REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
La
regolazione
della
frequenza
costituisce
una
prerogativa fondamentale per la qualità dell’esercizio di
una rete elettrica.
Le utenze elettriche richiedono che frequenza e tensione
assumano precisi valori con scostamenti di modesta entità
La frequenza della corrente generata e immessa in rete è
proporzionale alla velocità di rotazione del generatore.
Regolazione
di frequenza
Regolazione di velocità
gruppo turbina–alternatore
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1
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
n
velocità meccanica [giri/min]
f
frequenza elettrica [Hz]
p
numero di poli della macchina elettrica
Np
numero di coppie polari della macchina elettrica
120 f
n=
p
60 f
n=
Np
f=50 [Hz]
poli p
2
4
6
8
10
n [giri/min]
3000
1500
1000
750
600
poli p
12
14
16
18
20
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n [giri/min]
500
428.6
375
333.33
300
2
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Le utenze introducono dei disturbi nella rete in
seguito alle variazioni del carico attivo e reattivo.
variazioni di frequenza
variazioni di tensione
NECESSITA’ DELLA REGOLAZIONE
Con il termine regolazione si indicano tutte quelle
operazioni che, istante per istante, modificano le
condizioni di funzionamento dell’impianto per
adeguarle alle esigenze dell’utilizzatore.
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3
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Cm
coppia motrice
Cr
coppia resistente
J
momento
d’inerzia
delle
masse
rotanti
(turbina e alternatore) [kg m2]
Ω
velocità angolare della turbina [rad/s]
Pm
potenza motrice
Pr
potenza resistente
Cm
Eq. di equilibrio dinamico
all’asse della turbina
dΩ
−Cr = J
dt
dΩ
Pm − Pr = JΩ
dt
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4
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Condizioni di funzionamento stazionarie
Cm − Cr = 0
Ω = cos t
9 L’equilibrio di coppia o di potenza viene alterato per vari motivi
Le esigenze dell’utenza
determinano variazione
del carico dalla rete Pr
variazione diretta
del carico
Variazione della potenza
generata per perturbazioni
nel sistema idraulico Pm
variazione indiretta
del carico
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5
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
9 Lo squilibrio di coppia porta ad accelerare/decelerare il
gruppo in contrasto con la necessità di mantenere
Ω=costante
9 Le variazioni dirette del carico sono in genere brusche e
frequenti per cui si richiede un regolatore a funzionamento
automatico e rapido per garantire l‘equilibrio.
9 Le variazioni idrauliche (salto) sono invece lente e graduali
da poter essere compensate con regolazioni manuali.
9 In questo caso il regolatore opera come un regolatore di
livello del bacino di carico
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6
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
9 Per mantenere le condizioni stazionarie occorre
intervenire sulla coppia motrice Cm agendo sui sistemi di
regolazione della turbina (DISTRIBUTORE)
9 L’intervento sul distributore è determinato dalla variazione
della velocità del gruppo il quale sopperisce, in un primo
tempo, alla momentanea variazione del carico modificando
l’energia cinetica delle proprie masse rotanti.
Il distributore varia la portata in turbina e adegua la
coppia motrice alle variazioni della coppia resistente
ripristinando le condizioni stazionarie Ω=costante
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7
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Impianto idroelettrico ad alta caduta
VASO DI ESPANSIONE/
POZZO PIEZOMETRICO
BACINO
GALLERIA
TA
OT
A
ND
CO RZAT
FO
TURBINA
DIFFUSORE
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BACINO
8
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
DIAGRAMMA A BLOCCHI DI UN IMPIANTO IDROELETTRICO
Si possono individuare 3 sistemi fondamentali
¾ il sistema idraulico
¾ il distributore con la turbina
Sistema
idraulico
¾ il servoposizionatore, in genere di tipo
idraulico, che aziona il distributore.
β
Sistema di
comando del
distributore
Sistema di
comando dei
tegoli
H
A
Q
Distributore
e
Turbina
Pm
Ω
Legge di
parzializzazione
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9
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
IL DISTRIBUTORE- REGOLATORE DELLA TURBINA PELTON
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Turbina Pelton con 2 distributori e servomotore esterno
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Turbina Francis con distributore FINCK ad anello
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Turbina Francis con distributore FINCK ad anello
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
CARATTERISTICHE DEL REGOLATORE
Un buon regolatore deve soddisfare le seguenti esigenze:
¾ Mantenere costante la velocità in condizioni di regime
¾ Mantenere gli scarti transitori di velocità entro limiti
tollerabili
¾ Riportare il gruppo alla velocità nominale in modo
aperiodico o con oscillazioni rapidamente smorzate
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
REGOLATORE DI VELOCITA’
Sensore: misura la velocità
(oggi: ruota fonica)
Asservimento: riporta il
servomotore nella posizione
di riposo
Servomotore: alimentato
da una centralina
oleodinamica aziona il
distributore della turbina
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Schema di principio di un regolatore di velocità meccanico
P - pompa olio
D - Distributore
C - Cassetto distributore T - Turbina
S – Servomotore
G - Alternatore
C
G
P
S
D
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T
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Schema di principio di un regolatore di velocità elettrico - Riva Calzoni
E
- Elettromagnete
RD – Telerilevatore della posizione di D
RC - Telerilevatore della posizione di C
GT – Generatore tachimetrico
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
SCHEMA A BLOCCHI DELLA REGOLAZIONE
REGOLATORE
DI VELOCITA’
Aumento/
Diminuzione
potenza
CIRCUITO
DI FORZA
Apertura/
Chiusura
distributore
GRUPPO TURBINA
ALTERNATORE
Energia
alla rete
Segnale proporzionale alla velocità dell’alternatore
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
REGOLATORE A MASSE CENTRIFUGHE
Quando
la
velocità
aumenta
le
masse
rotanti P tendono ad
allontanarsi per effetto
della forza centrifuga.
Tale spostamento viene
contrastato dall’azione
della molla m.
Il collare c spostandosi
verso l’alto comanda
l’asta del regolatore
PENDOLO DI WATT
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
CARATTERISTICHE DEL REGOLATORE
f
Ad ogni apertura del distributore (valore di potenza
della turbina) corrisponde una posizione del collare
(valore della velocità del gruppo)
Funzionamento a vuoto Pm=0
la frequenza è f1
A pieno carico Pm= PM
la frequenza è f2
∆f
f1
f2
STATISMO DEL REGOLATORE
∆P
Pm
PM
f1 − f 2
s =
fm
fm
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f1 + f 2
=
2
21
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
CARATTERISTICHE DEL REGOLATORE
Agendo sul varia-giri V del regolatore la caratteristica può
essere spostata parallelamente a se stessa.
f
∆f
f1
Si modificano così le
frequenze f1 ed f2 ovvero la
potenza prodotta ad una
certa frequenza
f2
∆P
PM
Pm
Grado di statismo
variabile tra 0.5% e 5%
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
REGOLAZIONE DELLA VELOCITA’
La regolazione di frequenza o di potenza ottenuta tramite gli
organi sensibili alle variazioni di velocità e secondo la
caratteristica di statismo si chiama regolazione primaria
La
regolazione
ottenuta
regolazione secondaria
tramite
il
varia-giri
si
chiama
La regolazione primaria permette di ristabilire l’equilibrio delle
potenze arrestando la variazione di frequenza. La rete ritrova la
condizione di regime ma la frequenza è diversa da quella di
programma.
La regolazione secondaria riporta la frequenza di rete al valore
nominale. Il regolatore secondario, sensibile all’errore di frequenza,
modifica il set-point del regolatore fino ad annullare l’errore
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
CARATTERISTICHE DEL REGOLATORE
Dalla caratteristica di regolazione deriva che ad una variazione
di frequenza ∆f segue una variazione di potenza fornita ∆P
∆P = −k ∆f
Il coefficiente k si chiama energia regolante della macchina
e rappresenta la variazione di potenza fornita dal gruppo per
una variazione di frequenza di 1 Hz.
k =
PM
f1 − f 2
PM
=
s fm
L’energia regolante della macchina
è inversamente proporzionale allo
statismo del suo regolatore
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
CARATTERISTICHE DEL REGOLATORE
Un regolatore con statismo diverso da zero si chiama statico
e la regolazione di frequenza è anch’essa definita statica.
La regolazione è stabile perché il dispositivo di asservimento
esercita sul servomotore un’azione antagonista a quella della
variazione di velocità che tende a riportare il cassetto
distributore nella sua posizione di riposo facendo assumere al
distributore la nuova posizione di equilibrio senza oscillazioni.
La stabilità cresce con lo statismo ma la variazione di
frequenza che si realizza dalla condizione di funzionamento a
vuoto a quella di pieno carico non è tollerabile
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25
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
CARATTERISTICHE DEL REGOLATORE
Oggi le variazioni di frequenza sono molto ristrette da richiedere
una regolazione isodromica o astatica (a velocità costante)
f
Questa esigenza può essere soddisfatta con un
regolatore con statismo nullo che si può ottenere
rendendo fisso il punto c del regolatore e quindi
sopprimendo l’azione dell’asservimento (A).
f= costante
Pm
Il cassetto di distribuzione C può stare in equilibrio solo se il collare
(a), dopo il transitorio, occupa nuovamente la stessa posizione alla
quale corrisponde un’unica velocità.
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26
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
REGOLAZIONE ISODROMICA
Turbina
accelera
V cresce
Turbina
decelera
V riduce
distributore
turbina CHIUDE
distributore
turbina APRE
Eccesso
potenza
motrice
Difetto
potenza
motrice
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27
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
REGOLAZIONE ISODROMICA
L’instabilità della regolazione viene ulteriormente amplificata
dall’inerzia delle masse rotanti che introduce ulteriori ritardi
nei movimenti degli organi di regolazione:
9
Si esaltano i fenomeni di sovra-regolazione
9
Le oscillazioni crescono
9
Peggiora la stabilità del sistema
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28
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
REGOLAZIONE STATICA
Durante il transitorio la differenza
di energia cinetica delle masse
rotanti ha l’effetto di compensare
lo squilibrio di potenza esercitando
un’azione stabilizzante
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29
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
REGOLAZIONE ISODROMICA STABILIZZATA
ESIGENZE
¾ Stabilità
¾ Regolazione a f= cost.
Asservimento elastico
F dissipatore idraulico
m molla
Tachimetro + accelerometro
¾ Azione diretta sul punto c
¾ Azione sul collare a
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30
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
REGOLAZIONE ISODROMICA STABILIZZATA
Vel. e Acc. Positive
Vel. positiva e Acc. negativa
tachimetro e accelerometro
agiscono nello stesso senso
tachimetro e accelerometro
agiscono in senso opposto
Fase di sovra-regolazione
L’ accelerometro esercita
un’azione stabilizzante sul
sistema perché si oppone
all’azione del tachimetro
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31
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
REGOLAZIONE E AUTOMAZIONE
I sistemi tachimetrici e di asservimento di tipo meccanico
sono oggi stati sostituiti da sistemi elettrici
Regolatore a
masse centrifughe
Ruota fonica e
pick-up magnetico
Vantaggi dei regolatori elettrici
9
Elevata sensibilità
9
Rapidità d’intervento (assenza di inerzia meccaniche)
9
Nessuna limitazione sul numero di segnali da impiegare
per la regolazione
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32
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
PICK-UP MAGNETICO
I pick-up magnetici sono dei sensori senza contatto che
convertono il movimento rotatorio in un segnale elettrico
proporzionale alla frequenza in uscita
• sensori attivi
• Usano un magnete permanente e una ruota
dentata per generare un treno d’impulsi
proporzionale alla velocità
• Richiedono una velocità minima operativa
• sensori passivi
• Richiedono un’alimentazione elettrica e
l’amplificazione del segnale del pick-up
• Funzionano bene anche alle basse velocità grazie
all’amplificatore
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Magnetic
Pickup
Quando il materiale ferromagnetico del dente di una
ruota dentata si presenta di
fronte la sensore un impulso
di tensione si manifesta
nell’avvolgimento del pick-up
Voltage
time
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
La frequenza del segnale è proporzionale alla velocità
Magnetic
Pickup
Magnetic
Pickup
Example
N=1000 RPM
Example
N=2000 RPM
Voltage
Voltage
Time
Time
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Pick-up Magnetico
La tensione in uscita da un sensore attivo dipende da:
– Velocità periferica della ruota dentata
– Diametro della ruota dentata
– Numero dei denti della ruota dentata
– Dimensione dente / diametro del sensore
– Distanza sensore dente (0.5 mm)
– Resistenza del carico elettrico
– Tipo di pick-up magnetico
Si consiglia di utilizzare pick-up con elevata sensibilità
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
PROBLEMI DI REGOLAZIONE
Rete isolata:
Un solo generatore isolato fornisce tutta la potenza al
carico (generazione in isola)
Rete dsitribuita:
Molti generatori operano in parallelo sulla rete
(generazione distribuita)
Vantaggi
9 Maggior affidabilità della rete
9 Programmi di manutenzione per i gruppi di generazione
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
PROBLEMI DI REGOLAZIONE
Nelle reti distribuite il problema della regolazione della
frequenza è associato a quello della ripartizione del carico fra i
diversi gruppi di generazione. Se tutte le macchine sono dotate
di statismo non nullo la ripartizione della potenza risulta
automaticamente determinato perché ad ogni valore della
frequenza corrisponde un determinato valore della potenza
erogata da ciascun gruppo.
∆Pi = −k i ∆f
ki
∆Pi = − ∆P
k
Variazione di potenza generata dal singolo
gruppo per lo scarto di frequenza ∆f
∆P = −∑ k i ∆f = −k ∆f
k = ∑ki
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38
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
PROBLEMI DI REGOLAZIONE
Caratteristiche dei regolatori di frequenza delle macchina allacciate alla rete
Reg.
isodromico
Reg.statico
Reg.statico
f0 = cost.
P1 = Ptot-P2-P3
macch. regolatrice
della frequenza
PILOTA
macch. ad acqua fluente a
potenza praticamente costante
macchina con
regolazione secondaria
Il varia-giri permette di modificare
la ripartizione della potenza
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
REGOLAZIONE DELLA RETE
Il diagramma di carico giornaliero
Variazioni lente fra
il giorno e la notte
+
Varia-giri o arresto/
avvio delle macchine
Oscillazioni di frequenza per gli
attacchi e stacchi dei carichi
Macchine regolatrici
di frequenza
Una sola centrale pilota assolve al compito di
regolazione isodromica della frequenza di rete
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40
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
REGOLAZIONE DELLA RETE
Nelle reti molto estese un unico regolatore comanda in
parallelo più centrali che regolano la frequenza di rete
Nelle reti molto estese ed interconnesse tra loro si
ricorre alla regolazione frequenza-potenza
Il regolatore frequenza-potenza è contemporaneamente
sensibile sia alle variazioni di frequenza sia a quelle di
potenza di scambio sulla linea di interconnessione.
Esso agisce sul varia-giri dei regolatori di velocità delle
macchine destinate alla regolazione
∆Ps + k ∆f = 0
∆Ps = Ps − P0
∆f = f − f 0
Ps = pot. di scambio
P0= pot. di programma
f0= frequenza nominale
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41
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
ESERCIO DELLE CENTRALI IDROELETTRICHE
9
Avviamento e Marcia dei gruppi
9
Fermata del gruppo
9
Distacco del carico
9
Protezioni
9
Telecontrollo
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42
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
COME SI AVVIA UNA MACCHINA
¾ Avvio delle pompe di lubrificazione cuscinetti e del regolatore di velocità
¾ A distributore turbina chiuso apertura della valvola di by-pass a monte della
turbina per equilibrare le pressioni a cavallo della valvola e successiva
apertura della valvola stessa
¾ Apertura del distributore e avvio della turbina fino alla velocità nominale
(funzionamento a vuoto)
¾ Il regolatore di velocità interviene quando la velocità raggiunge l’80% del
valore nominale
¾ Eccitazione dell’alternatore e regolazione della tensione fino al valore di rete
•
•
Sincronizzazione
Tensione di macchina == tensione di sbarra in modulo e fase
frequenza elettrica alternatore == frequenza di sbarra
¾ Parallelo del gruppo con la rete chiudendo l’interruttore di macchina
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43
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
COME SI AVVIA UNA MACCHINA
¾ Dopo la sincronizzazione e il parallelo affinché la turbina eroghi potenza
attiva occorre aprire ulteriormente il distributore aumentando la portata.
¾ Agendo sul regolatore di tensione e variando la corrente di eccitazione
l’alternatore genererà anche potenza reattiva.
¾ Durante il funzionamento le variazioni continue di potenza richieste dal
carico saranno compensate dal regolatore di velocità aprendo o chiudendo il
distributore della turbina con fenomeni di moto vario di tutto il sistema
idraulico e meccanico.
Variazioni graduali di potenza
Variazioni limitate di velocità
secondo la staticità del sistema
Variazioni brusche di potenza
Variazioni transitorie di velocità
ristabilita in tempi dipendenti
dall’inerzia del sistema
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44
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
FERMATA DEL GRUPPO
• Si apre l’interruttore di macchina: la turbina tende ad accelerare
e il regolatore chiude il distributore (funzionamento equivalente
al distacco del carico)
• Se si chiudesse il distributore prima del distacco elettrico, si
avrebbe un’azione di trascinamento con intervento del relè
ritorno energia
• Alle basse velocità, le macchine più grandi hanno la frenatura
idraulica (controgetto), oppure elettrica (si chiude il generatore
in corto circuito o su una resistenza) o meccanica, perché i
cuscinetti lavorano male alle basse velocità
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45
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
BRUSCO DISTACCO CON CARICO A POTENZA MASSIMA
¾ Massima variazione della velocità
¾ La coppia motrice non può essere annullata istantaneamente ma
occorre un certo tempo T0 .
¾ Se la diminuzione di potenza nel tempo avviene con legge lineare
l’energia disponibile pari a P0T0/2 accelera il gruppo dalla velocità
nominale ω0 a quella massima ω1
P0
P
PT
E = 0 0
2
ω12 − ω02
E =J
2
T0
tempo
ω12 − ω02 =
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P0 T 0
J
46
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Tempo di avviamento o di inerzia del gruppo (5-10 s)
J ω02
Tω =
PO
Definisce il tempo necessario per avviare il
gruppo e raggiungere la velocità nominale ω0
se sottoposto alla coppia nominale C0=P0/ ω0
∆t = T ω − 0
∆ω = ωO − 0
∆t = J
ωO ∆ω
PO
CO =
PO
∆ω
=J
ωO
∆t
Il tempo di avviamento rappresenta una caratteristica
esclusivamente meccanica ed è indipendente dal tipo di
turbina ed alternatore e non tiene conto delle inerzie
idrauliche.
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
ω12 − ω02 =
P0 T0
J
J ω02
Tω =
PO
ω12 − ω02 T0
=
2
Tω
ω0
Il tempo di chiusura T0 deve essere piccolo per
contenere la variazione di velocità a valori tollerabili
Limitare le variazioni di pressione
nella condotta forzata.
Tempi di chiusura del
distributore 15-30 s
Tegolo deviatore (Pelton) o scarico sincrono: T0=1-4 s
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48
REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Massima variazione di velocità consentita: 10-20%
ω1 − ω0
= 0.2
ω0
ω1
= 1.2
ω0
T0
Tω
ω1
=
ω0
2
− 1 = 1.2 2 − 1 = 0.44
Poiché Tω = 5-10 s
Intervento tegoli deviatori
T0 = 2-4 s
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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI
Massima variazione di velocità consentita: 10-20%
ω1 − ω0
= 0.2
ω0
(
ω1 = 1.2 ω0
Inerzia delle masse rotanti
J =
)
ω12 − ω02 = 1.2 2 − 1 ω02 = 0.44 ω02
J =
P0 T0
ω12 − ω02
P0 T0
0.44 ω02
Elevata inerzia per
9 piccole variazioni di velocità
9 piccole velocità nominali
9 elevati tempi di chiusura del distributore
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50
