REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI

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1 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 1

2 n f p Np velocità meccanica [giri/min] frequenza elettrica [Hz] numero di poli della macchina elettrica numero di coppie polari della macchina elettrica n = 120 f p poli p 2 f=50 [Hz] n [giri/min] poli p n [giri/min] 500 n = 60f Np Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 2

3 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. Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 3

4 C m C r REGOLAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI coppia motrice coppia resistente J momento d inerzia delle masse rotanti (turbina e alternatore) [kg m 2 ] Ω velocità angolare della turbina [rad/s] P m P r potenza motrice potenza resistente Eq. di equilibrio dinamico all asse della turbina C P m m C P r r dω = J dt dω = JΩ dt Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 4

5 Condizioni di funzionamento stazionarie Cm Cr = 0 Ω = cos t L equilibrio di coppia o di potenza viene alterato per vari motivi Le esigenze dell utenza determinano variazione del carico dalla rete P r Variazione della potenza generata per perturbazioni nel sistema idraulico P m variazione diretta del carico variazione indiretta del carico Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 5

6 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 6

7 Per mantenere le condizioni stazionarie occorre intervenire sulla coppia motrice C m agendo sui sistemi di regolazione della turbina (DISTRIBUTORE) 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 7

8 Impianto idroelettrico ad alta caduta BACINO VASO DI ESPANSIONE/ POZZO PIEZOMETRICO GALLERIA CONDOTTA FORZATA TURBINA DIFFUSORE BACINO Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 8

9 DIAGRAMMA A BLOCCHI DI UN IMPIANTO IDROELETTRICO Si possono individuare 3 sistemi fondamentali il sistema idraulico il distributore con la turbina il servoposizionatore, in genere di tipo Sistema idraulico idraulico, che aziona il distributore. H Q β Sistema di comando del distributore A Distributore e Turbina P m Ω Sistema di comando dei tegoli Legge di parzializzazione Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 9

10 IL DISTRIBUTORE- REGOLATORE DELLA TURBINA PELTON Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 10

11 Turbina Pelton con 2 distributori e servomotore esterno Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 11

12 Turbina Francis con distributore FINCK ad anello Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 12

13 Turbina Francis con distributore FINCK ad anello Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 13

14 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 14

15 Sensore: misura la velocità (oggi: ruota fonica) REGOLATORE DI VELOCITA Asservimento: riporta il servomotore nella posizione di riposo Servomotore: alimentato da una centralina oleodinamica aziona il distributore della turbina Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 15

16 Schema di principio di un regolatore di velocità meccanico P - pompa olio C - Cassetto distributore S Servomotore D - Distributore T - Turbina G - Alternatore C P G S D T Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 16

17 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 17

18 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 18

19 REGOLATORE A MASSE CENTRIFUGHE PENDOLO DI WATT 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 19

20 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 20

21 f f 1 CARATTERISTICHE DEL REGOLATORE Ad ogni apertura del distributore (valore di potenza della turbina) corrisponde una posizione del collare (valore della velocità del gruppo) f Funzionamento a vuoto P m =0 la frequenza è f 1 A pieno carico P m =P M la frequenza è f 2 f 2 P P M P m STATISMO DEL REGOLATORE s = f 1 f f m 2 f + f f m = Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 21

22 CARATTERISTICHE DEL REGOLATORE Agendo sul varia-giri V del regolatore la caratteristica può essere spostata parallelamente a se stessa. f f 1 f 2 P f Si modificano così le frequenze f 1 ed f 2 ovvero la potenza prodotta ad una certa frequenza P M P m Grado di statismo variabile tra 0.5% e 5% Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 22

23 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 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 23

24 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. P f f M k = = 1 2 PM s f m L energia regolante della macchina è inversamente proporzionale allo statismo del suo regolatore Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 24

25 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 25

26 CARATTERISTICHE DEL REGOLATORE Oggi le variazioni di frequenza sono molto ristrette da richiedere una regolazione isodromica o astatica (a velocità costante) f f= costante P m 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. Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 26

27 REGOLAZIONE ISODROMICA Turbina accelera V cresce Turbina decelera V riduce Eccesso potenza motrice distributore turbina CHIUDE distributore turbina APRE Difetto potenza motrice Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 27

28 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 28

29 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 29

30 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 30

31 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 31

32 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 32

33 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari

34 Magnetic Pickup Voltage 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 time Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari

35 La frequenza del segnale è proporzionale alla velocità Magnetic Pickup Magnetic Pickup Example N=1000 RPM Example N=2000 RPM Voltage Voltage Time Time Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari

36 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari

37 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 37

38 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. P i = k i f Variazione di potenza generata dal singolo gruppo per lo scarto di frequenza f P i = k i P k P = k = k i k i f = k f Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 38

39 PROBLEMI DI REGOLAZIONE Caratteristiche dei regolatori di frequenza delle macchina allacciate alla rete Reg. isodromico f 0 = cost. Reg.statico Reg.statico P 1 = P tot -P 2 -P 3 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 39

40 REGOLAZIONE DELLA RETE Il diagramma di carico giornaliero Variazioni lente fra il giorno e la notte + Oscillazioni di frequenza per gli attacchi e stacchi dei carichi Varia-giri o arresto/ avvio delle macchine Macchine regolatrici di frequenza Una sola centrale pilota assolve al compito di regolazione isodromica della frequenza di rete Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 40

41 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 P s + k f = 0 P s = P s f = f f P 0 0 P s = pot. di scambio P 0 = pot. di programma f 0 = frequenza nominale Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 41

42 ESERCIO DELLE CENTRALI IDROELETTRICHE Avviamento e Marcia dei gruppi Fermata del gruppo Distacco del carico Protezioni Telecontrollo Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 42

43 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 43

44 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 44

45 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 45

46 BRUSCO DISTACCO CON CARICO A POTENZA MASSIMA Massima variazione della velocità La coppia motrice non può essere annullata istantaneamente ma occorre un certo tempo T 0. Se la diminuzione di potenza nel tempo avviene con legge lineare l energia disponibile pari a P 0 T 0 /2 accelera il gruppo dalla velocità nominale ω 0 a quella massima ω 1 P 0 P = P0T 2 E 0 E = J ω ω0 2 T 0 tempo ω ω0 = P 0 T 0 J Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 46

47 Tempo di avviamento o di inerzia del gruppo (5-10 s) T ω = J ω P 2 0 O Definisce il tempo necessario per avviare il gruppo e raggiungere la velocità nominale ω 0 se sottoposto alla coppia nominale C 0 =P 0 / ω 0 t = T ω ω = ω 0 O 0 t = ωo ω J P O C O = PO ω = O ω J 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. Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 47

48 ω ω0 = T ω = J ω P P 0 T 0 J O 2 0 ω ω0 = 2 ω0 T 0 T ω Il tempo di chiusura T 0 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 s Tegolo deviatore (Pelton) o scarico sincrono: T 0 =1-4 s Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 48

49 Massima variazione di velocità consentita: 10-20% ω ω ω 1 0 = 0 ω ω 1 = T 0 ω1 = 1 = T = ω ω 0 Poiché T ω = 5-10 s Intervento tegoli deviatori T 0 = 2-4 s Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 49

50 Massima variazione di velocità consentita: 10-20% ω ω ω 1 0 = ω 1 = 1. 2 ω 0 Inerzia delle masse rotanti ( 1.2 1) ω 0. ω ω0 = 0 44 ω = 0 P0 T J = 0.44 ω J = P 0 T 0 ω ω Elevata inerzia per piccole variazioni di velocità piccole velocità nominali elevati tempi di chiusura del distributore Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 50