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REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI

Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 1

La regolazione della frequenza costituisce una

prerogativa fondamentale per la qualità dell’esercizio di

una rete elettrica.

La frequenza della corrente generata e immessa in rete è proporzionale alla velocità di rotazione del generatore.

Le utenze elettriche richiedono che frequenza e tensione

assumano precisi valori con scostamenti di modesta entità

Regolazione di frequenza

Regolazione di velocità gruppo turbina–alternatore



pf120n =

n velocità meccanica [giri/min] f frequenza elettrica [Hz] p numero di poli della macchina elettrica Np numero di coppie polari della macchina elettrica

Npf60n =

poli p n [giri/ min] poli p n [giri/ min] 2 3000 12 500 4 1500 14 428.6 6 1000 16 375 8 750 18 333.33

10 600 20 300

f=50 [Hz]



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.



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

dtdJPP rmΩΩ=−

dtdJCC rmΩ

=−Eq. di equilibrio dinamico

all’asse della turbina



0CC rm =−

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

L’equilibrio di coppia o di potenza viene alterato per vari motivi

Condizioni di funzionamento stazionarie

tcos=Ω



Lo squilibrio di coppia porta ad accelerare/decelerare il gruppo in contrasto con la necessità di mantenere Ω=costante

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.

Le variazioni idrauliche (salto) sono invece lente e graduali da poter essere compensate con regolazioni manuali.

In questo caso il regolatore opera come un regolatore di livello del bacino di carico



Per mantenere le condizioni stazionarie occorre intervenire sulla coppia motrice Cm agendo sui sistemi di regolazione della turbina (DISTRIBUTORE)

I l distributore varia la portata in turbina e adegua la coppia motrice alle variazioni della coppia resistente ripristinando le condizioni stazionarie Ω=costante

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.



Impianto idroelettrico ad alta caduta

BACINO

GALLERIA

TURBINA

BACINO DIFFUSORE

VASO DI ESPANSIONE/ POZZO PIEZOMETRICO



DIAGRAMMA A BLOCCHI DI UN IMPIANTO IDROELETTRICO

Sistema idraulico

Distributore e

Turbina

Legge di parzializzazione

Sistema di comando del distributore

Sistema di comando dei

tegoli

Pm

Ω β A

Q H

Si possono individuare 3 sistemi fondamentali

il sistema idraulico

il distributore con la turbina

il servoposizionatore, in genere di tipo

idraulico, che aziona il distributore.



IL DISTRIBUTORE- REGOLATORE DELLA TURBINA PELTON



Turbina Pelton con 2 distributori e servomotore esterno



Turbina Francis con distributore FINCK ad anello



CARATTERISTICHE DEL REGOLATORE

Un buon regolatore deve soddisfare le seguenti esigenze:

Mantenere costante la velocità in condizioni di regime

Mantenere gli scarti transitori di velocità entro limiti tollerabili

Riportare il gruppo alla velocità nominale in modo aperiodico o con oscillazioni rapidamente smorzate



REGOLATORE DI VELOCITA’

Sensore: misura la velocità (oggi: ruota fonica)

Servomotore: alimentato da una centralina oleodinamica aziona il distributore della turbina

Asservimento: riporta il servomotore nella posizione di riposo



P - pompa olio D - Distributore C - Cassetto distributore T - Turbina S – Servomotore G - Alternatore

Schema di principio di un regolatore di velocità meccanico

P

C

S D

G

T



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



SCHEMA A BLOCCHI DELLA REGOLAZIONE

REGOLATORE DI VELOCITA’

CIRCUITO DI FORZA

GRUPPO TURBINA ALTERNATORE

Segnale proporzionale alla velocità dell’alternatore

Aumento/ Diminuzione

potenza

Apertura/ Chiusura

distributore

Energia alla rete



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.

I l collare c spostandosi verso l’alto comanda l’asta del regolatore

PENDOLO DI WATT




Ad ogni apertura del distributore (valore di potenza della turbina) corrisponde una posizione del collare (valore della velocità del gruppo)

f2

f1

PM

f

Pm

∆f

∆P

Funzionamento a vuoto Pm=0 la frequenza è f1

A pieno carico Pm= PM la frequenza è f2

STATISMO DEL REGOLATORE

m

21

fffs −

=2

fff 21m

+=




Agendo sul varia-giri V del regolatore la caratteristica può essere spostata parallelamente a se stessa.

f2

f1

PM

f

Pm

∆f

∆P

Si modificano così le frequenze f1 ed f2 ovvero la potenza prodotta ad una certa frequenza

Grado di statismo

variabile tra 0.5% e 5%



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

REGOLAZIONE DELLA VELOCITA’

La regolazione ottenuta tramite il varia-giri si chiama regolazione secondaria

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




Dalla caratteristica di regolazione deriva che ad una variazione di frequenza ∆f segue una variazione di potenza fornita ∆P

fkP ∆∆ −=

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.

m

M

21

M

fsP

ffPk =−

=L’energia regolante della macchina è inversamente proporzionale allo statismo del suo 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



CARATTERISTICHE DEL REGOLATORE Oggi le variazioni di frequenza sono molto ristrette da richiedere una regolazione isodromica o astatica (a velocità costante)

f= costante f

Pm

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).

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.



REGOLAZIONE ISODROMICA

distributore turbina CHIUDE

distributore turbina APRE

Eccesso potenza motrice

Difetto potenza motrice

Turbina decelera V riduce

Turbina accelera V cresce



REGOLAZIONE ISODROMICA

L’instabilità della regolazione viene ulteriormente amplificata dall’inerzia delle masse rotanti che introduce ulteriori ritardi nei movimenti degli organi di regolazione:

Si esaltano i fenomeni di sovra-regolazione

Le oscillazioni crescono

Peggiora la stabilità del sistema



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



REGOLAZIONE ISODROMICA STABILIZZATA

ESIGENZE

Stabilità

Regolazione a f= cost.

Asservimento elastico F dissipatore idraulico m molla

Tachimetro + accelerometro Azione diretta sul punto c Azione sul collare a



REGOLAZIONE ISODROMICA STABILIZZATA Vel. e Acc. Positive

tachimetro e accelerometro agiscono nello stesso senso

Vel. positiva e Acc. negativa

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



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

Elevata sensibilità

Rapidità d’intervento (assenza di inerzia meccaniche)

Nessuna limitazione sul numero di segnali da impiegare per la regolazione


Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari

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



Quando il materiale ferro-magnetico del dente di una ruota dentata si presenta di fronte la sensore un impulso di tensione si manifesta nell’avvolgimento del pick-up

Voltage

Magnetic Pickup

time



La frequenza del segnale è proporzionale alla velocità

Voltage

Magnetic Pickup

Voltage

Magnetic Pickup

Time Time

Example N=1000 RPM

Example N=2000 RPM



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



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

Maggior affidabilità della rete Programmi di manutenzione per i gruppi di generazione



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.

fkP ii ∆∆ −= Variazione di potenza generata dal singolo gruppo per lo scarto di frequenza ∆f

∑∑

=

−=−=

i

i

kk

fkfkP ∆∆∆P

kkP i

i ∆∆ =



PROBLEMI DI REGOLAZIONE

Reg. isodromico

Reg.statico Reg.statico

f0 = cost.

PILOTA

macch. regolatrice della frequenza

macch. ad acqua fluente a potenza praticamente costante

macchina con regolazione secondaria

Caratteristiche dei regolatori di frequenza delle macchina allacciate alla rete

P1 = P tot-P2-P3

I l varia-giri permette di modificare la ripartizione della potenza



REGOLAZIONE DELLA RETE

I l diagramma di carico giornaliero

Oscillazioni di frequenza per gli attacchi e stacchi dei carichi

Variazioni lente fra il giorno e la notte +

Macchine regolatrici di frequenza

Varia-giri o arresto/ avvio delle macchine

Una sola centrale pilota assolve al compito di regolazione isodromica della frequenza di rete



Nelle reti molto estese un unico regolatore comanda in parallelo più centrali che regolano la frequenza di rete

REGOLAZIONE DELLA 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

0fkPs =+ ∆∆0

0ss

fffPPP

−=

−=

∆∆ Ps = pot. di scambio

P0= pot. di programma

f0= frequenza nominale



ESERCIO DELLE CENTRALI IDROELETTRICHE

Avviamento e Marcia dei gruppi

Fermata del gruppo

Distacco del carico

Protezioni

Telecontrollo



COME SI AVVIA UNA MACCHINA

Avvio delle pompe di lubrificazione cuscinetti e del regolatore di velocità

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

Apertura del distributore e avvio della turbina fino alla velocità nominale (funzionamento a vuoto)

Il regolatore di velocità interviene quando la velocità raggiunge l’80% del valore nominale

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

Parallelo del gruppo con la rete chiudendo l’interruttore di macchina



COME SI AVVIA UNA MACCHINA

Dopo la sincronizzazione e il parallelo affinché la turbina eroghi potenza attiva occorre aprire ulteriormente il distributore aumentando la portata.

Agendo sul regolatore di tensione e variando la corrente di eccitazione l’alternatore genererà anche potenza reattiva.

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 brusche di potenza

Variazioni limitate di velocità secondo la staticità del sistema

Variazioni transitorie di velocità ristabilita in tempi dipendenti dall’inerzia del sistema



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



BRUSCO DISTACCO CON CARICO A POTENZA MASSIMA

Massima variazione della velocità

La coppia motrice non può essere annullata istantaneamente ma occorre un certo tempo T0 .

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

P

tempo

P0

T0

2TPE 00=

2JE

20

21 ωω −

=

JTP 002

021 =−ωω



Tempo di avviamento o di inerzia del gruppo (5-10 s)

O

20

PJT ω

ω =Definisce il tempo necessario per avviare il gruppo e raggiungere la velocità nominale ω0 se sottoposto alla coppia nominale C0=P0 /ω0

tJPC

O

OO ∆

ω∆ω

==O

O

PJt ω∆ω∆ =

00Tt

O −=

−=

ωω∆∆ ω

I l tempo di avviamento rappresenta una caratteristica esclusivamente meccanica ed è indipendente dal tipo di turbina ed alternatore e non tiene conto delle inerzie idrauliche.



ωωωω

TT0

20

20

21 =−J

TP 0020

21 =−ωω

O

20

PJT ω

ω =

I l 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



2.00

01 =−ωωω

Massima variazione di velocità consentita: 10-20%

44.012.11TT 2

2

0

10 =−=−

=

ωω

ω2.10

1 =ωω

Poiché Tω = 5-10 s

T0 = 2-4 s Intervento tegoli deviatori



2.00

01 =−ωωω

Massima variazione di velocità consentita: 10-20%

01 2.1 ωω =

20

00

44.0TPJω

=

Inerzia delle masse rotanti

( ) 20

20

220

21 44.012.1 ωωωω =−=− 2

021

00 TPJωω −

=

piccole variazioni di velocità piccole velocità nominali elevati tempi di chiusura del distributore

Elevata inerzia per

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