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Questa tesi di laurea illustra le fasi di progettazione ed esecuzione di un sistema di eccitazione statica per un gruppo idroelettrico sincrono di sola generazione. Il principio di funzionamento, la specifica tecnica generale e particolare, la progettazione del trasformatore di eccitazione, del ponte raddrizzatore e del field flashing, lo schema elettrico e l'interfaccia lato operatore. Include anche una sezione dedicata al collaudo del sistema.
Tipologia: Tesi di laurea
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L’obbiettivo di questo elaborato è quello di illustrare le varie fasi della progettazione ed esecuzione di un sistema di eccitazione statica comprensivo di regolatore automatico di tensione, idoneo all’eccitazione di un gruppo idroelettrico sincrono di sola generazione. Verranno quindi illustrati i vari passi: dall’analisi delle specifiche tecniche alla progettazione e successivo collaudo dell’intero dispositivo. Ci soffermeremo in modo particolare su tutto quello che riguarda lo sviluppo del ponte total-controllato spiegando le scelte fatte e i materiali utilizzati. Affronteremo inoltre il problema degli allarmi, dei blocchi e dell’interfaccia operatore.
La ditta BELTRAME C.S.E. è un’azienda di riferimento nel settore della produzione di energie (convenzionali, rinnovabili e alternative). Alla base del servizio vi sono prodotti frutto di oltre 25 anni di esperienza. La Beltrame CSE è una delle aziende più attive nel settore, certificata IQNet e RINA secondo la norma ISO 9001:2000: questo le consente di annoverare fra i propri clienti realtà di grande rilievo come Enel, Eni, Fenice, Coimp e molte altre.
L’azienda si occupa principalmente di: Regolatori o Regolatori di tensione, il regolatore di tensione è il componente principale di un alternatore che consente di mantenere costante il valore di tensione ai morsetti d’uscita al variare del carico. ( a destra il Regolatore di tensione S160, utilizza la tecnologia IGBT che permette l’alimentazione di eccitatrici con valori di tensione nominale maggiore di 200 Volt e quindi può essere usato su quasi tutte le macchine esistenti sul mercato. Garantisce un funzionamento ottimale degli alternatori in particolare allo spunto di motori asincroni )
o Regolatori di Power factor, ( in foto è riportato il PFC2001, uno strumento progettato anche per la regolazione a fasce orarie del fattore di potenza. Gestisce automaticamente la regolazione di tensione tra il generatore e la rete principale, il consenso per il parallelo e a parallelo avvenuto, la regolazione del fattore di potenza dell’impianto generatore. )
o Regolatori di giri, grazie ad una elettronica a microprocessore essi gestiscono in maniera completa e automatica le fasi che permettono l’aggancio di generatori alla rete dell’ente di distribuzione di energia ( l’ultimo modello di regolatore di giri per turbine realizzato dalla Beltrame è l’S2005. Il controllo basato su microcontrollore con core DSP con acquisizione dei dati analogici a 12 bit implementa le più sofisticate tecnologie che l’elettronica fornisce e permette una regolazione FULLDIGITAL del sistema. Tutte le impostazioni di regolazione ed attuazione sono programmabili via software. Tutte le grandezze di interesse sono monitorabili sia in locale che in remoto in full-realtime. Oltre a fare da regolatore di giri, misura la potenza attiva e reattiva, funziona da sincronizzatore e permette la regolazione del fattore di potenza ).
o Eccitatrici statiche, apparecchiatura elettronica atta a sostituire la dinamo eccitatrice di un alternatore nel caso di mal funzionamento della medesima. I vantaggi di questa soluzione, oltre che dal punto di vista economico, sono: l’ottimizzazione dei parametri di eccitazione, una miglior precisione di tensione e power factor, l’eliminazione dei problemi relativi alle parti rotanti ed in movimento della dinamo.
Impianti di produzione energia o Idroelettrica o Termoelettrica o Generatori diesel o Energie rinnovabili
o Automazioni o Revamping
Gruppi elettrogeni o Gruppi a gas, funzionante a gas metano o GPL o Supercompatti da 8 a 22 kVA o Gruppi benzina fino a 6,5 kVA o Gruppi diesel fino a 6 kVA o Gruppi diesel fino a 500 kVA
Alternatori
Il sistema di regolazione della corrente di eccitazione deve soddisfare le necessità di un’elevatissima sicurezza di funzionamento e di una pronta risposta nei transitori. Il compito è quello di mantenere costante la tensione ai morsetti di uscita dell’alternatore e di regolare l’energia reattiva che la macchina genera o assorbe al variare delle condizioni di funzionamento. Nel passaggio da vuoto a carico, la tensione ai morsetti subisce una variazione dovuta alla reazione di indotto, alla caduta interna della macchina e al tipo di carico collegato. Per riportare la tensione V ai morsetti al valore desiderato occorrerà agire sulla corrente di eccitazione aumentando o diminuendo la f.e.m. generata. Con l’alternatore funzionante in rete, il sistema di eccitazione, per mantenere costante la tensione ai morsetti, dovrà fornire più corrente al campo in caso di carichi induttivi, mentre dovrà funzionare in condizioni di sottoeccitazione con carichi di natura capacitiva. Il circuito che controlla e regola la tensione dell’alternatore può essere rappresentato con lo schema a blocchi della figura seguente.
Il valore del set-point di tensione è dato dal riferimento automatico e viene confrontato con un segnale proporzionale alla tensione ai morsetti dell’alternatore; l’eventuale errore viene inviato nel regolatore, al quale giungono anche altri segnali correttori costituiti da: Un segnale proveniente dal circuito limitatore della corrente di eccitazione, ricavato dal confronto della corrente fornita dall’eccitatrice con un segnale di riferimento di massima corrente di eccitazione. Lo scopo di questo circuito è quello di salvaguardare gli avvolgimenti, impedendo il superamento del valore massimo della corrente di campo. Un segnale correttore (compound), proporzionale alla corrente e alla tensione di macchina, nonché al loro sfasamento. La funzione del compound è quella di aumentare (compound positivo) o di diminuire (compound negativo) la tensione alle sbarre dell’alternatore al variare della potenza reattiva erogata. Il circuito è alimentato dai secondari dei trasformatori di tensione e di corrente, montati sulle sbarre del generatore, e dà luogo a una tensione continua proporzionale alla potenza reattiva erogata. Un segnale proveniente dal circuito di discriminazione della potenza attiva e reattiva, che va a pilotare un limitatore di sottoeccitazione al fine di evitare situazioni di funzionamento pericolose per la stabilità (perdita di passo). Il segnale in uscita dal regolatore, attraverso il commutatore automatico-manuale, va all’amplificatore, che comanda il sistema di eccitazione agendo sul campo dell’alternatore. Allo scopo di facilitare il passaggio del regolatore dal funzionamento manuale a quello automatico ed evitare il pericolo di sbilanciamenti dei due sistemi al momento della commutazione, è predisposto un circuito di inseguimento con il quale il sistema escluso viene continuamente adeguato a quello operante.
È la corrente che il ponte può erogare in servizio continuo, alla massima temperatura ambiente prevista, senza che la temperatura di giunzione di alcun semiconduttore oltrepassi il limite dichiarato e garantito dal costruttore dell’eccitatrice. IET corrente continua dell’eccitatrice corrispondente alla corrente massima erogabile dal trasformatore di eccitazione È la corrente continua massima che l’eccitatrice può erogare in servizio continuo senza che la sovratemperatura del trasformatore oltrepassi quella prescritta dalle norme CEI, a tensione e frequenza nominali. IEE corrente massima erogabile dall’eccitatrice È la minore tra IEP e IET e costituisce la corrente di targa del sistema di eccitazione. VCP tensione massima positiva in condizioni nominali (ceiling positivo) È la tensione di eccitazione positiva massima, mediata in un ciclo della tensione di alimentazione, che può essere fornita dall’eccitatrice con tensione di alimentazione al valore nominale e corrente di eccitazione uguale a IEN. VCN tensione massima negativa di eccitazione in condizioni nominali(ceiling negativo) È la tensione di eccitazione negativa massima in valore assoluto, mediata in un ciclo della tensione di alimentazione al valore nominale e corrente di eccitazione uguale a IEN. PAN potenza apparente convenzionalmente assorbita dall’eccitatrice Essa è definita come PAN=2,2 VEN*IEN.
La specifica richiede un ponte raddrizzatore a tiristori di tipo trifase, ad onda intera, completamente controllato e protetto da fusibili extra-rapidi. A valle del convertitore di potenza sarà previsto l’utilizzo di un dispositivo di diseccitazione, completamente statico, che assolverà principalmente le seguenti funzioni: Diseccitazione del campo dell’alternatore Protezione contro le sovracorrenti dirette ed inverse del circuito di campo Il dispositivo di ricircolo sarà costituito da una resistenza di scarica e da un complesso di tiristori VT1 e VT2, connessi in antiparallelo.
Il Field Flashing è un sistema di pre-eccitazione che in fase di avviamento provvede a fornire l’alimentazione al campo della macchina quando questa sia derivata, attraverso il trasformatore di eccitazione, direttamente al montante di macchina. Questa alimentazione sarà fornita dal sistema in corrente continua di centrale a 110Vcc. Essenzialmente il sistema di eccitazione sarà composto da: Un diodo di blocco Un contattore bipolare di pre-eccitazione Una resistenza di limitazione della corrente Un circuito di logica di inserzione e di esclusione Tale dispositivo, coordinato con le altre logiche di regolazione e controllo, sarà in grado di autoescludersi una volta raggiunto sul montante di macchina un valore di tensione sufficiente per l’autoalimentazione del sistema di eccitazione.
All’interno del microprocessore di regolazione si dovranno prevedere tutti i dispositivi rilevatori di guasto o di anomalia di funzionamento necessari per garantire la completa protezione, le relative logiche di intervento ed un elevato grado di affidabilità del sistema di eccitazione. L’azione del sistema di protezione si attua secondo diversi livelli di intervento in relazione alla gravità dell’evento rilevato (semplice segnalazione, allarme, blocco elettrico).
Di seguito sono indicate le informazioni minime richieste: Trasformatore di eccitazione TE:
La specifica tecnica si chiude dando le caratteristiche costruttive di massima del quadro eccitatrice, del trasformatore di eccitazione, dei livelli di rumore ammissibili e le prove, i collaudi e la messa in servizio.
2.2 Specifica tecnica Particolare
Questo documento è parte integrante della specifica tecnica generale, serve a precisare caratteristiche o valori, definire in dettaglio la consistenza della fornitura e confermare o indicare varianti alle prescrizioni della specifica tecnica generale. Anche in questo caso analizzeremo solo i punti essenziali.
L’impianto a cui si fa riferimento è la centrale idroelettrica di Turbigo Superiore, del tipo ad acqua fluente, ubicata in provincia di Milano, nel comune di Turbigo. È richiesto un nuovo sistema di eccitazione statica costituito da eccitatrice a ponte controllato, completo di regolatore di tensione e trasformatore di eccitazione. Sono riportati di seguito i dati caratteristici dei macchinari/apparecchiature esistenti.
N° 1 Generatore sincrono trifase: Costruttore TIBB Matricola N° T 304685
2.3 Allegato: Schema unifilare montante
Con il seguente schema verrà rappresentata la situazione futura dell’impianto della centrale di Turbigo Superiore. Si può ben notare il punto dove viene collegato il trasformatore di eccitazione (TE) e il sistema di eccitazione statico (SES).
3.1 Nozioni fondamentali
Visto che le specifiche tecniche ci prescrivono l’uso di un raddrizzatore a ponte controllato, cerchiamo di capire prima di tutto come funzioni e quali siano le caratteristiche, così da poter procedere con la progettazione. Consideriamo il caso ideale. Nel primo capitolo abbiamo visto come si può variare il valore medio della tensione lato continua variando l’angolo di accensione dei tiristori.
Come si vede nella figura a fianco, nel caso di α=0, i tiristori si comportano come diodi e il valore medio della tensione lato continua è pari a Vd0 = (3√2/π)VLL. Se invece l’angolo di innesco α è maggiore di zero, si ha una riduzione del valor medio della tensione lato continua in funzione dell’angolo di ritardo. Otteniamo quindi: Vdα = (3√2/π)VLLcosα = 1.35VLLcosα = Vd0cosα.
Per quanto riguarda le correnti di linea ia, ib e ic esse hanno una forma d’onda rettangolare con ampiezza Id. Scomponiamo in serie di Fourier la forma d’onda di ia (con ωt posto uguale a zero al passaggio positivo per lo zero di van): ia(ωt) = √2Is1sin(ωt-α) - √2Is5sin[5(ωt-α)] +
Nel grafico a fianco è rappresentata la forma d’onda della corrente e la rappresentazione fasoriale della sua prima armonica per differenti valori di α. Il valore efficace complessivo della corrente di fase può essere calcolato nel modo seguente: Is = √(2/3) * Id = 0.186 Id
Forme d’onda sul lato dc in funzione di α
Corrente di linea in funzione di α
Dalla tabella ricaviamo: Resistenza termica giunzione-case per modulo Rth(j-c) = 0,042 °C/W Resistenza termica case-heatsink per modulo Rth(c-h) = 0,020 °C/W Tensione di soglia VT(T0) = 0,9 V Resistenza dinamica rT = 0,00024 Ω Temperatura giunzione di funzionamento Tj = -30÷125 °C
Per ricavare la caduta di tensione sulla giunzione alla corrente IEN, IEE e IC possiamo procedere per via grafica cercando di ottenere un risultato quanto più realistico. Il procedimento è semplice: riportiamo il valore della corrente sull’asse delle ordinate, e nel punto in cui incontriamo la semiretta, ci ricaviamo il valore della tensione corrispondente:
3.6 Perdite tiristori
Siccome la potenza da dissipare sarà parecchia dividiamo il ponte in due parti. Ciascuna parte sarà costituita da un modulo ventola/dissipatore in grado di mantenere la temperatura di funzionamento dei tiristori entro soglie di sicurezza. Calcoliamo le perdite su ogni blocchetto SCR alla IEN, alla IEE e alla Ic moltiplicando la caduta di tensione sul tiristore (ricavata nel paragrafo precedente) per la corrente che lo attraversa (in un periodo ogni SCR conduce per 120°). Perdite alla IEN Perdite totali sui 3 SCR posti su un singolo dissipatore = VtIEN * IEN = 1,06 * 660 = 700 W Perdite alla IEE Perdite totali sui 3 SCR posti su un singolo dissipatore = VtIEE * IEE = 1,09 * 799 = 871 W Perdite alla Ic Perdite totali sui 3 SCR posti su un singolo dissipatore = VtIc * Ic = 1,22 * 1056 = 1288 W
3.7 Verifica termica
La resistenza termica totale tra la giunzione e il dissipatore è pari a: Rth(j-h) = Rth(j-c) + Rth(c-h) = 0,042 + 0,020 = 0,062 °C/W La resistenza termica del dissipatore, tenuto conto anche del tipo di ventola utilizzato Rth(ha) = 0,032 °C/W Temperatura dissipatore alla IEN Tdis-IEN = Tamb + (Rth(ha) * Perdite tot tiristori alla IEN) = 40 + (0,032 * 700) = 62,4 °C Temperatura giunzione alla IEN Tj-IEN = Tdis-IEN + (Rth(j-h) * Perdite per ogni tiristore alla IEN) = 62,4 + (0,062 * (700 / 3)) = 76,9 °C Temperatura dissipatore alla IEE Tdis-IEE = Tamb + (Rth(ha) * Perdite tot tiristori alla IEE) = 40 + (0,032 * 871) = 67,9 °C Temperatura giunzione alla IEE Tj-IEE = Tdis-IEE + (Rth(j-h) * Perdite per ogni tiristore alla IEE) = 67,9 + (0,062 * (871 / 3)) = 85,9 °C Temperatura giunzione alla Ic Tj-Ic = Tdis-IEN + (Rth(j-h) * Perdite per ogni tiristore alla Ic) = 76,9 + (0,062 * (1288 / 3)) = 103,5 °C Calcoliamo ora la massima corrente erogabile dal ponte IEP La resistenza termica globale: Rthg = Rth(ha) / 2 + Rth(j-h) / 3 = 0,032 /2 + 0,062 / 3 = 0,0367 °C/W Le perdite totali alla IEP: PIEP = (Tmax_componente – Tamb ) / Rthg = (125 – 40 ) / 0,0367 = 2316,1 W IEP = [ -VTIc + √ (VTIc^2 + 4 * rt * PIEP)] / (2 * rt) = [ -1.22+√ (1,22^2 +20,000242316,1)] / (2*0,00024) = 817,69 A
3.8 Progetto ponte raddrizzatore
Ora che abbiamo ultimato tutti i calcoli procediamo con il disegno in autocad della disposizione dei vari componenti del ponte. Partiamo dall’interruttore, le ventole e i dissipatori; disponiamo i tiristori sopra ai dissipatori e procediamo con il collegamento mediante sbarre di rame. A destra è riportato il disegno del ponte completo di tutti i suoi componenti.
Fusibili
Interruttore
Ventole
