύµατα κατά πολύ µεγαλύτερα από όταν τα φορτία είναι γραµµικά. περιορίζονται οι δυνατότητες των στοιχείων του ηλεκτρικού συστήµατος σε τιµές χαµηλότερες των ονοµαστικών. προκαλείται καταστροφή πυκνωτών που απορροφούν αρµονικές ρεύµατος.. ιακύµανση τάσης συχνότητας Η διακύµανση της τάσης µπορεί να ειδωθεί σαν µια διαµόρφωση της θεµελιώδους συχνότητας (50/60 Hz) από ένα σήµα µικρότερης συχνότητας [6]. Εποµένως ένας τρόπος χαρακτηρισµού του φαινοµένου είναι µέσω του πλάτους του σήµατος αυτού. ιαµόρφωση έως και 0.5% του πλάτους της τάσης στα 50/60 Hz µπορεί να προκαλέσει αντιληπτές αλλαγές στην ένταση φωτισµού εάν η συχνότητα διαµόρφωσης είναι 6-8 Ηz. Συσκευές δυναµικής αντιστάθµισης της αέργου ισχύος (διατάξεις πυκνωτών, πηνίων και ηλεκτρονικών ισχύος) µπορούν να περιορίσουν σηµαντικά τα προβλήµατα βελτιώνοντας παράλληλα τον συντελεστή ισχύος της εγκατάστασης. Στα ηπειρωτικά συστήµατα, οι συστηµατικές µικρού πλάτους διακυµάνσεις της τάσης µετρούνται µε το φλικόµετρο (flikermeter). Το φλικόµετρο µετρά τις µεταβολές της τάσης αναφορικά µε τη συχνότητα µε την οποία εµφανίζονται σε σχέση µε την ευαισθησία της ανθρώπινης όρασης σε αυτές τις µεταβολές. Χρησιµοποιούνται δύο δείκτες: ένας µικρής διάρκειας P st (short term severity factor - 10 λεπτών) και ένας µεγάλης διάρκειας P lt (long term severity factor - 2 ωρών) ο οποίος προκύπτει ως ο µέσος όρος του προηγούµενου. Το παραπάνω φαινόµενο συνδέεται µε την λειτουργία µεγάλων συνήθως φορτίων. Στα ηλεκτρικά συστήµατα των πλοίων, τα οποία είναι αποµονωµένα, τέτοια φορτία έχουν επίδραση και στη συχνότητα λειτουργίας τους. Η συχνότητα ενός ηλεκτρικού συστήµατος συνδέεται άµεσα µε την ταχύτητα περιστροφής των γεννητριών του συστήµατος και σε κάθε χρονική στιγµή εξαρτάται από το ισοζύγιο µεταξύ παραγωγής και φορτίου. Αλλαγές στο ισοζύγιο αυτό (σφάλµατα, µεγάλες αλλαγές στο φορτίο) προκαλούν µεταβολές στη συχνότητα. Το µέγεθος των µεταβολών αυτών εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά των φορτίων και την αντίδραση των συστηµάτων παραγωγής (κυρίως των ρυθµιστών στροφών) σε αλλαγές του φορτίου (χρόνος απόκρισης κτλ). Η επίδραση των µεταβολών της συχνότητας στα φορτία εστιάζεται στα συστήµατα χρονισµού (που χρησιµοποιούν την θεµελιώδη συχνότητα για τον υπολογισµό του χρόνου) αλλά και στις στρεφόµενες µηχανές [6]. Περιοδικές ή ηµι-περιοδικές µεταβολές στην τάση ή τη συχνότητα όπως αυτές προκαλούνται από τυχαία ή συστηµατική φόρτιση µε συχνότητα µικρότερη της θεµελιώδους αναφέρονται στις σχετικές µε πλοία προδιαγραφές ([7], [8]) ως διαµόρφωση (modulation). Επιπλέον, το ίδιο το περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται το πλοίο αποτελεί παράγοντα δηµιουργίας διαταραχών της τάσης και της συχνότητας. Οι ηλεκτρικές και οι ηλεκτρονικές συσκευές είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στο θαλάσσιο περιβάλλον όπου επικρατούν υψηλές/χαµηλές θερµοκρασίες, υγρασία, ταλαντώσεις παρουσία άλατος στην ατµόσφαιρα κ.τ.λ. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες επιδρούν στην σταθερότητα των συσκευών και κατ επέκταση στην ποιότητα της ηλεκτρικής ισχύος. Εδώ πρέπει να αναφέρουµε και τον παράγοντα της κατάστασης της θάλασσας η οποία έχει άµεση επίδραση στην παραγωγή σταθερής τάσης ειδικά όταν ηλεκτρική ενέργεια παράγεται από αξονικές γεννήτριες όπως αναφέρθηκε παραπάνω [9]. 4. ΠΡΟ ΙΑΓΡΑΦΕΣ Οι υψηλές απαιτήσεις των συστηµάτων πλοίων σε αξιοπιστία έχει ως αποτέλεσµα την συστηµατική σύνταξη προδιαγραφών για τα διάφορα φαινοµένα που εµφανίζονται στο ηλεκτρικό συστήµα του πλοίου. Αν και οι προδιαγραφές των πλοίων δεν ακολουθούν την ταχεία ανάπτυξη των αντίστοιχων προδιαγραφών ποιότητας ισχύος της ξηράς γίνεται προσπάθεια από µέρους των αρµόδιων φορέων για συστηµατικότερη αντιµετωπιση των θεµάτων αυτών. Παρακάτω παρουσιάζονται συνοπτικά οι προδιαγραφές για τα διάφορα φαινόµενα ποιότητας ισχύος όπως εµφανίζονται στις προδιαγραφές πλοίων (µε έµφαση στα πολεµικά πλοία) και γίνεται σύγκριση µεταξύ τους. 8

9 Α. Προδιαγραφές µεταβατικών φαινοµένων για πλοία Στον Πίνακα 2 παρουσιάζονται συγκριτικά τα επιτρεπόµενα όρια όπως αυτά δίνονται από διάφορους νηογνώµονες και άλλες προδιαγραφές αναφορικά µε µεταβατικά φαινόµενα στην τάση. Η αντιµετώπιση των φαινοµένων ποιότητας ισχύος για τα συστήµατα πλοίων από τις σχετικές προδιαγραφές είναι πολύ συνοπτική αντίθετα µε τις αντίστοιχες προδιαγραφές για τα ηπειρωτικά συστήµατα. Επιπλέον, η ορολογία που χρησιµοποιείται είναι διαφορετική από την πλέον διαδεδοµένη στα ηπειρωτικά συστήµατα ορολογία [6]. Για παράδειγµα αντί για «βύθιση τάσης» και «µεταβατικά φαινόµενα», χρησιµοποιούνται οι όροι «µεταβατικά φαινόµενα τάσης» και «αιχµές τάσης» αντιστοίχως. Το γεγονός αυτό καθιστά δύσκολο τον εµπλουτισµό των προδιαγραφών για πλοία από τις πληροφορίες που περιέχονται στις προδιαγραφές του ΙΕΕΕ ή του ΙΕC για τα θέµατα ποιότητας ισχύος. Επίσης, πολλοί νηογνώµονες δεν δίνουν όρια για τις αιχµές τάσης και τις σχετικές δοκιµές. ΠΙΝΑΚΑΣ 2 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΠΡΟ ΙΑΓΡΑΦΩΝ ΓΙΑ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΤΑΣΗΣ ΚΑΙ ΑΙΧΜΕΣ ΤΑΣΗΣ. ABS (2005) BV(2003) DNV(2001) GL(2004) PRS (2002) RINA(2005) ΦΟΡΕΑΣ ΜΕΤΑΒΑΤΙΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΤΑΣΗΣ ΑΙΧΜΗ ΤΑΣΗΣ ±20% (1,5s) Όχι (LRS) (2001) +20%, -15% (1,5s) Όχι IEEE Std STANAG 1008 (Ed.8, Ed.9) ±16%(2s) ±16%(2s) [ ±22%(2s) ] (κάτω από κάποιες συνθήκες) 18-35V, 24Vdc ±2500V (380V 600V) 1000V (120V-240V) 2.5kV, 440V 1kV, 115V 0.6kV, 24Vdc USA MIL-Std-1399 ( όπως STΑΝΑG 1008 ) ( όπως STANAG 1008 ) STANAG 1008 (Ed.8, Ed.9) ΙΑ ΙΚΑΣΙΕΣ ΟΚΙΜΩΝ Κεραυνική κρουστική τάση σύµφωνα µε IEC HV Test Techniques Part 2 Test Procedures (Section IV) MARINE JIS (2001) Παράδειγµα, για όργανα και συσκευές ελέγχου : ±20% (1,5s) Burst / Fast Transient σύµφωνα µε IEC (1995) Surge / Slow Transient σύµφωνα µε IEC (1995) ABS (2005) Burst / Fast Transient σύµφωνα µε IEC (1995) Surge / Slow Transient σύµφωνα µε IEC (1995) ΑΒS: American Bureau of Shipping o αµερικάνικος νηογνώµονας GL: Germanisher Lloyds ο γερµανικός νηογνώµονας LRS: Lloyds Register of Shipping ο βρετανικός νηογνώµονας BV: Bureau Veritas ο γαλλικός νηογνώµονας DNV: Det Norske Veritas ο νορβηγικός νηογνώµονας PRS: Polski Rejestr Statkow o πολωνικός νηογνώµονας RINA: Registro Italiano Navale o ιταλικός νηογνώµονας ΜΑRINE JΙS: ιαπωνικές προδιαγραφές STANAG 1008: οι προδιαγραφές του ΝΑΤΟ για πολεµικά πλοία [7] USA MIL-Std-1399: οι προδιαγραφές του αµερικάνικου πολεµικού ναυτικού [10] 9

10 Οι προδιαγραφές για τα ηλεκτρικά συστήµατα πολεµικών πλοίων του ΝΑΤΟ δίνονται στην προδιαγραφή STANAG 1008 [7] η οποία προέρχεται από την αµερικάνικη προδιαγραφή MIL-STD-1399(NAVY) Section 300A [10] η οποία είναι υπό την ευθύνη της οµάδας εργασίας του NATO, AC/141(NG/6)SubGroup/4. Η οµάδα εργασίας είναι υπεύθυνη για µια σειρά κειµένων τα πιο αντιπροσωπευτικά των οποίων δίνονται στην παραποµπή [11]. Η ορολογία αλλά και η φιλοσοφία που χρησιµοποιεί το [7] δεν είναι πάντα συνεπής µε τις προδιαγραφές που χρησιµοποιούνται ευρέως στα ηπειρωτικά συστήµατα. Για παράδειγµα ο όρος «αιχµή τάσης» (voltage spike) χρησιµοποιείται για να περιγράψει αυτό που στο [6] ορίζεται ως «κρουστικό µεταβατικό φαινόµενο» (impulsive transient). Επίσης, ο όρος µεταβατικό φαινόµενο για ο,τιδήποτε διαρκεί περισσότερο από 1 msec (η περισσότερο από ένα κλάσµα του κύκλου σύµφωνα µε το την έκδοση 9) διαφέρει από την ορολογία του [6]. Οι διαφορές αυτές καθιστούν δύσκολη την αξιοποίηση των προδιαγραφών του ΙΕΕΕ στα συστήµατα πλοίων. Επιπλέον, οι προδιαγραφές αυτές δεν καλύπτουν καταστάσεις σφαλµάτων αλλά µόνο καταστάσεις φυσιολογικής λειτουργίας και τα σχετικά όρια που δίνονται δεν καλύπτουν έναν µεγάλο αριθµό φαινοµένων που προκύπτουν κατά τη διάρκεια βραχυκυκλωµάτων. Μια ακόµα σηµαντική διαφορά δίνεται στη συνέχεια. Οι καµπύλες αντοχής είναι ένας τρόπος εκτίµησης της σοβαρότητας ενός φαινοµένου σε σχέση µε την τιµή της τάσης όσο και την διάρκεια του αναφορικά µε την ικανότητα των φορτίων να αντεπεξέλθουν σε φαινόµενα ποιότητας ισχύος. Οι καµπύλες συµβατότητας είναι δηλαδή γραφικές παραστάσεις του µεγέθους της τάσης ως προς τον χρόνο. Η έκδοση 8 του [7] χωρίζει την καµπύλη αντοχής (Σχ. 5) σε δυο περιοχές: για µεταβατικά φαινόµενα τάσης και για αιχµές τάσης. Αυτό σηµαίνει ότι επιτρέπει σε ένα δίκτυο 440 V µια διαταραχή της τάσης διάρκειας 990 µsec, γιατί αυτή είναι αιχµή ενώ αν η διάρκεια είναι λίγο µεγαλύτερη, για παράδειγµα, 1010 µsec, τότε η επιτρεπόµενη τιµή είναι πολύ µικρότερη (µόνο 759 V =1.22 x 2 x 440 V) γιατί σε αυτή την περίπτωση η διαταραχή θεωρείται µεταβατικό φαινόµενο. Αυτή η απότοµη µετάβαση από την µία κατηγορία στην άλλη είναι θεωρητική και δεν αντιστοιχεί σε πραγµατικά φαινόµενα. Άλλες προδιαγραφές (για παράδειγµα: [12], [13], [14]) χρησιµοποιούν µια ενδιάµεση- µεταβατική περιοχή ανάµεσα στις δύο κατηγορίες που αναφέρθηκαν παραπάνω. Οι ενδιάµεσες αυτές περιοχές ορίζονται διαφορετικά στις διάφορες προδιαγραφές. Το Σχ. 5 δείχνει την καµπύλη ITIC (Information Technology Industry Council, [12]) και την σχετική ενδιάµεση περιοχή. Στο ίδιο σχήµα φαίνεται επίσης και η αντίστοιχη καµπύλη του [7] όπως περιγράφεται παραπάνω. Στην έκδοση 9 του [7] τα όρια ανάµεσα στις 2 κατηγορίες δεν είναι σαφή (διάστικτη περιοχή στο Σχ. 5) και το γεγονός αυτό καθιστά δυσκολότερη την χρήση της καµπύλης. Για παράδειγµα µια διαταραχή 3 msec µεγέθους 900 V είναι αποδεκτή ως αιχµή αλλά µη αποδεκτή σαν µεταβατικό φαινόµενο. Περισσότερα για τις διάφορες προδιαγραφές σε σχέση µε τα θέµατα αυτά δίνονται στο [15]. Β. Προδιαγραφές αρµονικών για πλοία Όπως προαναφέρθηκε, τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί επιδείνωση του προβλήµατος των αρµονικών στα ηλεκτρικά συστήµατα των σύγχρονων πλοίων και ειδικότερα των πολεµικών. Αφού τα ηλεκτρικά συστήµατα των πλοίων έχουν πολλές οµοιότητες µε τα ηπειρωτικά συστήµατα, θα µπορούσαν να χρησιµοποιηθούν και οι αντίστοιχες προδιαγραφές (όπως το [16]). Έχουν όµως συνταχθεί και προδιαγραφές και κανονισµοί οι οποίοι καλύπτουν τα ηλεκτρικά συστήµατα πλοίων και τις ιδιαιτερότητες τους όπως οι [8] και [17]. Tα θέµατα αυτά όσον αφορά τα στρατιωτικά πλοία καλύπτονται από κείµενα όπως το STANAG 1008 [7] καθώς και από στρατιωτικές προδιαγραφές διαφόρων χωρών. Επιπροσθέτως, διάφοροι νηογνώµονες όπως ο Germanisher Lloyds (GL) [18] και ο Lloyds Register of Shipping (LRS) [19] έχουν εισάγει κανονισµούς αναφορικά µε τα προβλήµατα ποιότητας ισχύος και ειδικότερα για τα θέµατα αρµονικών. Στον Πίνακα 3 δίνονται συγκεντρωµένα τα όρια που αφορούν την παραµόρφωση λόγω αρµονικών στις αντίστοιχες προδιαγραφές που αναφέρθηκαν παραπάνω. Γραφικά, τα όρια αυτά παρουσιάζονται στο Σχ. 6 και 7. Σχετικά µε την τάση, όλες οι προδιαγραφές δίνουν όριο το 5% ή το 8% της θεµελιώδους για την συνολική παραµόρφωση µε τα όρια του GL και του LRS να είναι τα λιγότερο αυστηρά, ενώ στις περισσότερες περιπτώσεις όλες οι αρµονικές περιορίζονται στο 3%. Επιπροσθέτως, δεν υπάρχει σαφής τρόπος για την εκτίµηση της παραµόρφωσης της τάσης, όπως για παράδειγµα θα µπορούσε να γίνει µέσω της παραµόρφωσης της έντασης των επιµέρους φορτίων. Να σηµειωθεί επίσης ότι καµία προδιαγραφή δεν αναφέρεται στις διαρµονικές (interharmonics). Όρια για την παραµόρφωση της έντασης δίνονται µόνο στην έκδοση 8 του STANAG 1008 [7] και στο [16] (Σχ. 7). Στο [16] δίνονται όρια για τις αρµονικές κάθε τάξης ξεχωριστά καθώς και για την συνολική παραµόρφωση όπως αυτή εκφράζεται µέσω του TDD I. Οι ποσοστιαίοι περιορισµοί, οι οποίοι δίνονται σε αυτές τις προδιαγραφές αναφέρονται σε διαφορετικές τιµές της θεµελιώδους: Σύµφωνα µε την έκδοση 8 του [7], τα όρια αναφέρονται µε βάση τις ονοµαστικές εντάσεις πλήρους φορτίου όπως δίνονται από τους κατασκευαστές Σύµφωνα µε το [16] τα όρια αναφέρονται µε βάση το πραγµατικό µέσο µέγιστο φορτίο στην θεµελιώδη συχνότητα στο σηµείο ζεύξης. Λαµβάνοντας υπόψη ότι αρκετές συσκευές πάνω στα πλοία είναι υπερδιαστασιολογηµένες 10

11 (προκειµένου να µπορούν να καλύψουν µελλοντικές ανάγκες) δηλαδή δουλεύουν σε συνθήκες µερικής φόρτισης, η τιµή αναφοράς την οποία προτείνει το [16] είναι καταλληλότερη. Επίσης τα όρια εξαρτώνται από τα το εάν η τάξη της αρµονικής είναι άρτια ή περιττή. 600 Αιχµή Μεταβατικό φαινόµενο Όρια µεταξύ αιχµής και µεταβατικών φαινοµένων σύµφωνα µε την έκδοση 9 του [STANAG1008] (%) Αλλαγή στην ονοµαστική τάση ΟΝΟΜΑΣΤΙΚΗ ΤΑΣΗ Απαγορευµένη περιοχή ΜΟΝΙΜΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ % Περιοχή όπου δεν προκαλούνται βλάβες Χρόνος (sec) Σχήµα 5. Καµπύλη συµβατότητας ITIC και STANAG 1008 (διακεκοµµένη γραµµή) (για συστήµατα 120 V και 60 Hz). Υπό συνθήκες υπέρτασης η συσκευή κινδυνεύει από βλάβη, ενώ υπό συνθήκες µειωµένης τάσης η συσκευή ενδέχεται να σταµατήσει να λειτουργεί ΠΙΝΑΚΑΣ 3 ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΗ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΠΡΟ ΙΑΓΡΑΦΩΝ ΓΙΑ ΑΡΜΟΝΙΚΕΣ STANAG 1008 Έκδοση 8 Έκδοση 9 GL LRS IEEE 519 IEC THD V Ναι (5%) Ναι (5%) Ναι (8%) Ναι (8%) Ναι (5%) Ναι (5%) V n Ναι (3%) Ναι (3%) Ναι Ναι (1.5%)* Ναι (3%) Ναι (3%) THD I Όχι *** Όχι Όχι Ναι (5%)** *** I n Ναι *** Όχι Όχι Ναι *** * ο περιορισµός ισχύει n 25 ** TDD I *** δεν δίνεται αριθµητικό όριο 11

12 Όρια παραµόρφωσης Τάσης 6.0% 5.0% GL Vn/V1 4.0% 3.0% IEC IEEE-519 STANAG 1008 ed.8 2.0% LRS 1.0% 0.0% Αρµονική τάξης n Σχήµα 6. Γραφική απεικόνιση ορίων για τις επιµέρους αρµονικές τάσης όπως δίνονται από τις διάφορες προδιαγραφές Όρια παραµόρφωσης έντασης 8.0% 7.0% STANAG 1008/Ed. 8 (Ισχύς <1 kva) In/I1L 6.0% 5.0% 4.0% IEEE-519 (odd) STANAG 1008/Ed. 8 (Ισχύς >1 kva) 3.0% 2.0% IEEE-519 (even) 1.0% 0.0% Αρµονική τάξης n Σχήµα 7. Γραφική απεικόνιση ορίων για τις επιµέρους αρµονικές τάσης όπως δίνονται στις διάφορες προδιαγραφές (µόνο τα [7] έκδοση 8 και [16] έχουν όρια για την παραµόρφωση της έντασης. Η σύγκριση ισχύει µόνο αν οι τιµές αναφοράς των δύο προδιαγραφών είναι οι ίδιες). Να σηµειωθεί επίσης ότι για το STANAG 1008 [7], σύµφωνα µε τις εκδόσεις 8 και 9 η συνολική παραµόρφωση λόγω αρµονικών (THD V ) σε συστήµατα 60 Hz και 400 Hz δεν πρέπει να ξεπερνά το 5% της θεµελιώδους, ενώ οι επιµέρους 12

13 αρµονικές δεν πρέπει να ξεπερνούν το 3% της θεµελιώδους. Προκειµένου να επιτευχθούν αυτοί οι στόχοι στην έκδοση 8 τίθονται όρια (όρια σχεδιασµού) για την παραµόρφωση της έντασης του κάθε φορτίου (Πίνακας 4). ΠΙΝΑΚΑΣ 4 ΌΡΙΑ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ STANAG 1008 [7]/ ΈΚ ΟΣΗ 8 Αρµονική τάξης n Επιτρεπτά όρια επί τοις εκατό της ονοµαστικής έντασης πλήρους φορτίου στην θεµελιώδη συχνότητα, I 1fL Φορτία < (1 kva/60 Hz ή 0.2 kva/400 Hz και 2 A/115 V/400 Hz) n >1 100/n Φορτία > (1 kva/60 Hz ή 0.2 kva/400 Hz και 2 A/115 V/400 Hz) 2 n < 33 3 % n /n Η εγκυρότητα των παραπάνω ορίων έχει γίνει αντικείµενο πολλών συζητήσεων. Η επιτροπή του ΝΑΤΟ, AC/141(NG/6)SubGroup/4, που είναι υπεύθυνη για το STANAG 1008 [7] εξετάζει τα όρια µε σκεπτικισµό καθώς θεωρητικές αναλύσεις και µετρήσεις σε ηλεκτρικά συστήµατα πλοίων δείχνουν ότι είναι υπερβολικά αυστηρά. Επιπλέον, ο όρος «ονοµαστική ένταση πλήρους φορτίου στη θεµελιώδη συχνότητα» µπορεί να οδηγήσει σε παρερµηνείες και δυσκολίες στην εφαρµογή των ορίων. Καθώς η ονοµαστική ισχύς των φορτίων συχνά υπερεκτιµάται (σκόπιµη υπερδιαστασιολόγηση για κάλυψη µελλοντικών αναγκών), η ονοµαστική ένταση πλήρους φορτίου είναι µεγαλύτερη της πραγµατικής. Να σηµειωθεί επίσης ότι σε αρκετές περιπτώσεις το φάσµα των αρµονικών είναι διαφορετικό στο πραγµατικό φορτίο από ότι στο ονοµαστικό φορτίο. Προκειµένου να επιλυθούν τα παραπάνω προβλήµατα, η έκδοση 9 του STANAG 1008 [7] αντιµετωπίζει διαφορετικά τα ζητήµατα των αρµονικών (η έκδοση αυτή βρίσκεται σε στάδιο διαβούλευσης). Ισχύουν µεν τα όρια της τάσης όπως και στην προηγούµενη έκδοση αλλά τα όρια της έντασης έχουν αφαιρεθεί και στην θέση τους δίνονται τα όρια του Πίνακα 5 που αφορούν στις ενέργειες που πρέπει να γίνουν ανάλογα µε την εγκατεστηµένη ισχύ των φορτίων που προκαλούν αρµονική παραµόρφωση. Αναφέρεται επίσης ότι: «Αν το άθροισµα όλων των φορτίων στο σύστηµα τα οποία παραµορφώνουν την κυµατοµορφή της έντασης ΣP dist είναι µικρότερο από 1% της ισχύος βραχυκύκλωσης των µονάδων παραγωγής S SC µε το µεγαλύτερο από αυτά τα φορτία να είναι µικρότερο από 0.5%, τότε υπό φυσιολογικές συνθήκες δεν απαιτούνται περαιτέρω ενέργειες προκειµένου να µειωθούν οι αρµονικές των εντάσεων. Το όριο αυτό µπορεί να γίνει 2% του S SC αν το φορτίο αυτό είναι το άθροισµα επιµέρους µικρών φορτίων που προκαλούν παραµόρφωση, µε το καθένα από αυτά να είναι µικρότερο από 0.1% του S SC. Αν τα µεγέθη αυτά υπερβούν κάποιο από αυτά τα όρια, τότε πρέπει να πραγµατοποιηθεί ανάλυση προκειµένου να διαπιστωθεί αν τα όρια του STANAG-1008 ικανοποιούνται αναφορικά µε τα όρια τάσης καθώς και να γίνει από νωρίς συνεργασία µεταξύ της αρµόδιας υπηρεσίας που επιβλέπει τον σχεδιασµό και τον κατασκευαστή συσκευών.» ΠΙΝΑΚΑΣ 5 ΌΡΙΑ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗΣ ΕΝΤΑΣΗΣ ΣΥΜΦΩΝΑ ΜΕ STANAG 1008 [7] / ΈΚ ΟΣΗ 9 Συνθήκες P %. dist, k = 1 S sc µε k Max k ( dist, k ) = 0.5 P %. dist, k = 2 S sc µε k Max k ( dist, k ) = 0.1 ιαφορετικά P %. S P %. S sc sc Απαιτούµενες ενέργειες Καµία Καµία Περαιτέρω ανάλυση P dist,k : ισχύς φορτίων που προκαλούν παραµόρφωση S sc : ισχύς βραχυκύκλωσης του συστήµατος παροχής 13

14 Αν και η έκδοση αυτή κινείται στην σωστή κατεύθυνση λαµβάνοντας υπόψη ότι οι συνέπειες από τις αρµονικές της έντασης πρέπει να αντιµετωπισθούν συνολικά, ουσιαστικά δεν δίνονται συγκεκριµένα όρια για την παραµόρφωση της έντασης. Αντιθέτως, πρέπει να διερευνηθεί η παραµόρφωση στην τάση µέσω αναλύσεων (προσοµοιώσεις µε µαθηµατικά µοντέλα ολόκληρου του ηλεκτρικού συστήµατος ή/και µετρήσεις σε αυτό) ενώ όλες οι εναλλακτικές λύσεις από διαφορετικούς κατασκευαστές πρέπει να εκτιµηθούν σε διαφορετικά σηµεία λειτουργίας, κάθε φορά που ένα νέο φορτίο πρέπει να ενταχθεί στο σύστηµα. Περισσότερα για τις διάφορες προδιαγραφές σε σχέση µε τα θέµατα αυτά δίνονται στο [20] ενώ µετρήσεις αρµονικών σε πλοία του ελληνικού ναυτικού παρουσιάζονται στο [21]. 5. TO ΠΛΗΡΩΣ ΕΞΗΛΕΚΤΡΙΣΜΕΝΟ ΠΛΟΙΟ Α. Εξελίξεις στην τεχνολογία των πλοίων Η σηµαντικότερη εξέλιξη τα τελευταία χρόνια στα πλοία είναι η εφαρµογή των κινητήρων προώσεως καθώς και των αζιµουθιακών προωστήρων (POD) ([9],[22],[23]). Η εφαρµογή της τεχνολογίας της ηλεκτροκίνησης στα πλοία έχει σαν συνέπεια την χρήση υψηλότερων επιπέδων τάσης. Επίπεδα τάσης από 1 kv έως 11 kv είναι τα πιο συνηθισµένα. Σύµφωνα µε την τρέχουσα πρακτική κινητήρες ντίζελ χρησιµοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας η οποία χρησιµοποιείται τόσο για τις απαιτήσεις σε ηλεκτρισµό του πλοίου όσο και για την πρόωση του, µέσω µεγάλων κινητήρων πρόωσης οι οποίοι είναι συνδεδεµένοι απευθείας στον κύριο ζυγό του ηλεκτρικού πίνακα του πλοίου. Οι κινητήρες αυτοί πολύ συχνά χρησιµοποιούν ηλεκτρονικούς µετατροπείς ισχύος για τη ρύθµιση στροφών. Η τεχνολογία των ηλεκτρονικών µετατροπεών ισχύος δίνει την δυνατότητα ρύθµισης στροφών του κινητήρα, µε µεγαλύτερο βαθµό απόδοσης, µεγαλύτερη ακρίβεια, ελάχιστη συντήρηση και δυνατότητα πολύπλοκων τεχνικών ελέγχου (π.χ. διανυσµατικός έλεγχος) που πριν ήταν αδύνατος. Το κόστος των µετατροπέων πλέον δεν είναι απαγορευτικό, ενώ οι µικρές διαστάσεις τους (αφού απουσιάζουν κινητά µέρη) τους κάνει ιδιαίτερα ελκυστικούς για συστήµατα πλοίων. Τα συστήµατα πρόωσης πλέον χρησιµοποιούν κινητήρες εναλλασσοµένου ρεύµατος. Σε ένα σύστηµα κύριας πρόωσης µε κινητήρες εναλλασσοµένου ρεύµατος (σύγχρονους ή ασύγχρονους) για την ρύθµιση των στροφών χρησιµοποιείται πηγή µεταβλητής συχνότητας και τάσης η οποία µπορεί να είναι: κυκλοµετατροπέας. σύστηµα σύγχρονου κινητήρα που τροφοδοτείται από αντιστροφείς φυσικής µεταγωγής (load commutated inverter). αντιστροφέας διαµόρφωσης παλµών (impulse modulated inverter) όπου η τάση και η συχνότητα του κινητήρα ελέγχονται µεταβάλλοντας το πλάτος των παλµών που παράγει ο αντιστροφέας ο οποίος τροφοδοτείται από έναν ανορθωτή µέσω ενός συνδέσµου συνεχούς ρεύµατος. Τέλος, έδαφος κερδίζει και η χρήση των αζιµουθιακών προωστήρων (POD) η οποία παρουσιάζει µεγάλα πλεονεκτήµατα. Μεταφέροντας τους προωστήρες εκτός και κάτω από την γάστρα του πλοίου, οι αζιµουθιακοί προωστήρες προσφέρουν οικονοµία χώρου εντός του πλοίου, υψηλότερο βαθµό απόδοσης και µεγαλύτερη δυνατότητα ελιγµών. Οι αζιµουθιακοί προωστήρες εφαρµόζονται επιτυχώς σε κρουαζιερόπλοια και το µέγεθός τους φτάνει τα 20 MW. Τέλος πρέπει να σηµειωθεί η παρουσία µιας ακόµα κατηγορίας φορτίων που εµφανίζεται στο πλήρως εξηλεκτρισµένο πλοίο: τα παλµικά φορτία. Αυτά τα φορτία απαιτούν µεγάλη ισχύ (της τάξης αρκετών GW) για σύντοµο χρονικό διάστηµα (της τάξης µερικών sec ή msec) [24]. Παραδείγµατα φορτίων που µπορούν να χαρακτηριστούν παλµικά είναι: Ηλεκτροµαγνητικά Συστήµατα Απογείωσης - Electromagnetic Aircraft Launch Systems (EMALS) Ηλεκτροµαγνητικά Οπλικά Συστήµατα - Electromagnetic Guns ( Rail Guns, Coil Guns, Lasers, High Energy Microwaves ) Ραντάρ, σόναρ, επικοινωνιακά συστήµατα κλπ.. B. Προβλήµατα ποιότητας ισχύος Οι νέες τεχνολογίες οι οποίες εφαρµόζονται στα πλοία ενδέχεται να δηµιουργήσουν προβλήµατα σε διάφορα υποσυστήµατα ενός πλοίου (ραδιοσκόπια, επικοινωνιακά συστήµατα, πυραυλικά συστήµατα κ.ά. [11, no.8]). Πιο συγκεκριµένα τα προβλήµατα που αναµένονται: Οι ηλεκτρονικοί µετατροπείς ισχύος για τη ρύθµιση στροφών των κινητήρων που χρησιµοποιούνται στα κύρια και βοηθητικά συστήµατα πρόωσης θα προκαλέσουν προβλήµατα αρµονικών όπως αναφέρθηκε ήδη παραπάνω. Οι 14

15 µετατροπείς έξι παλµών οι οποίοι κυρίως χρησιµοποιούνται στα πλοία παράγουν αρµονικές περιττής τάξης, εξαιρουµένων των τριπλών, 5,7,11,13,17,19,23,25. Στους µετατροπείς δώδεκα παλµών δεν εµφανίζονται οι αρµονικές 5 και 7 τάξης αλλά έχουν υψηλό αρχικό κόστος [9]. Παλµικά φορτία όπως τα σύγχρονα οπλικά συστήµατα πάνω στα πλοία είναι, εξ ορισµού, µια σηµαντική πηγή βυθίσεων τάσης εξαιτίας των µεγάλων ενεργειακών απαιτήσεων τους σε µικρό χρονικό διάστηµα, ενώ παράλληλα θέτουν σε κίνδυνο την ευστάθεια του ηλεκτρικού συστήµατος. Καθώς αυξάνεται ο αριθµός των φορτίων που είναι ευαίσθητα σε βυθίσεις τάσεις πρέπει να ληφθούν τα κατάλληλα µέτρα για την αντιµετώπιση των προβληµάτων που προκαλούν τα παλµικά φορτία. Επιπλέον, θέµατα όπως η διαµόρφωση της τάσης και της συχνότητας πρέπει να διερευνηθούν σε σχέση µε την επίδραση που έχουν στα φορτία. Σε κάθε περίπτωση, η ένταξη παλµικών φορτίων απαιτεί την χρήση συστηµάτων αποθήκευσης ενέργειας µε χαρακτηριστικά (ισχύς, χρόνος απόκρισης κτλ) τα οποία θα καλύπτουν τις ιδιαίτερες απαιτήσεις του φορτίου. Συστοιχίες συσσωρευτών, πυκνωτών, στρεφόµενες µάζες (flywheels) ή αποθήκευση σε υπεραγώγιµα µαγνητικά υλικά είναι κάποιες από τις προσφερόµενες λύσεις. Ο µέσος όρος ισχύος του ηλεκτρικού συστήµατος είναι της τάξεως αρκετών MVA ενώ ορισµένα φορτία όπως οι βοηθητικοί προωστήριοι µηχανισµοί πλώρης ή πρύµνης (bow ή stern thrusters) συνήθως ξεπερνάνε τα 750 kw και φτάνουν έως και 2.5 MW. Για το λόγο αυτό έντονες διακυµάνσεις της τάσης παρατηρούνται κατά την εκκίνηση τέτοιων φορτίων όπως οι προωστήριοι µηχανισµοί, οι κινητήρες πρόωσης, οι µεγάλες αντλίες φορτοεκφόρτωσης, οι αντλίες µετάγγισης καυσίµου κοκ. Η χρήση υψηλότερων επιπέδων τάσης (µεγαλύτερων από 1000 V) αυξάνει τις απαιτήσεις σε µόνωση τόσο στην µόνιµη όσο και σε µεταβατικές καταστάσεις καθώς όλος ο εξοπλισµός και τα φορτία υπόκεινται σε υψηλότερα ρεύµατα βραχυκυκλώσεως, και υπερτάσεις. Όσον αφορά την αρχική στιγµιαία τιµή των αιχµών, όπως έχει δείξει η εµπειρία στα ηπειρωτικά συστήµατα, η χωρητικότητα όλων των στοιχείων του συστήµατος παίζει σηµαντικό ρόλο [20]. Η εναλλακτική χρήση συστηµάτων συνεχούς ρεύµατος υψηλής τάσης (όπως στην περίπτωση των κυψελών καυσίµου) εισάγει ένα σηµαντικό αριθµό µεταβατικών φαινοµένων καθώς η διακοπή του συνεχούς ρεύµατος προκαλεί υπερτάσεις οι οποίες είναι επικίνδυνες για τον εξοπλισµό και τα φορτία [25]. Οι εναλλακτικές επιλογές στην τοπολογία του ηλεκτρικού δικτύου (π.χ. κλειστού τύπου) προκειµένου να βελτιωθεί η ποιότητα ισχύος αλλά και η αξιοπιστία του ενδέχεται να εισαγάγει προβλήµατα εάν το σύστηµα προστασίας δεν σχεδιαστεί κατάλληλα και δεν γίνει η σωστή επιλογική συνεργασία µεταξύ των διαφορετικών συσκευών προστασίας (σε συστήµατα κλειστού τύπου απαιτείται η χρήση στοιχείων κατευθύνσεως στους ηλεκτρονόµους προκειµένου η λειτουργία των διακοπτών να περιοριστεί στον µικρότερο δυνατό βαθµό και να επηρεαστεί τελικά ο µικρότερος δυνατός αριθµός κόµβων του συστήµατος). Οι απαιτήσεις λειτουργίας του ηλεκτρικού συστήµατος είναι µεγαλύτερες από ότι στο παρελθόν. Αυτό συνεπάγεται περισσότερες διακοπτικές λειτουργίες και κατά συνέπεια περισσότερα µεταβατικά φαινόµενα. 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στο άρθρο αυτό έγινε προσπάθεια παρουσίασης των διαφ;oρων θεµάτων που σχετίζονται µε την ηλεκτροκίνηση των πλοίων και ειδικότερα των θεµάτων ποιότητας ισχύος που προκύπτουν από την εφαρµογή των νέων τεχνολογιών. Παρουσιάστηκαν τα σηµαντικότερα φαινόµενα ποιότητας ισχύος και ο τρόπος που αντιµετωπίζονται από τις προδιαγραφές για πλοία. Η σταδιακή εξηλέκτριση των πλοίων δηµιουργεί νέες απαιτήσεις και προβλήµατα για τα συστήµατα ηλεκτρικής ενέργειας πάνω στο πλοίο. Από την καταγραφή των προβληµάτων αυτών µέχρι την επίλυση τους δηµιουργείται η ανάγκη για συστηµατική µελέτη των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των πλοίων και αξιολόγηση τους µε βάση τις πρακτικές και την εµπειρία από τα ηπειρωτικά συστήµατα. Προδιαγραφές όπως το STANAG 1008 [7] οι οποίες πρέπει να υποστηρίζουν το πλήρως εξηλεκτρισµένο πλοίο πρέπει να συµπεριλάβουν τα νέα δεδοµένα αναφορικά µε τα αναµενόµενα προβλήµατα ποιότητας ισχύος. Αυτό µπορεί να γίνει µε: Λεπτοµερή καταγραφή και κατηγοριοποίηση των φαινοµένων που συνδέονται µε αιχµές και µεταβατικές καταστάσεις που αναµένεται να εµφανιστούν στο πλήρως εξηλεκτρισµένο πλοίο. Προτάσεις για µεθόδους αντιµετώπισης αυτών των προβληµάτων ποιότητας ισχύος αλλά και περιγραφή των χαρακτηριστικών τους, για παράδειγµα για συσκευές προστασίας από υπερτάσεις, φίλτρα κτλ. 15

16 Μετρήσεις σε υποσυστήµατα πλήρως εξηλεκτρισµένων πλοίων υπό κατασκευή αλλά και προσοµοίωση των παραπάνω φαινοµένων προκειµένου, σε διαδοχικά βήµατα να προκύψουν οι σχετικές αναφορές στις προδιαγραφές. Η έρευνα που έχει πραγµατοποιηθεί σε σχέση µε την ποιότητα ισχύος των ηπειρωτικών συστηµάτων αποτελεί αφετηρία για αντιµετώπιση των παραπάνω ζητηµάτων. Όπως αναφέρθηκε, ο εναρµονισµός των κανονισµών των πλοίων µε αυτούς της ξηράς θα επιτρέψει την ευκολότερη εκµετάλλευση της σχετικής εµπειρίας και γνώσης. Η οικονοµική λειτουργία των τεράστιων ηλεκτρικών συστηµάτων απαιτεί τον ελάχιστο δυνατό αριθµό γεννητριών σε λειτουργία καθώς και την εξισορροπηµένη φόρτιση µε φορτία πρόωσης αλλά και φορτία υπηρεσίας. Αυτές οι απαιτήσεις δηµιουργούν την ανάγκη για ένα εκτεταµένο σύστηµα µετρήσεων και εποπτείας σε πραγµατικό χρόνο και δυνατότητα δυναµικής ανακατανοµής των φορτίων. Μέθοδοι για την αξιοποίηση των µετρήσεων (εµπειρικά συστήµατα τα οποία θα λειτουργούν επικουρικά στη λήψη αποφάσεων) πρέπει να αναπτυχθούν προκειµένου να εξασφαλιστεί η αξιόπιστη λειτουργία των πλοίων. 7. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Οι συγγραφείς εκφράζουν τις ευχαριστίες τους στην Ευρωπαϊκή Ένωση και στο Υπουργείο Παιδείας και Θρησκευµάτων για την χρηµατοδότηση στα πλαίσια του Επιχειρησιακού Προγράµµατος για την Εκπαίδευση και την Αρχική Επαγγελµατική Κατάρτιση - ΕΠΕΑΕΚ" και ειδικότερα στα πλαίσια του ερευνητικού έργου "Πυθαγόρας-ΙΙ". Το Πρόγραµµα συγχρηµατοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (75% ) και Εθνικούς Πόρους (25%). 8. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ [1] M.H.J. Bollen, Understanding power quality problems: voltage sags and interruptions, IEEE Press, New York, [2] E. Styvaktakis, M.H.J. Bollen, Signatures of voltage dips: transformer saturation and multistage dips, IEEE Trans. on Power Delivery, vol.18, no.1, pp , January [3] F.D. Martzloff, Surge recordings that make sense: Shifting focus from voltage to current measurements, Proceedings, EMC 96 ROMA Symposium, September 1996, Rome, Italy. [4] S. Santoso, H.W. Beaty, R. Dugan, M.F. McGranaghan, Electrical Power Systems Quality, McGraw-Hill Professional, 2 nd Edition [5] J. Arrillaga, D.A. Bradley, and P.S. Bodger, Power System Harmonics, New York: Wiley, [6] IEEE Std , IEEE recommended practice for monitoring electric power quality, [7] STANAG 1008, Characteristics of Shipboard Electrical Power Systems in Warships of the North Atlantic Treaty Navies, NATO, Edition 8, 21 Febr / Edition 9, 24 Aug [8] ΙΕEE Standard , Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard, IEEE Press, New York, [9] J. Mindykowski, Assessment of electric power quality in ship systems fitted with converter subsystems, Shipbuilding and Shipping, [10] USA MIL-STD-1399 (NAVY), Interface standard for Shipboard systems - Section 300A - Electric Power, Alternating Current. [11] 1. NATO AC/141(SG/6)SG/4, U.K., ADLPS/7/9/16-Sept.87 and 91/ , Discussion paper on Voltage Spikes on shipboard power supply systems 2. NATO AC/141(SG/6)SG/4, Capt.J.Strachan, USN, "Transient Over- Voltages in shipboard power systems" 3. NATO AC/141(SG/6)SG/4, U.S.A, , Presentation for NATO IEG/6- SG/4. Shipboard voltage spike investigation 4. NATO AC/141(SG/6)SG/4, U.S.A., 12/ , STANAG 1008 Edition 8 ; Voltage spike source impendance measurement Summary 5. NATO AC/141(SG/6)SG/4, GREECE, 05/99(09) Voltage Spikes and Transients (STANAG 1008) Summary of Answers 6. NATO AC/141(SG/6)SG/4, U.S.A., 12/99/ , STANAG 1008 Edition 9 7. NATO AC/141(SG/6)SG/4, FRANCE, 91/ , Stanag 1008 Taux de desequilibre d un reseau triphase ( Document Electricite de France d aout 1984, J.P. Meyer, Contribution a la determination du taux de desequilibre d un reseau triphase ). 8. NATO AC/141(SG/6)SG/4, GREECE, 17(GR) AES-Chapter 8, PULSED LOADS, Summary of Answers. 9. NATO AC/141(SG/6)SG/4, UK, 92/ , Revised summary of replies received to UK questionnaire on the use of capacitive EMC filters. 10. NATO AC/141(SG/6)SG/4, GERMANY, (45)93/ , Leakage capacitance. 11. NATO AC/141(SG/6)SG/4, GERMANY, (06)97/14, Leakage capacitance. Effects of capacitance between line and earth. 12. NATO AC/141(SG/6)SG/4, THE NETHERLANDS, 09(NL)99/03, , Harmonic Currents and Leakage Capacitance. [12] TC3 of the Information Technology Industry Council (ITIC), ITIC (CBEMA) Curve, [13] DIN VDE 0160 A1, Electronic equipment for use in electrical power installations and their assembly into electrical power installations. 16

17 [14] USA MIL-STD-704E, Aircraft Electric Power Characteristics, 1 May [15] I.K. Hatzilau, J. Prousalidis, E. Styvaktakis, E. Sofras Voltage and Current Spikes & Transients - Power Supply Quality aspects for the AES, Proceedings of 2005 All Electric Ship Symposium (AES2005), October 2005, Paris France. [16] IEEE Std 519, IEEE recommended practice and requirements for harmonic control in electrical systems, [17] IEC 60092/101, Electrical installation in Ships - Definitions and General Requirements, [18] Germanischer Lloyds (GL), General Requirements and Instructions, I-Part 1, Chapter 3, Section 1, [19] Lloyds Register of Shipping (LRS), Rules and Regulations for the Classification of Naval Ships Electrical Engineering, Vol. 2, Part 10, Chapter 1, January [20] I.K. Hatzilau, J. Prousalidis, E. Styvaktakis, F. Kanellos, S. Perros, E. Sofras, Electric power supply quality concepts for the All Electric Ship (AES), αποδεκτή εργασία για παρουσίαση στο World Marine Transport Technology Conference, March 2006, London, UK. [21] I.K. Hatzilau, A. Magoulas, S. Perros, D. Kavoulakos, E. Sakiotis, E. Christofis, F. Martinos, J. Prousalidis, Harmonic Power Quality On Naval Ships Electric Systems (Standards Overview - Field Measurements), Proceedings of 3 rd Mediterranean Conference and Exhibition on Power Generation Transmission Distribution and Energy Conversion (MEDPOWER 2002), 4-6 November 2002, Athens, Greece. [22] J. Prousalidis, I.K. Hatzilau, P. Michalopoulos, I. Pavlou, D. Muthumuni, Studying ship electric energy systems with shaft generator, Proceedings of 2005 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ΕSTS 05), July 2005, Philadelphia, USA. [23] Ι.Κ. Χατζηλάου, Ι.Μ. Προυσαλίδης, Γ. Αντωνόπουλος, Ι.Κ. Γύπαρης, Π. Βαλλιανάτος, Εξελίξεις στην ηλεκτροπρόωση πλοίων και ανασκόπηση ζητηµάτων σχεδιασµού στο "Πλήρως Εξηλεκτρισµένο Πλοίο", Ηλεκτροκίνητα Μέσα Μεταφοράς στην Ελλάδα: υφιστάµενη κατάσταση και προοπτικές, ιήµερο ΤΕΕ, Ιανουαρίου [24] J.V. Amy, D.H. Clayton, T.J. Mc Coy, The evolving nature of loads in an electric warship, AES 2003, February, UK. [25] J.O. Flower, C.G. Hodge, Stability and transient-behavioural assessment of power-electronics based dcdistribution systems, 1 st WSEAS Int. Sub-Conference on Electroscience and Technology for Naval Engineering and All Electric Ship, Athens, July [26] Ι.Κ. Χατζηλάου, Γ. Γαλάνης, Ν. Πιρτζινίδης, Συστήµατα Ηλεκτροπρόωσης Υποβρυχίων του ΠΝ, Ηλεκτροκίνητα Μέσα Μεταφοράς στην Ελλάδα: υφιστάµενη κατάσταση και προοπτικές, ιήµερο ΤΕΕ, Ιανουαρίου