Corso di Energetica A.A. 2012/2013

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1 Corso di Energetica A.A. 2012/2013 Mini Idroelettrico Parte Terza Prof. Ing. Renato Ricci Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche Università Politecnica delle Marche

2 Le turb ine idra ulich e Le turbine idrauliche sono macchine motrici a fluido che hanno lo scopo di trasformare l energia potenziale e cinetica dell acqua in energia meccanica di rotazione. Esse sono costituite fondamentalmente da: DISTRIBUTORE un organo fisso che convoglia opportunamente il fluido ed effettua una sua regolazione; GIRANTE un organo mobile che converte l energia del fluido in en. meccanica rotazionale. 2

3 Le turb ine idra ulich e TURBINE AD AZIONE: Il distributore trasforma integralmente l energia posseduta dal fluido in energia cinetica. La girante, colpita dal fluido, trasforma l en. cinetica in en. meccanica rotazionale (PELTON TURGO - CROSSFLOW). TURBINE A REAZIONE: Il distributore trasforma solo in parte l energia posseduta dal fluido in energia cinetica. La rimanente parte dell energia di pressione viene trasformata in energia cinetica nei condotti convergenti della girante: il fluido percorre i condotti mobili riempiendoli completamente e la sua pressione gradualmente diminuisce (aumenta la sua velocità relativa) fino ad imboccare il condotto di scarico (diffusore) con una pressione che può essere anche inferiore a quella atmosferica (FRANCIS KAPLAN) TURBINE A GRAVITA : sono in genere prive del distributore e sfruttano direttamente la caduta del fluido sulla girante (RUOTE COCLEE) 3

4 Le turb ine a d a zione (1) PELTON E la classica turbina ad azione. Il distributore è costituito da uno o più ugelli provvisti di spina di regolazione (una turbina ad asse verticale può avere fino a sei ugelli, con una o due giranti) trasformano totalmente la pressione dell acqua in energia cinetica. Un tegolo deflettore ha il compito di deviare il flusso dalle pale in caso di brusco distacco di carico senza dover chiudere troppo velocemente la valvola di macchina (colpo d ariete). Allo sbocco del distributore la vena liquida, dotata della massima velocità, colpisce le palettature a cucchiaio della girante. Il fluido percorre la palettatura a contatto con l ambiente, quindi a pressione atmosferica. Sono adatte a salti elevati (da 50 a >1200 m), anche se versioni miniaturizzate possono essere applicate in salti piccoli. Mantengono buone prestazioni per carichi dal 30% al 100% del carico massimo. TURGO Simile alla Pelton, le sue pale hanno forma e disposizione diverse (angolo di 20 ) cosicché il getto ne colpisce simultaneamente più di una. ll volume d acqua che una turbina Pelton può elaborare è limitato dal fatto che il flusso di ogni ugello possa interferire con quelli adiacenti, mentre la turbina Turgo non soffre di questo inconveniente. Il minor diametro necessario comporta, a parità di velocità periferica, una maggiore velocità angolare, che facilita l accoppiamento diretto al generatore. Può lavorare bene fino anche al 20% del carico massimo, ma l efficienza è minore rispetto a Pelton o Francis. Può agevolmente lavorare con salti tra i 15 e 300 m. 4

5 Le turb ine a d a zione (2 ) CROSS-FLOW Detta anche Banki-Michell o Ossberger. L acqua entra nella turbina attraverso un distributore e passa nel primo stadio della ruota, che funziona quasi completamente sommersa (con un piccolo grado di reazione). Il flusso che abbandona il primo stadio cambia di direzione al centro della ruota e s infila nel secondo stadio, totalmente ad azione. Questo cambio di direzione non è facile da ottenere correttamente e le perdite d energia per urti e vortici sono la causa del basso rendimento nominale. La ruota è costituita da due o più dischi paralleli, tra i quali si montano, vicino ai bordi, le pale, costituite da semplici lamiere piegate. Queste ruote si prestano alla costruzione artigianale nei paesi in via di sviluppo si utilizza con una gamma molto ampia di portate (tra i 20 l/s ed i 10 m 3 /s) e salti tra 5 m e i 200 m. Il suo rendimento massimo è inferiore all 87%, però si mantiene quasi costante quando la portata discende fino al 16% della nominale e può raggiungere una portata minima teorica inferiore al 10% della portata di progetto. 5

6 Le turb ine a rea zione (1) FRANCIS Sono turbine a reazione a flusso radiale con distributore a pale regolabili e girante a pale fisse. Vengono impiegate in corsi d'acqua con dislivelli medi ( m) e portate da 2 3 m 3 /s fino a m 3 /s. La cassa a spirale realizzata, a seconda delle dimensioni, in calcestruzzo armato, in acciaio saldato o in ghisa, ha la sezione variabile che permette di avere la stessa velocità relativa in tutto il palettamento. Per contro occupa più spazio della modesta struttura di contenimento di una Pelton. Le piccole ruote sono solitamente fuse, in un sol pezzo, in bronzo- alluminio, mentre quelle grandi sono realizzate mediante saldatura delle pale, generalmente in acciaio inox. Nelle turbine Francis veloci, l alimentazione è sempre radiale, mentre lo scarico tende ad essere assiale. Negli impianti mini-idro è frequente la configurazione ad asse orizzontale. La regolazione avviene variando l inclinazione delle pale dello statore, che possono permettere anche la totale chiusura (non sostituiscono comunque le valvole di chiusura). L acqua in uscita dalla ruota transita, prima di essere scaricata nel canale di restituzione, nel diffusore per recuperare parte dell energia cinetica contenuta nell acqua che abbandona la ruota a velocità elevata. Un diffusore efficiente ha sezione conica, ma con un angolo non troppo aperto, altrimenti può generarsi un distacco di flusso (7-15 ). 6

7 Le turb ine a rea zione (2 ) KAPLAN Si tratta di turbine a reazione a flusso assiale, utilizzate generalmente per bassi salti (2-40 m). La girante ha sempre pale regolabili, mentre se anche il distributore è a pale regolabili, la turbina è una vera Kaplan (o a doppia regolazione ) altrimenti la turbina è una semi-kaplan (oppure a singola regolazione ). Le vere Kaplan hanno l alimentazione radiale e mantengono un buon rendimento anche al 15-20% della portata massima. Le semi-kaplan possono avere alimentazione anche assiale ma la minima portata tecnica sale al 40%: quindi tutte le volte che la portata minima da lavorare sia minore del 40% della massima di progetto, la scelta deve privilegiare la macchina a doppia regolazione. Le Kaplan sono le macchine che consentono il maggior numero di configurazioni possibili. A BULBO La turbina a bulbo deriva dalle precedenti descritte, con il generatore e il moltiplicatore (se esiste) contenuti in una cassa impermeabile, a forma di bulbo, immersa nell acqua. 7

8 A ltre turb ine CÒCLEA E una turbina a gravità che sfrutta la chiocciola di Archimede (invertendo il processo originario) per realizzare una turbina idroelettrica. Le principali caratteristiche di questa tecnologia sono: capacità della coclea di accettare materiali alluvionali, detriti di taglia superiore e pesci; nessun utilizzo di strigliatori e griglie a passo largo (no rifiuti da smaltire); semplicità massima di installazione e di manutenzione bassi costi di impianto e gestione. molto adatte a piccole applicazioni o strutture già esistenti Sono tipicamente utilizzate per salti da 1 a 10 metri e portate d acqua da 0,5 a 5,5 m³/sec. Diversamente dalle Kaplan o Francis, continuano a funzionare anche con minime portate d acqua, rendendole molto adatte per corsi d acqua con portate irregolari. RUOTA IDRULICA E stato il primo e per lungo tempo unico sistema per poter sfruttare l'energia cinetica dei corsi d'acqua, i sistemi di alimentazione principali sono per di sopra (più efficiente ma sempre meno rispetto alle altre turbine che sfruttano i piccoli salti), di petto (quando il dislivello del salto non è sufficiente per alimentare dal 'di sopra' la ruota) e per di sotto (l acqua spinge le pale immerse nella corrente, impianti privi di salto). PEACE TURBIN E una turbina di recente introduzione, in fase di sviluppo, congegnata per funzionare in assenza di un salto. Possono essere installate singolarmente o in serie sullo stesso asse, ed anche " in cascata" sullo stesso corso d acqua. Prototipi di una turbina singola con un diametro di 1000 mm immersa in una corrente d'acqua con velocità di 1m/s sviluppano una potenza di 1 kw, se la velocità è di 2 m/s la potenza sviluppata è di 8 kw. [Fonte: ; 8

9 La scelta delle turb ine (1) Il tipo, la geometria e le dimensioni di una turbina sono condizionati essenzialmente dai seguenti parametri: salto netto; portata da turbinare; velocità di rotazione; problemi di cavitazione; velocità di fuga; costo. SALTO NETTO: IMPIANTI A BASSA CADUTA La scelta è piuttosto critica negli impianti a bassa caduta, che, per essere convenienti, debbono utilizzare grandi volumi d acqua. Nelle turbine ad azione il salto si misura dal punto d impatto del getto, che è sempre sopra il livello di valle per evitare che la ruota sia sommersa durante le piene; ciò comporta una certa perdita di salto rispetto alle turbine a reazione che utilizzano tutto il dislivello disponibile. Per ridurre il costo globale (opere civili + elettromeccaniche) e in particolare il volume delle opere civili, sono stati concepiti un certo numero di schemi, ormai considerati classici (cfr sezione Centrale elettrica ). 9

10 La scelta delle turb ine (2 ) PORTATA E necessario conoscere il regime delle portate del corso d acqua da sfruttare prima di procedere alla scelta della turbina (curve FDC). Da questi andamenti si determina una portata di progetto che abbinata al salto di progetto individuano un punto nel piano in cui sono riportati i campi di funzionamento di ogni tipo di turbina, i cui limiti non sono rigidi variando da costruttore a costruttore in funzione della tecnologia utilizzata. La scelta della turbina determina anche la portata minima che essa è in grado di lavorare, condizionando così l energia estraibile nel sito in esame. La scelta finale sarà il risultato di un processo iterativo, che tenga conto della produzione annuale di energia (Q, H, rendimento), dei costi d investimento e di manutenzione e dell affidabilità del macchinario. IMPIANTI A TURBINE MULTIPLE L impiego di turbine multiple, in luogo di una sola di maggior potenza, permette di: ampliare il campo di lavoro e la flessibilità della centrale (adattare il numero di unità in esercizio alla portata istantanea disponibile) visto che ogni turbina può lavorare tra Q min e Q R (portata di progetto). ridurre il peso e le dimensioni di ciascuna macchina, facilitando il trasporto e messa in opera. migliorare l accoppiamento con il generatore (turbine più piccole avranno una velocità di rotazione maggiore). riutilizzare le complesse casseforme necessarie a realizzare i condotti idraulici, diminuendo così il costo delle opere civili. 10

11 La scelta delle turb ine (3) 11

12 La scelta delle turb ine (4 ) 12

13 La scelta delle turb ine (5) LEGGI DI SIMILITUDINE APPROSSIMATA Per poter confrontare tra di loro diverse turbine, è prassi comune servirsi di relazioni che impongano delle relazioni tra macchine della stessa serie di leggi di similitudine: geometrica: proporzionalità tra le dimensioni, lineare per le lunghezze, quadratica per le aree dinamica: proporzionalità tra le forze cinetica: proporzionalità tra le velocità, uguaglianza per gli angoli tra le velocità Tali similitudini sono molto utili perché consentono di estendere i risultati ottenuti su test di modelli di dimensioni ridotte a tutte le macchine appartenenti alla stessa famiglia (es. tutte le Pelton tra di loro) a meno di fattori correttivi che tengano presente dell effetto scala. In altri termini, macchine della stessa famiglia che rispettano le leggi di similitudine sopra descritte avranno lo stesso rendimento. Le tre relazioni di proporzionalità possono essere espresse anziché nella terna {lunghezza, velocità, forza} nella più usata {lunghezza, tempo, energia} espressa rispettivamente dai rapporti D/D (diametro girante), n /n (numero di giri) e H/H (salto netto, e quindi energia specifica), da cui si ottiene: S 2gH Q cs æ Dö a) = 1 = =ç Q' c'1 S' S' 2gH ' è D ' ø b) P g QH æ D ö æ H ö = =ç ç P' g Q' H ' è D ' ø è H ' ø c) n' u' p D D H ' = = n p D' u D' H H ü ï H' ï ï hi ï =1 ý h ' i ï ï ï ï þ 13

14 La scelta delle turb ine (6 ) NUMERO DI GIRI CARATTERISTICO - SPECIFICO Se si indica con l apice la macchina di riferimento unitaria (P, Q e H unitari), allora avremo che: la generica macchina sarà confrontabile (ugual rendimento) con la macchina di riferimento unitaria avente un numero di giri pari a ns (numero di giri specifico) o se si preferisce nc (numero di giri caratteristico). O ancora, determinate le condizioni di operatività ottimale della macchina di riferimento (ad esempio come varia il rendimento), le altre macchine della stessa serie avranno le stesse condizioni quando si troveranno ad operare allo stesso numero di giri caratteristico o specifico. Il numero di giri caratteristico non è adimensionale in quanto il suo valore varia a seconda delle unità di misura che sono impiegate per il suo calcolo. La formula indicata vale per le unità del sistema SI. S 2gH Q cs æ Dö a) = 1 = =ç Q' c'1 S' S' 2gH ' è D' ø b) P g QH æ D ö æ H ö = =ç ç P' g Q' H ' è D' ø è H ' ø c) n' u' p D D H ' = = n pd' u D' H 2 3 H üï H' ï ï ï ý hi = h 'i ï ï ï ï þ 2 2 ricavando D/D' dalla a) e sostituendo nella c) si ottiene 1) n' Q æ H 'ö = ç n Q' è H ø 1 4 H' Q æ H 'ö = ç H Q' è H ø 3 4 ricavando D/D' dalla b) e sostituendo nella c) si ottiene 2) n' = n P æ H 'ö ç P' è H ø 3 4 H' = H P æ H 'ö ç P' è H ø 5 4 se con l'apice si intende la macchina di riferimento che ha H' e Q' unitari 1) n' ns Q1 2 ns = n 3/4 H nc,kw 1/2 Pm,kW = n 5/4 H 2) n' nc,kw inoltre varrà nc,kw 1/2 Pm,kW (g QH ) = n 5/4 = n H H 5/4 1 2 Q1 2 = n 3/4 g = ns g H 14

15 La scelta delle turb ine (7) Il numero di giri specifico (o caratteristico) rappresenta un criterio di selezione migliore dell individuazione del punto di progetto sul piano di funzionamento delle turbine. E un parametro che contiene le grandezze tipiche per definire i criteri di scelta, infatti esso ha: Il salto netto H, che è imposto dalla dislocazione della turbina nell impianto. La potenza Pm, che è imposta dalla convenienza economica che scaturisce da un bilancio tra costo d impianto + costo di esercizio e utile ricavabile Il numero di giri n, che deve essere uguale a quello dell alternatore calettato sullo stesso albero della turbina (in assenza di un moltiplicatore di giri). Q1 2 ns = n 3/4 H 60 f n= p nc,kw 1/2 Pm,kW = n 5/4 H f = frequenza della rete [EU=50 Hz] p = numero di coppie polari n espresso in rpm tipo salti [m] portate [m3/s] PELTON 50 >1200 < 10 TURGO CROSS-FLOW Lente Norm Veloci < 10 < 10 FRANCIS KAPLAN COCLEA 1 30 < 50 0,5 5,5 nc a 1 getto 1 30 a 2 getti a 4 getti Lente Norm Veloci n [rpm]

16 La scelta delle turb ine (8 ) LA VELOCITA DI ROTAZIONE La velocità di rotazione è funzione del numero di giri caratteristico, della potenza e del salto netto. Nei piccoli impianti si è soliti impiegare generatori standard, per cui, nello scegliere la turbina, si deve tenere conto delle possibili velocità di sincronismo, come mostrato nella tabella, sia che essa sia accoppiata direttamente al generatore sia che venga interposto un moltiplicatore di giri. 1/2 Pm,kW nc = n 5/4 H 60 f n= p f = frequenza della rete [EU=50 Hz] p = numero di coppie polari n espresso in rpm Esercizio A) se vogliamo produrre energia elettrica in un impianto con un salto netto di 100 m, utilizzando una turbina da 800 kw direttamente accoppiata ad un generatore standard da rpm, possiamo calcolare che il numero di giri caratteristico è pari a 134: si deduce quindi che l unica scelta possibile è una turbina Francis. B) Se, al contrario, prevediamo un moltiplicatore con un rapporto di trasmissione massimo di 1:3, la turbina potrà girare tra 500 e rpm e quindi il numero di giri caratteristico si collocherà tra 45 e 134 rpm. In queste condizioni, oltre alla Francis, la scelta potrà comprendere una Turgo, una Cross-flow od una Pelton a due o quattro getti A) nc = = 134 1, B) nc = = 45 1,

17 La scelta delle turb ine (9) LA VELOCITA DI FUGA In caso di distacco improvviso del carico esterno (per l apertura dell interruttore di parallelo o per un guasto all eccitazione) mentre il gruppo idroelettrico sta lavorando al massimo carico, la turbina aumenta la sua velocità di rotazione fino a raggiungere, teoricamente, quella che è nota come velocità di fuga. Questa varia a seconda del tipo di turbina, dell angolo di apertura dell eventuale distributore e del salto. Si deve tener presente che all aumentare della velocità di fuga aumenta il costo del generatore e del moltiplicatore, i quali debbono essere progettati per resistere alle sollecitazioni indotte da questa possibile situazione. PRESTAZIONI DELLA TRUBINA IN DIVERSI PUNTI DI LAVORO Può succedere, soprattutto in caso d ammodernamento di un impianto esistente, di dover utilizzare, per fattori economici, turbine con caratteristiche nominali che approssimano quelle dell impianto, ma non sono propriamente identiche. Indicato con i pedici 1 la condizione di progetto della macchina e 2 l effettiva condizione di lavoro, si potranno sfruttare le leggi di similitudine tenendo presente che il rapporto tra le dimensioni geometriche è in questo caso unitario. a) Q2 = Q1 H2 H1 æh ö b) P2 = P1 ç 2 èh ø 32 1 c) n2 = n1 H2 H1 17

18 La scelta delle turb ine (10 ) RENDIMENTO DELLE TURBINE Il rendimento è definito come il rapporto tra la potenza meccanica trasmessa all asse turbina e la potenza idraulica assorbita nelle condizioni di salto e di portata nominali. Le turbine ad azione sfruttano un salto netto minore (impatto del getto sempre sopra il livello di valle). Le turbine a reazione hanno maggiori perdite (attriti interni, diffusore), che determinano un salto utile inferiore al salto netto. La turbina è progettata per funzionare al punto di massimo rendimento, che corrisponde normalmente all 80% della portata massima. Pelton Kaplan vere: rendimento accettabile fino al 20-30% della portata massima. Semi Kaplan: rendimento accettabile fino al 40% della portata massima. Francis con camera a spirale: rendimento accettabile fino al 50% della portata massima. Criss-Flow: il rendimento raramente raggiunge l 84%, ma viene mantenuto anche con forti parzializzazioni, fino ad 1/6 della portata massima. Coclea: rendimenti più bassi ma costanti fino al 10 % della portata massima. 18

19 La scelta delle turb ine (8 ) CAVITAZIONE Quando la pressione in un liquido in movimento scende sotto la sua tensione di vapore, ha luogo l evaporazione del liquido, con la formazione di un gran numero di piccole bolle, che collassano quando giungono nelle zone a pressione maggiore. L azione continua ripetuta di queste pressioni a carattere impulsivo produce una erosione diffusa danneggiando seriamente la turbina. Facendo il bilancio energetico tra la sezione di scarico della turbina (1) ed il livello del bacino di scarico a valle (2), si ha: P1 c12 Patm c zs = + + ys g 2g g 2g zs = Pmin = Pv - Pg 2 1 Patm P1 c - +y g g 2g s Dalla relazione si deduce che la P1 è inferiore alla Patm. Se assume valori inferiori a Pmin (definita dalla tensione di vapore PV e la pressione parziale del gas disciolto Pg) avviene la cavitazione. In genere P1 e c1 sono dati dal costruttore e si definisce un coefficiente di Thoma σt (funzione del numero caratteristico della turbina) dato dal rapporto tra i carichi dinamici all uscita della turbina e la caduta della macchina H. Per evitare la cavitazione si adottano condotti diffusori (sezione crescente) e che risalgono verso l'alto raggiungendo il serbatoio d'invaso (zs molto ridotto). -5 Francis s T = 7, n1,41 S Kaplan s T = 6, n1,46 S zs,max Hd c12 st = = H 2gH Patm P1 = - - s T H + ys g g 19

20 La centra le elettrica La centrale ha il compito di proteggere l equipaggiamento idraulico ed elettrico che converte l energia potenziale dell acqua in energia elettrica. Esistono molte configurazioni possibili della centrale. La configurazione tradizionale in impianti a bassa caduta è schematizzata a lato. Il corpo dell edificio, integrato nello sbarramento, incorpora la camera di carico, con la sua griglia, la turbina Francis verticale accoppiata al generatore, il diffusore e il canale di scarico. Nella sala macchine sono installati i quadri di controllo e, eventualmente, la sottostazione di trasformazione. Talvolta, l intera sovrastruttura si riduce ad una semplice protezione dei quadri elettrici e di controllo. L integrazione di turbina e generatore in un unico gruppo impermeabile, che può essere installato direttamente nel canale di carico, consente di eliminare la centrale convenzionale, come nel caso di una turbina Flygt sommersa, dotata di una paratoia di macchina cilindrica, senza alcuna protezione addizionale contro le avversità atmosferiche.. allo scopo di ridurre l impatto ambientale paesaggistico e sonoro la centrale può essere totalmente sommersa. 20

21 C onfigura zioniim pia nticon piccolisa lti(1) La configurazione verticale è quella classica di riferimento per le grandi applicazioni. L intercettazione a sifone è affidabile, economica, abbastanza rapida da evitare la fuga della turbina e facilmente applicabile su sbarramenti già esistenti, per contro assai rumorosa e limitata a salti < 10 m e potenze < 1000 kw 21

22 C onfigura zioniim pia nticon piccolisa lti(2 ) La soluzione ad S sta diventando molto popolare, benché abbia l inconveniente che l asse della turbina attraversa il condotto di scarico/adduzione con elevate perdite di carico. La configurazione ad S si presta a centrali interrate o seminterrate, caratterizzate da minor impatto visivo. Kaplan ad S invertita 22

23 C onfigura zioniim pia nticon piccolisa lti(3) Kaplan inclinata a rinvio d angolo La soluzione con rinvio d angolo a 90 consente di utilizzare un generatore a rpm, standard, affidabile, compatto ed economico. Rispetto alla configurazione ad S, le minori perdite di carico consentono miglioramenti di prestazioni dal 3 al 5%, mentre i volumi di scavo e del calcestruzzo sono molto minori. La conformazione a pozzo ha il vantaggio che i principali organi meccanici sono facilmente accessibili. I condotti idraulici sono semplificati, la turbina risulta più piccola a causa della portata specifica maggiore (30% in più della Kaplan ad asse verticale), le opere civili diventano più economiche da realizzare Anche queste configurazioni sono realizzabili con centrali interrate o seminterrate. 23

24 Ilm oltiplica tore digiri Quando è possibile, l accoppiamento diretto turbina generatore è da preferirsi perché evita le perdite meccaniche e minimizza le manutenzioni. In generale, soprattutto con turbine di piccola potenza, le ruote girano a meno di 400 rpm e ciò comporta l obbligo di ricorrere ad un moltiplicatore per raggiungere i rpm degli alternatori standard. l moltiplicatore deve resistere agli sforzi molto elevati indotti da difetti di sincronizzazione, cortocircuiti o velocità di fuga della turbina. E raccomandabile l uso di un limitatore di coppia, che può essere un elemento sacrificale dell accoppiamento. è fondamentale una corretta lubrificazione: Una doppia pompa e un doppio filtro dell olio contribuiscono ad aumentare l affidabilità dell apparecchiatura. Sotto 1 MW si privilegiano i cuscinetti a rulli, sopra si preferiscono i supporti idrodinamici Paralleli: utilizzano ingranaggi elicoidali su assi paralleli e sono idonei per potenze medie. Conici: generalmente limitati a piccole potenze, utilizzano ingranaggi conici a spirale per un rinvio d angolo di 90. Epicicloidali: montano ingranaggi epicicloidali che garantiscono una grande compattezza; sono particolarmente adatti a potenze superiori a 2 MW. 24

25 IlG enera tore Il generatore ha il ruolo di trasformare in energia elettrica l energia meccanica trasmessa dalla turbina. ALTERNATORI SINCRONI l apparato di eccitazione è associato ad un regolatore di tensione di modo che, prima di essere collegati alla rete, generano energia alla stessa tensione, frequenza ed angolo di fase ed inoltre forniscono, una volta connessi, l energia reattiva richiesta dal sistema possono funzionare staccati dalla rete (in isola) sono più costosi e si utilizzano per alimentare piccole reti ALTERNATORI ASINCRONI sono motori ad induzione con rotore a gabbia di scoiattolo, senza possibilità di regolazione della tensione Girano ad una velocità direttamente rapportata alla frequenza della rete cui sono collegati La corrente d eccitazione e l energia reattiva sono date dalla rete (no funzionamento in isola) Si utilizzano in grandi reti Hanno rendimento leggermente inferiore dei sincroni < 500 kva kva > 5000 kva ASINCRONI ENTRAMBI SINCRONI gli alternatori possono essere ad asse orizzontale o verticale, indipendentemente dalla configurazione della turbina; si tende però ad adottarne la medesima configurazione. nelle turbine Kaplan o ad elica inclinate si utilizza per ragioni di spazio un moltiplicatore a rinvio d angolo a 90. esistono anche generatori a velocità variabile e frequenza costante (VSG), turbina Kaplan ad asse verticale, da 214 rpm, accoppiata direttamente ad un generatore non standard a 28 poli. 25

26 A ltricom ponenti Un tipico impianto idroelettrico comprende inoltre tutta una serie di componenti elettromeccanici. I principali sono: Regolatori di tensione: Nei generatori sincroni inseriti in una rete isolata, il regolatore di tensione ha la funzione di mantenerla ad un valore predeterminato, indipendentemente dai carichi alimentati. Se il generatore sincrono è inserito in una rete estesa, il regolatore deve mantenere la potenza reattiva al valore voluto. Regolatori di velocità della turbina a portata variabile: Nel caso di generatori sincroni, un sensore, meccanico o elettronico, rileva le variazioni di velocità (legate alla frequenza di generazione a sua volta legata ai carichi elettrici) e comanda un servomotore che modifica l apertura dei sistemi di regolazione della portata delle turbine (distributore, pale, spina) nella misura necessaria a fornire l energia idraulica richiesta per soddisfare l incremento o la diminuzione dei carichi. Regolatori di velocità della turbina a portata costante: Se il sistema richiede meno energia, la turbina tende ad accelerare; un sensore elettronico rileva un aumento della frequenza ed un dispositivo, conosciuto come regolatore di carico, provvede a dissipare l eccesso di energia in un banco di resistenze, mantenendo così costante la richiesta di potenza al generatore. Quadri di controllo e di potenza: tra i morsetti del generatore e la linea si installano dispositivi che controllando il funzionamento della macchina, la proteggono, la mettono in parallelo con la rete o la staccano dalla stessa in caso di guasto. Il controllo si realizza mediante apparati perciò più o meno sofisticati per misurare la tensione, l intensità e la frequenza della corrente in ognuna delle tre fasi, l energia prodotta dal generatore, il fattore di potenza ed eventualmente il livello dell acqua nella camera di carico. Quadri di automazione Trasformatore dei servizi ausiliari: progettato per i carichi massimi previsti, tenendo presente i fattori di contemporaneità. Idrometri registratori dei livelli nella camera di carico e nel canale di restituzione 26