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IL GENERATORE ASINCRONO TRIFASE NELLE CENTRALI IDROELETTRICHE – A. MARTINO 1

IL GENERATORE ASINCRONO TRIFASE NELLE CENTRALI IDROELETTRICHE Adolfo MARTINO Direttore Tecnico ELECTRO ADDA SpA

Negli ultimi anni si è verificato un notevole impulso alla diffusione di piccole centrali per la conversione di energia rinnovabile o prodotta da aziende private ed impiegata come autoconsumo e/o trasferita all’ ente di gestione mediante il collegamento in parallelo alla rete di distribuzione. UNIDO (Organizzazione delle Nazioni Unite per lo Sviluppo Industriale) indica le centrali idroelettriche di potenza inferiore a 10 MW con il termine di Mini-idraulica All’interno della mini-idraulica le centrali vengono altresì classificate come - pico centrali Potenza nominale < 5 kW - micro centrali < 100 kW - mini centrali < 1.000 kW - piccole centrali < 10.000 kW La classificazione degli impianti di mini-idraulica è una convenzione utile ad individuare le differenti modalità realizzative e di funzionamento. Occorre tuttavia far presente che l’Autorità per l’energia in Italia considera come limite superiore per le minicentrali la potenza di 3000 kW.Nella realtà italiana sarebbe più rispondente al reale considerare come limite superiore delle mini-centrali la potenza di 3.000 kW (3 MW) Il presente articolo si occuperà esclusivamente delle problematiche relative alle micro ed alle minicentrali. Questi tipi di centrali sono infatti quelle che meglio si prestano all’impiego dei generatori asincroni trifasi. Le turbine Le centrali idroelettriche sono azionate da turbine idrauliche che funzionano generalmente tra due bacini , prelevando l’acqua dal bacino a monte e scaricandola nel bacino a valle. Nel caso di micro centrali, quindi di piccole potenze, la turbina può essere collegata direttamente al bacino a monte, più generalmente è collegata mediante una condotta forzata. All’estremità del collegamento è posto un opportuno distributore della turbina in cui si effettua la trasformazione della differenza di altezza piezometrica in energia cinetica. Se tutta l’energia piezometrica viene trasformata in energia cinetica nel distributore stesso la turbina viene definita ad azione, se parte delle trasformazione avviene nel distributore e parte nella girante la turbina si definisce a reazione. La girante di una turbina ad azione è generalmente a pressione ambiente, il getto dell’acqua proveniente dal distributore colpisce le pale della girante in modo libero ovvero non guidato da un condotto. Tipica realizzazione di turbina ad azione è la turbina Pelton. Nelle fig.1 è schematicamente rappresentata una turbina Pelton sia ad asse verticale e nella fig. 2 una ad asse orizzontale. Come si vede dalla figura un getto l'acqua, incanalata per mezzo di una condotta, giunge al livello della macchina in condizioni di elevata pressione che viene trasformata in energia cinetica nella parte terminale del distributore (boccaglio o ugello), a sezione decrescente e che scarica in aria alla pressione atmosferica.


Fig 1 Esempio di turbina Pelton con asse verticale

Fig 2 Esempio di turbina Pelton ad asse orizzontale ( supporti separati - collegamento con giunto elastico)

Nelle figure 1 e 2 la turbina è schematizzata con un unico getto ma aumentando la potenza è possibile aumentare il numero dei getti generalmente fino ad un massimo di 6 ugelli come indicato nella fig.3

Fig. 3 Esempio di turbina Pelton ad asse verticale a 6 getti Un tipico esempio di turbina a reazione è la turbina Francis a vena chiusa, vale a dire senza punti di contatto con l'atmosfera e con pressione variabile da punto a punto tra l'ingresso del distributore e l'uscita della girante


1 2 3

Fig 4 Esempio di turbina Francis ad asse verticale

Nella figura sono evidenziati il distributore a chiocciola (1) che distribuisce l'acqua su tutta la periferia, il distributore palettato (2) che indirizza il fluido alla girante con un'appropriata componente radiale e la girante (3) nei cui canali la corrente d’acqua passa, nelle condizioni di massimo rendimento, da una direzione prevalentemente radiale all'ingresso ad una praticamente assiale allo scarico. Un altro tipo di turbina a reazione sono le turbine KAPLAN, esse hanno un limitato numero di pale (fino a 6) disposte assialmente sul mozzo che interagiscono con un flusso il cui moto elicoidale, senza componente radiale della velocità, è imposto dal distributore; sia il distributore che la girante possono essere a pale fisse (turbine a elica) o orientabili in modo da avere un buon rendimento anche ai carichi parziali. Il campo di utilizzo di queste macchine è quello dei modesti salti motori e delle grandi portate con conseguente elevato numero di giri caratteristico che supera di norma quello delle Francis.

Fig 5 Turbina Kaplan ad asse verticale

Come si può osservare dalla fig.5, l'acqua arriva da un distributore a chiocciola (1) a un distributore palettato con pale orientabili (2) alla cui uscita il moto è centripeto con una forte componente tangenziale; l'acqua poi passa attraverso un canale toroidale non palettato (3) in cui viene annullata la componente radiale del flusso. L'acqua colpirà poi le pale della girante (4) dove la componente tangenziale della velocità è annullata e dalle quali il flusso è scaricato assialmente nel diffusore (5).

1

2

3

4

5


A causa dei bassi salti disponibili e delle elevate velocità di scarico necessarie a contenere le dimensioni della macchina, il diffusore per questo tipo di macchine è a sezione crescente. Nella figura si può osservare, inoltre, lo svergolamento delle pale della girante praticato al fine di ridurre le perdite per incidenza. La turbina a bulbo è un tipo di turbina Kaplan molto semplice in quanto è inserita direttamente nella condotta e non necessita di distributore. Viene impiegata su dislivelli ridotti (qualche metro). La sua particolarità è che solitamente il bulbo contiene pure l'alternatore per la produzione di energia elettrica, inoltre può funzionare con un flusso in entrambi i sensi, come sono utilizzate sulle centrali maremotrici La turbina Michell - Banki, nota anche come turbina Ossberger, è un tipo di turbina idraulica che deve il suo nome agli studiosi che la svilupparono: l'australiano Anthony Michell, l'ungherese Donát Bánki e il tedesco Fritz Ossberger. Questo tipo di turbina è impiegato su impianti di piccola potenza (indicativamente fino a qualche migliaio di kW); ha il pregio della semplicità costruttiva, che la rende adatta all'autocostruzione e all'impiego anche in contesti poveri, con conoscenze e attrezzature limitate. Di contro, il suo rendimento (circa 0,85) è inferiore rispetto a quello ottenibile da altri tipi di turbine (le tipologie classiche, quali Pelton, Turgo, Francis e Kaplan, possono superare lo 0,9), però rimane pressoché costante al variare della portata: proprio la sua costanza d'efficenza per un elevato range di funzionamento ne consente l'utilizzo in un campo di impiego piuttosto ampio (portata = 40-13000 l/s, salto = 2-200 m).

Fig 6 Turbina Banki I componenti principali sono: - il rotore , costituito dall'insieme delle pale (3) e dall'albero centrale; (2) - l'iniettore l'iniettore, nella versione economica, è costituito da una cassa che avvolge in parte il rotore, ma non garantisce la variazione della portata fino al 83% in meno della Q di progetto come garantito da quelle regolate con doppio o singolo pomolo o flap deftettore tipo le turbine della Ossenberger (detentrice del brevetto originale) o similari. La sua sagomatura e in alcuni modelli la parzializzazione e divisione della portata divisa in 2/3 e in 1/3 consente arrivare appunto alla variazione massima sopracitata della portate di indirizzare correttamente il flusso idrico sulle pale del rotore, con un arco di ammissione e geometria dell'iniettore che varia da circa 45° per quelle economiche o fatte in casa a un massimo di 120° per le professionali tipo le Ossenberger, raramente in altri casi si superano i 90°,generalmente l'acqua investe le pale con un angolo di circa 16/17° sulla tangente del rotore. - la cassa,(4) tramite la quale l'acqua esce dalla turbina per essere scaricata Il principio di funzionamento è il seguente: l’acqua, guidata dall’iniettore, entra tra le pale, percorre trasversalmente l’interno del rotore e quindi si scarica attraversando di nuovo le pale dalla parte opposta. Questo sistema fa sì che le pale siano percorse dall’acqua in entrambi i sensi (dall'esterno verso l'interno in ingresso, viceversa in uscita), facilitando la rimozione di eventuali corpi estranei. Quando le pale vengono investite dal flusso idrico, il rotore entra in rotazione e l'albero centrale trasmette l'energia meccanica così prodotta al generatore di corrente elettrica ad esso collegato.


La turbina Turgo è una turbina idraulica ad azione. Sviluppata dall'azienda britannica Gilkes nel 1919, è stata derivata dalla turbina Pelton, rispetto alla quale ha un rotore più economico da realizzare, un numero di giri caratteristico più elevato e può gestire una portata d'acqua maggiore a parità di diametro. Queste ultime due caratteristiche permettono di ridurre le dimensioni dell'alternatore e i costi di installazione. Può raggiungere rendimenti intorno all'87%. Questo tipo di turbine può essere utilizzato sia in impianti di grandi dimensioni che nel piccolo idroelettrico. La gamma dei dislivelli entro la quale opera la Turgo si pone in una fascia dove il campo di applicazione delle turbine Francis e delle Pelton si sovrappone. Nelle Turgo, in quanto turbine ad azione, l'energia potenziale dell'acqua viene convertita in energia cinetica nell'ugello (peraltro simile a quello utilizzato nelle turbine a vapore di tipo Curtis) Le caratteristiche delle turbine sono riassunte nelle seguente tabella.

Turbina Pelton Francis Kaplan Banki Turgo

Tipologia azione Reazione centripede

Reazione assiale

mista Azione

Prevalenza Alta

>50 metri Media

10÷50 metri Bassa

5÷10 metri Bassa

5÷10 metri Alta

15÷300 metri

Portata Bassa

< 10 m3/sec Media

10÷100 m3/sec Alta

100 m3/sec Bassa

< 10 m3/sec Bassa

< 10 m3/sec

( Le caratteristiche indicate nella tabella sono solo di tipo indicativo )

IL GENERATORE Nel progetto di tali impianti si presenta la necessità di dover scegliere tra due diversi generatori: sincrono od asincrono. La scelta dei due tipi di generatori non è molto semplice tuttavia attualmente l’impiego di un generatore asincrono è spesso preferito rispetto all'uso di un generatore sincrono soprattutto, nel caso di una fonte di energia con notevole discontinuità che pertanto richiede l’integrazione con altra fonte; oppure nel caso in cui venga richiesta una notevole affidabilità assieme ad una ridotta necessità di manutenzione ( per esempio in presenza di ambienti particolarmente disagiati e/o pericolosi.) La mancanza di un avvolgimento rotorico isolato, di contatti striscianti, regolatori elettronici ecc lo rendono il generatore asincrono particolarmente adatto per essere impiegato in minicentrali idroelettriche non presidiate Tra il generatore sincrono e asincrono, a parità di potenza resa, non esistono sostanziali differenze di ingombro, entrambi inoltre utilizzano gli stessi organi di accoppiamento al motore primo ( turbina idraulica); Occorre tuttavia far notare che i generatori sincroni vengono generalmente realizzati con grado di protezione IP23 ovvero sono di tipo aperto con l’aria che attraversa direttamente gli avvolgimenti, mentre i generatori asincroni possono essere realizzati con grado di protezione IP 55 o superiore e possono essere anche realizzati con il raffreddamento ad acqua con lo scambiatore direttamente realizzato sulla carcassa stessa del generatore. Le caratteristiche di interfaccia con la rete del generatore sincrono ed asincrono sono invece assai diverse, sia sotto l'aspetto dinamico, che funzionale.


Il loro diverso comportamento dinamico si desume semplicemente dalle diverse modalità con cui il generatore effettua le condizioni di erogazione

Il generatore sincrono “prende carico” in funzione dell'angolo tra il rotore ed il campo magnetico statorico (angolo di carico)

Il generatore asincrono “prende carico” in funzione della diversa velocità del rotore rispetto al

campo magnetico statorico (scorrimento).

-3

-2

-1

0

1

2

3

Angolo di carico

Co

pp

ia /C

no

min

ale

Motore

Generatore

-π -π/2 0 π/2 π-3

-2

-1

0

1

2

3

-100-80-60-40-20020406080100

Scorrimento (%)

Cop

pia

/Cno

min

ale

motore

Generatore

Generatore sincrono Generatore asincrono

Fig.9 1 - Confronto curve di coppia generatore sincrono ed asincrono

L'elemento che li diversifica dal punto di vista funzionale è invece il modo con cui i due diversi generatori alimentano il loro campo magnetico

Il generatore sincrono è autoeccitato e quindi in grado di erogare anche energia reattiva capacitiva .

Il generatore asincrono è eccitato dalla rete e quindi assorbe dalla stessa energia reattiva

Si ricorda che il generatore asincrono non può mai eccitarsi senza un opportuno circuito esterno di eccitazione. Il magnetismo del generatore asincrono si esaurisce infatti in un tempo compreso tra 50 e 300 millisecondi durante il quale la tensione del generatore va a zero. ( vedere il paragrafo relativo ai transitori)


IL GENERATORE ASINCRONO BREVI RICHIAMI DI TEORIA Un motore asincrono trifase, alimentato da una rete con appropriate caratteristiche, può funzionare indifferentemente da motore o da generatore, in funzione della velocità del rotore rispetto a quella del proprio campo magnetico. La tensione e frequenza, applicate alla macchina ad induzione attraverso l'avvolgimento statorico, producendo l'indispensabile sfasamento tra tensione e corrente, consente l'eccitazione del campo magnetico rotante Il generatore asincrono ha quindi la necessità di ricevere dall'esterno l'energia reattiva per il mantenimento del campo magnetico; esso deve pertanto essere collegato ad una rete elettrica alimentata anche da generatori sincroni. La conversione di energia meccanica in energia elettrica, che si .verifica in un generatore ad induzione, è il risultato dell'iterazione tra il campo magnetico rotante ed il circuito elettrico formato dall'avvolgimento statorico. La condizione di erogazione si verifica quando la velocità del motore primo ( per esempio la turbina idraulica ) e quindi del rotore, supera quella di sincronismo del campo magnetico; lo scorrimento in questo caso risulta negativo ed è approssimativamente uguale (ma di segno contrario) a quello del funzionamento da motore con pari potenza resa. La figura 10 mostra le correlazione tra scorrimento e le corrispondenti grandezze elettromeccaniche.

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

-100-80-60-40-20020406080100

Scorrimento

Cop

pia

/Cno

min

ale

- C

orre

nte/

cor

rent

e no

m

Motore

Generatore

Corrente

Coppia

Fig. 10 – Curve di coppia macchina asincrona

CIRCUITO EQUIVALENTE Per facilitare la comprensione del funzionamento di una macchina ad induzione è di notevole aiuto la rappresentazione mediante l'uso di un circuito equivalente nel quale, sia i sistemi meccanici, che quelli elettrici ad essi collegati, sono rappresentati da semplici componenti di circuiti elettrici. l circuito elettrico in cui è rappresentata una fase del generatore asincrono è costituito essenzialmente da 7 distinti elementi di cui: 3 dispersioni attive ( Rl, R2' , Rm ), 3 dispersioni reattive( XI, X2, Xm ) ed R2") costituito dal valore della resistenza rotorica variabile in funzione di (I-S)/S che rappresenta il motore di trascinamento. In questo circuito le dispersioni attive, essendo perdite, determinano il rendimento mentre quelle reattive provocando lo sfasamento tra la tensione di alimentazione e corrente di erogazione determinano il fattore di potenza


Fig.11 - schema circuito equivalente generatore a gabbia semplice R1 Resistenza statore X1 Reattanza statore R2 Resistenza rotorica riportata a statore X2 Reattanza rotorica riportata a statore

R2” s

sxR

12 Potenza assorbita ( motore di trascinamento

Rm Resistenza equivalente per determinare le perdite magnetiche Xm Reattanza di magnetizzazione. Il circuito equivalente di fig. 11 si riferisce ad un generatore realizzato con un rotore a gabbia semplice. Tale soluzione è la migliore per quanto le caratteristiche elettromeccaniche del generatore e consente di realizzare macchine con alto rendimento ed elevato cosfi. Tale soluzione viene normalmente adottata da Electro Adda Spa per la realizzazione di generatori di potenza maggiore di 200 kW per le macchine a 1000 e 1500 giri/minuto e per tutte le macchine di minore velocità.

Nel caso di macchine derivate direttamente dai motori asincroni trifasi si adottano rotori a doppia gabbia. Il cui circuito equivalente è riportato nella figura 7

Fig 12 - Schema circuito equivalente generatore a doppia semplice R1 Resistenza statore X1 Reattanza statore Ri2 Resistenza rotorica gabbia interna riportata a statore Re2 Resistenza rotorica gabbia esterna riportata a statore Xi2 Reattanza rotorica gabbia interna riportata a statore Xe2 Reattanza rotorica gabbia interna riportata a statore

R1 X1

Ri2

X2

RmXm

R2”

V - Hz

Xi2

R1 X1 R2 X2

RmXm R2” V - Hz

Re2

Xe2


R2” s

sxR

12 Potenza assorbita ( motore di trascinamento

Rm Resistenza equivalente per determinare le perdite magnetiche Xm Reattanza di magnetizzazione. Tale configurazione è estremamente complessa per poter effettuare i calcoli relativi alle diverse condizioni di funzionamento a carico pertanto, anche nel caso di un generatore a doppia gabbia, il circuito equivalente viene convertito in un diagramma a soli 6 parametri. Relativamente agli elementi del circuito è interessante notare la loro relazione con i dati di alimentazione ( V ; Hz )

I valori di R1 ed R2 sono valori costanti I valori X1 e X2 sono variabili linearmente con la frequenza I valori Rm, Xm variabili non linearmente con tensione e frequenza

Da quanto sopra indicato, si evidenzia che, in presenza di consistenti variazioni di tensione della rete di alimentazione, Xm ed Rm sono, a volte, i piu importanti responsabili degli scostamenti di rendimento e cosfi rispetto ai valori nominali .. E opportuno quindi comunicare a Electro Adda Spa i limiti della tensione di rete per poter ottimizzazione il circuito magnetico del generatore.

DESCRIZIONE DEL FUNZIONAMENTO La variazione della potenza erogata in un generatore asincrono si ottiene, come si è già detto, variando la velocità (scorrimento ) con cui il rotore taglia le linee di flusso del campo magnetico; mentre la rete di alimentazione, se di potenza adeguata, mantiene costanti la tensione e la frequenza. Un altro diagramma notevolmente usato nelle macchine ad induzione è un diagramma delle correnti detto "circolare", nel caso del generatore assume l'aspetto della figura 13.

Fig. 13 - Diagramma circolare macchina asincrona trifase Tale diagramma permette di ricavare tutti i parametri elettromeccanici del motore/generatore quali: corrente a vuoto, corrente di carico, coppie, angoli di sfasamento, scorrimento, perdite ecc.

φm

φg

Io

Im

Ig

Coppia

Motore

Generatore


Dall’osservazione del diagramma si evidenzia che a parità di corrente (assorbita nel funzionamento come motore od erogata nel funzionamento come generatore) l’angolo φm ( funzionamento come motore) è inferiore all’angolo φg ( funzionamento come generatore) ovvero il fattore di potenza nel funzionamento come generatore risulta sempre inferiore al fattore di potenza nel funzionamento come motore ( ovviamente a parità di corrente).

RENDIMENTO

Il rendimento di un generatore asincrono è definito dal rapporto tra la potenza meccanica entrante e quella elettrica erogata in rete; la differenza tra queste due grandezze corrisponde alla potenza dissipata nella trasformazione energetica. Come già detto precedentemente, un motore asincrono trascinato oltre la velocità di sincronismo diventa un “generatore”, tuttavia un miglioramento complessivo del rendimento e delle caratteristiche elettromeccaniche, ELECTRO ADDA SpA, nella realizzazione del un generatore asincrono utilizza un progetto diverso rispetto al corrispondente motore. Dal momento che la richiesta di valori limite di coppia e corrente (in fase di avviamento) non è più richiesta, è possibile progettare una geometria delle cave rotoriche che privilegino il contenimento delle perdite, delle reattanze di dispersione e delle perdite "addizionali". E altresì possibile ottimizzare il circuito magnetico con valori di saturazione equilibrati e contenuti, per consentire ampie escursioni della tensione di rete, con modesti incrementi di potenza reattiva. La localizzazione e conoscenza dettagliata di questa potenza dispersa è importantissima data l'influenza che esse esercitano nei costi di esercizio. Le perdite in una macchina asincrona sono costituite principalmente da tre componenti

una fissa rispetto al carico e dipendente dalla velocità, perdite per attrito nei cuscinetti e di ventilazione una fissa rispetto al carico e dipendente dalla tensione frequenza di alimentazione perdite nel ferro per isteresi e correnti parassite una variabile con il carico e funzione delle correnti che circolano negli avvolgi menti perdite negli avvolgimenti statorici perdite negli avvolgimenti rotorici perdite addizionali

E opportuno ricordare che un adeguato proporzionamento di queste tre componenti consente la realizzazione di un determinato andamento della curva del rendimento in funzione del carico Nella valutazione del bilancio energetico di esercizio di un generatore, dato il consistente tempo di funzionamento, risulta importante il dimensionamento di queste perdite in funzione sia del tipo di carico (costante o variabile) , che delle condizioni di alimentazione (variazioni della tensione di rete) E’ evidente come l'ottimizzazione per un generatore che funzioni ad un carico costante è di ottenere il massimo del rendimento al carico di utilizzo, mentre per uno che ha un carico variabile l'ottimizzazione si ottiene migliorando la curva di rendimento nella gamma di potenze richieste. E’ quindi opportuno che il progettista dell'impianto, in sede di acquisto del generatore, comunichi informazioni relative alle condizioni del carico e della rete. Il peso di ciascun componente, costituente le perdite, ha una diversa proporzionalità , in funzione del progetto, polarità ecc; ma esso è soprattutto legato alla potenza.


A titolo di esempio vengono riportati nei diagrammi di figura 14 e 15, il valore delle singole perdite in % del totale di generatori con potenze diverse funzionanti a 1500 giri/min ( 4 poli ) e a 1000 giri/min ( 6 poli ) in esecuzione aperta IP23

Fig. 14 - Ripartizione percentuali delle perdite generatori a 1500 giri/min (4 poli )

Fig. 15 - Ripartizione percentuali delle perdite generatori a 1000 giri/min (6 poli) Nei diagrammi si può notare come esista una maggiore incidenza delle perdite costanti. rispetto a quelle variabili, all’aumentare della potenza erogata dal generatore.

Ripartizione perdite generatori a 1500 giri/min

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Meccaniche Ferro Statore Rotore Addizionali

Perdite

Rip

art

izio

ne

pe

rcen

tual

e

160 Kw 500 kw 1000 kW

Ripartizione perdite generatori a 1000 giri/min

05

1015202530354045

Meccaniche Ferro Statore Rotore Addizionali

Perdite

Rip

art

izio

ne

pe

rcen

tua

le

160 Kw 500 kw 1000 kw


FATTORE DI POTENZA In un generatore ad induzione sono presenti due tipi di energia: una è l'energia reale ( attiva), che si converte da meccanica in elettrica ed in calore attraverso le perdite, la seconda è quella reattiva ed è immagazzinata nei circuiti induttivi della macchina. Il generatore asincrono, non avendo circuiti di eccitazione, può fornire unicamente le potenza attiva e deve pertanto assorbire la potenza reattiva che gli necessità dalla rete. Un metodo assai semplice per comprendere il comportamento dell'energia reattiva e la sua relazione con lo sfasamento tra tensione e corrente è quella di rappresentare la potenza in un semplice circuito elettrico con resistenze e reattanze, alimentato da una tensione V ed avente una corrente circolante. La potenza reale W si ricava dalla media del prodotto, istante per istante della tensione V con la corrente I (per tempi superiori ad un ciclo). Intuitivamente si può vedere come tale valore W si modifichi in relazione all'angolo di sfasamento φ tra tensione e corrente. Il valore medio con segno negativo è la potenza reattiva VAR, che come già detto, nel caso del generatore asincrono è la potenza assorbita dalla rete per mantenere il proprio campo magnetico. Il termine "cosfi" rappresenta quindi lo sfasamento tra tensione e corrente esistente sui circuiti elettrici aventi resistenze ed induttanze e/o capacità ed il suo valore varia da -1.0 a +1.0; usualmente il valore viene espresso in rapporto all'unità es. 0.9 p.u. (a differenza del rendimento che normalmente si dà in valore percentuale es. 90% ) Il generatore asincrono erogando potenza attiva in rete e, assorbendo contemporaneamente dalla stessa potenza reattiva, funziona con un cosfi negativo. Sotto l'aspetto energetico la potenza realmente erogata è quella attiva W, ma non si può trascurare, che la potenza impegnata nell'impianto è quella totale VA (detta apparente). Il cosfi a potenza nominale dei generatori asincroni aumenta generalmente all’aumentare della potenza della macchina e può raggiungere valori di 0.93 per macchine di potenza di circa 1000 KW a 1500 giri/min e diminuisce con l’aumentare del numero dei poli. Nel diagramma di figura 16 sono riportati i valori di cosfi di un generatore da 200 kW di potenza nominale realizzato con diversi numero di poli ( da 4 a 18 poli )

Fig. 16 - Andamento del cosfi in funzione della polarità per un generatore da 200 KW Dall’osservazione del diagramma si vede che il cosfi a 4 poli è circa 0.9 mentre a 18 poli vale circa 0.7 il che vuol dire che la corrente erogata dal generatore a 18 poli è circa il 30% ( 0.9 /0.7)maggiore della macchina a 4 poli. Da quanto sopra esposto si evince che non è conveniente realizzare macchine asincrone con polarità elevate o con basse potenze. Ovviamente una maggiore corrente costringe anche a dimensionare adeguatamente i cavi che vanno dal generatore al quadro di alimentazione.

0.5

0.55

0.6

0.650.7

0.75

0.8

0.850.9

0.95

4 6 8 10 12 14 16 18

Numero di poli

Co

sfi (

no

min

ale

)


RIFASAMENTO Come già riportato in precedenza, il generatore ad induzione, mancando di un apposito avvolgimento di eccitazione per produrre il proprio flusso magnetico, assorbe la necessaria energia reattiva dalla rete. Gli enti erogatori / assorbitori di energia elettrica prescrivono che il valore del cosfi della corrente immessa in rete sia generalmente maggiore dello 0.95. Tenendo conto che il cosfi del generatore asincrono è decisamente inferiore a tale valore e diminuisce sensibilmente con la riduzione del carico ( vedi fig. 17) è indispensabile provvedere al rifasamento del generatore. Fig. 17 - Variazione del cosfi in funzione della potenza per un generatore da 200 KW a 1500 giri/min La rappresentazione grafica delle potenze di un generatore asincrono sono riportate nella figura 8seguente dove : W potenza attiva VA potenza -apparente VAr potenza reattiva ( VA. Senφ )

Fig 18 Rappresentazione grafica delle potenze di un generatore asincrono

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 50 100 150 200 250 300

Potenza Resa (kW)

Co

sfi

Φ1

Φ2

VAR1

VAR2

VAC

VA1

W

VA2


La potenza di rifasamento VAC fornita dai condensatori, si sottrae alla reattiva VAR1; dopo il rifasamento il nuovo triangolo delle potenze risulta composto da VA2, VAR2, W . La seguente equazione consente di calcolare rapidamente la potenza capacitiva di rifasamento VAC partendo da una potenza attiva W con un cosφ1 da correggere a cosφ2 .

VAC = W x (TAN φ1 - TAN φ2 ) ESEMPIO DI RIFASAMENTO Generatore con una potenza resa di 700 kW con un cosφ1 =.85 da rifasare a cosφ2= 0.95 applicando l'espressione precedente risulta: cosφ1 =.85 φ1 = 31.78°’ tang φ1 = 0.62 cosφ2 =.95 φ2 = 18.19° tang φ2 = 0.328

kVAC = 700 x ( tang φ1 - tang φ2) = 700 x (0.62 – 0.328 ) = 204 kVAR

Nota: Il rifasamento a fattori di potenza inferiori ad uno, con generatori funzionanti a carichi parziali , deve essere calcolato

sul carico avente maggiore potenza reattiva che non sempre e legato alla massima potenza attiva.

L’impianto di rifasa mento deve essere realizzato in modo tale che i condensatori vengano staccati dal generatore prima del distacco dalla rete. Quando, infatti, un generatore asincrono continua a ruotare a velocità prossime alla nominale scollegato dalla tensione di rete, con i condensatori collegati, può produrre tensioni molto superiori a quella nominale con notevoli rischi di “scariche”, inoltre se il generatore viene immediatamente ricollegato alla linea può ricevere delle reazioni di coppia molte elevate

Fig. 19 Punto di funzionamento di un generatore a vuoto con condensatori completamente inseriti

La figura 19 mostra il caso di un generatore asincrono con tensione nominale scollegato dalla rete alla velocità sincrona ed eccitato con condensatori C . La tensione Vc che raggiunge il generatore è Il punto di intersezione magnetizzazione con la retta formata dalla reattanza capacitiva Xc .

Vc

Vn Curva di saturazione

del generatore

Xc

T e n s i o n e

Corrente

CfXc

2

1


Nella seguente tabella sono riportati i coefficienti a cui si deve moltiplicare il valore della potenza attiva per ricavare il valore della potenza reattiva necessaria per rifasare a cosfi = 0.9 ; cosfi = 0.95 e a cosfi = 1

Cosfi rifasato Valore cosfi iniziale

0.9 0.95 1

1 -0.484 -0.329 0.000

0.99 -0.342 -0.187 0.142

0.98 -0.281 -0.126 0.203

0.97 -0.233 -0.078 0.251

0.96 -0.192 -0.037 0.292

0.95 -0.155 0.000 0.329

0.94 -0.121 0.034 0.363

0.93 -0.089 0.066 0.395

0.92 -0.058 0.097 0.426

0.91 -0.028 0.127 0.456

0.9 0.000 0.155 0.484

0.89 0.028 0.183 0.512

0.88 0.056 0.211 0.540

0.87 0.083 0.238 0.567

0.86 0.109 0.264 0.593

0.85 0.136 0.291 0.620

0.84 0.162 0.317 0.646

0.83 0.188 0.343 0.672

0.82 0.214 0.369 0.698

0.81 0.240 0.395 0.724

0.8 0.266 0.421 0.750

0.79 0.292 0.447 0.776

0.78 0.318 0.473 0.802

0.77 0.345 0.500 0.829

0.76 0.371 0.526 0.855

0.75 0.398 0.553 0.882

0.74 0.425 0.580 0.909

0.73 0.452 0.607 0.936

0.72 0.480 0.635 0.964

0.71 0.508 0.663 0.992

0.7 0.536 0.691 1.020

0.69 0.565 0.720 1.049

0.68 0.594 0.749 1.078

0.67 0.624 0.779 1.108

0.66 0.654 0.809 1.138

0.65 0.685 0.840 1.169

0.64 0.717 0.872 1.201

0.63 0.749 0.904 1.233

0.62 0.781 0.936 1.265

0.61 0.815 0.970 1.299

0.6 0.849 1.004 1.333

0.59 0.884 1.039 1.368

0.58 0.921 1.076 1.405

0.57 0.957 1.112 1.441

0.56 0.995 1.150 1.479

0.55 1.034 1.189 1.518

0.54 1.075 1.230 1.559

0.53 1.116 1.271 1.600

0.52 1.159 1.314 1.643

0.51 1.203 1.358 1.687


FUNZIONAMENTO IN ISOLA E’ anche possibile far funzionare il generatore asincrono senza una rete di alimentazione ( il “cosidetto” funzionamento in isola ) collegandolo in parallelo con delle capacità in grado di fornire interamente le energie reattive richieste per l’eccitazione del generatore e per i carichi induttivi presenti sulla rete. Tale tipo di funzionamento è tuttavia piuttosto complesso in quanto le variazioni di carico e le variazioni della potenza reattiva richiesta che normalmente viene compensata col l’inserzione a gradini dei condensatori, provoca variazioni notevoli di tensione e frequenza. Esistono opportuni sistemi di regolazione che consentono di stabilizzare la tensione del generatore. Occorre far presente che il generatore asincrono in isola non è auto eccitante ovvero non può funzionare senza un opportuno circuito di alimentazione in grado di caricare i condensatori I generatori asincroni auto eccitati possono essere allacciati alla rete BT a condizione che il complesso d’eccitazione, mediante apposito interblocco con il dispositivo di interfaccia, venga escluso durante il parallelo. In questo caso, quando si passa dal funzionamento in parallelo al funzionamento in isola, con il relativo dispositivo di interfaccia quadripolare deve essere prevista anche la commutazione del centro stella del generatore dal neutro della rete pubblica all'impianto di terra del Cliente. Tale commutazione è necessaria per mantenere il sistema elettrico in isola con neutro collegato a terra (il conduttore di neutro della rete BT non deve mai essere messo a terra dal Cliente). La connessione è comunque subordinata alla verifica della fattibilità tecnica da parte dell’Ente gestore della rete effettuata sulla base della documentazione fornita dal Cliente e della compatibilità con i limiti di utilizzo dei componenti della rete stabiliti dal gestore. Nel caso in cui siano presenti più clienti produttori sulla rete BT la verifica include gli effetti della totale produzione.

TRANSITORI Un generatore asincrono, oltre ad un comportamento" stazionario" caratterizzato da un funzionamento a carico ed alimentazione costante, ne ha anche uno di tipo "dinamico" , che interviene soprattutto quando si verifica una rapida variazione nel suo campo magnetico. Delle varie condizioni transitorie che si verificano, le principali sono: i transitori di corrente e coppia legati al collegamento del generatore alla rete di alimentazione, il contributo che esso può dare ai guasti della rete ed il comportamento nelle oscillazioni del carico TRANSITORIO DI INSERZIONE Il problema del parallelo alla rete è essenzialmente la limitazione della punta di corrente all'inserzione a valori tali da non disturbare la rete anche quando ci sia un carico dinamico. E utile comunque aumentare la costante di tempo d'avviamento per facilitare il parallelo in prossimità dei giri sincroni . Le norme prescrivono che la velocità del generatore all'atto del collegamento alla rete sia prossima a quella di sincronismo con una tolleranza del + - 20%. In realtà è opportuno che alla chiusura dell’interruttore di parallelo la velocità del generatore avvenga con una tolleranza di velocità più ridotta possibilmente entro il valore di scorrimento del generatore a carico; ovvero se un generatore con velocità sincrona di 1000 giri/min, con una velocità a carico nominale di 1010 giri/minuto, è opportuno che la messa in parallelo venga effettuata ad una velocità compresa tra 990 e 1010 giri/minuto. Il segnale di velocità può provenire da una tachimetrica, da un encoder o da una ruota fonica che possono essere posti nella seconda sporgenza d'albero; in tal caso non si hanno inconvenienti all’atto dell’inserzione e la corrente di inserzione può essere mantenuta entro le due volte la corrente nominale. La durata di tale transitorio è inferiore a 100 millisecondi Durante la messa in parallelo a velocità diverse dal sincronismo, considerando anche che il generatore risulta senza campo magnetico, derivano delle sovracorrenti transitorie con valori che possono raggiungere quelli di cortocircuito , permanendo, peraltro, per pochi periodi ( durata inferiore a 100 millisecondi). Per ridurre tali impulsi di corrente può essere utile inserire una reattanza ( o una resistenza ) che


determinino una caduta. di tensione di circa il 20-30%; al termine della fase di inserzione la reattanza sarà esclusa dal circuito. Tale accorgimento potrebbe essere necessario in presenza di una rete avente di piccola potenza o che stia funzionando a minimo carico; in tal caso l'improvvisa richiesta di corrente magnetizzante potrebbe portare alla disecccitazione del generatore principale e rendere problematico o addirittura impossibile,il parallelo CORTO CIRCUITO DI RETE

Nel caso di cortocircuito sulla rete cui è allacciato un generatore asincrono, quest'ultimo contribuirà ad alimentare la sezione di guasto per un tempo tale da esaurire l'energia presente nel proprio circuito magnetico e quello relativo alla sezione di rete interessata al momento del guasto. In questo caso si verificano delle sovracorrenti che possono anche raggiungere la lcc del generatore ( anche 7-8 volte la corrente nominale ) con le relative reazioni di coppia. La reattanza sub transitoria può variare dal 20 % delle macchine ad alta polarità ( 8-12 poli ) al 12% delle macchine a 4 poli Dal momento che l’energia magnetica contenuta nel generatore è limitata, la diseccitazione è pressoché 'immediata e ciò limita Il contributo energetico che un generatore asincrono dà alla corrente di guasto della rete di alimentazione. Ovviamente al sopraggiungere del guasto devono essere prontamente esclusi i condensatori di rifasamento. Per il generatore la condizione peggiore è quella di un gusto che avvenga in corrispondenza dei propri morsetti. In questo caso la corrente massima che si ha sugli avvolgimenti e data dalla somma di due correnti: una alternata dovuta al flusso del rotore ed una continua dovuta al flusso dello statore. Per calcolare la corrente massima occorre conoscere i diversi parametri del generatore partendo dal circuito equivalente dello stesso. La corrente totale di corto circuito e data dalla seguente espressione:

acdctc iii

teeX

Ei acdc T

t

T

t

tc cos2 1

'1

Il valore massino di itc si raggiune dopo circa mezzo periodo dall’inizio del corto circuito. La componente continua Idc della cortente di corto circuito ( dovuta al flusso dello statore) e data dalla seguente espressione:

dcT

t

dc eX

Ei

1

'12

1

'

R

XTdc

1'

110'

1 )( IjXREE

Tdc = costante di tempo relativa alla componente continua della corrente di cto. cto. E10 = tensione di fase prima del cto. cto. I1 = corrente statorica di fase prima del cto. cto. E’1 = tensione a valle della reattanza transitoria


T0 = Costante di tempo con statore aperto Tac = Costante di tempo con statore in cto. cto.

Nel diagramma di fig 20 viene riportata, a titolo di esempio, la componente continua di un generatore da 700 kW a 1000 giri/min avente una corrente nominale di 650 A.

Componente continua Idc

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 1 2 3 4 5 6

tempo (Secondi)

Cor

rent

e (A

)

Fig 20 - Componente continua della corrente di cto.cto ai morsetti del generatore

La componente alternata Iac della corrente di corto circuito ( dovuta al flusso del rotore ) e data dalla seguente espressione:

teX

Ei acT

t

ac cos21

'1

Dove

f 2

2

20 R

XXT m

212

21

' XXXX

XXXX

m

m

om

ac TXX

XT

1

'

Tac = costante di tempo relativa alla componente alternata X’ = reattanza transitoria


Nel diagramma di fig. 21 viene riportata, la componente alternata dello stesso generatore da 700 kW.

Componente alternata Iac

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

0 1 2 3 4 5 6

Tempo sec

Cor

rent

e (A

)

Fig 21 - Componente alternata della corrente di cto.cto ai morsetti del generatore

Nel diagramma di fig. 22 viene riportata, l’andamento complessivo della corrente di corto circuito del generatore.

Corrente di cto cto alle sbarre

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

0 1 2 3 4 5 6

tempo (Secondi)

Am

p

Fig 21 - Corrente di cto.cto ai morsetti del generatore

Dai diagrammi si vede che il valore di picco che si raggiunge dopo circa 30 millisecondi, è pari a 11500 A ovvero circa 17.7 volte il valore efficace della corrente nominale.

APERTURA DEL CIRCUITO DI ALIMENTAZIONE ( Distacco dalla rete ) Il generatore asincrono, come già detto, non ha un circuito di eccitazione e deve essere eccitato dalla rete o da un opportuno sistema di condensatori. Tuttavia all’atto dell’apertura del circuito di alimentazione ( distacco dalla rete ) la tensione ai morsetti del generatore non passa istantaneamente a zero ma decresce con un una legge esponenziale.

00

T

t

t eEE

2

2

R

XTo


Eo : tensione ai morsetti nell’istante del distacco dell’alimentazione Et tensione ai morsetti durante il transitorio To costante di tempo all’apertura del circuito Nei diagrammi è riportati a titolo di esempio l’andamento della tensione ai morsetti di un generatore da da 700 kW a 1000 giri/min a 690 V Come si vede dal diagramma di fig. 22, dopo circa 150 millisecondi la tensione ai morsetti si annulla. In caso di riinserzione del generatore occorre attendere almeno un 100 millisecondi per far esaurire la tensione residua ai morsetti. Occorre inoltre far presente che al momento dell’apertura del interruttore di rete, il generatore non presenta più alcuna coppia resistente mentre la turbina continua a spingere il generatore fina a raggiungere la velocità di fuga della turbina ( da 1.8 a 2.5 volte la velocità nominale.

Fig 22 – Tensione ai morsetti al distacco della rete di alimentazione Nel diagramma sotto riportato sono riportate le velocità del generatore in funzione del tempo intercorso dal distacco dalla rete.

Fig 23 – Velocità del generatore al distacco della rete di alimentazione Nell’esempio sopra indicato dopo 150 millisecondi non si avrebbe più alcuna tensione residua sul generatore , ma il

generatore ha raggiunto una velocità di circa 1055 giri/min, ovvero una velocità di scorrimento di circa 6 volte lo scorrimento

a carico nominale pertanto se il generatore venisse rinserito in rete la corrente raggiungerebbe valori decisamente elevati

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 100 200 300 400 500 600

Millisecondi

Ten

sio

ne (V

)

1000

1020

1040

1060

1080

1100

1120

1140

1160

1180

1200

0 100 200 300 400 500 600

Millisecondi

Gir

i/m

in


OSCILLAZIONI DEL CARICO

Nel generatore asincrono sia il sovraccarico di tipo statico che quello dinamico portano ad un aumento dello scorrimento fino al raggiungimento della coppia massima del generatore stesso. Il superamento di tale valore determina un funzionamento in un tratto instabile della curva coppia/giri con una consistente riduzione della coppia resistente e quindi alla possibilità di raggiungere velocità di fuga assai elevate. In tali condizioni il generatore ha e mantiene valori elevati di corrente con componente reattiva molto elevata, condizione che fa intervenire le protezioni di massima corrente. In sedei progetto occorre verificare che la coppia massima del generatore sia in grado di far fronte ai sovraccarichi previsti con un certo margine anche in condizione di tensione minima di rete. ( Si ricorda che la coppia massima di un generatore varia con il quadrato della tensione di rete). I fenomeni che si verificano a seguito di perturbazioni oscillatorie della coppia motrice, non sempre sono facilmente prevedibili, tali oscillazioni di coppia in un generatore asincrono si. trasformano in oscillazioni dello scorrimento. E evidente come il generatore asincrono determini delle reazioni con costanti di tempo molto più . alte rispetto ad un generatore sincrono, ed consenta un maggiore effetto smorzante dovuto all'intervento delle energie cinetiche immagazzinate nelle parti in rotazione.

AVVIAMENTO DEL GENERATORE COME MOTORE I generatori asincroni trifasi vengono anche avviati collegando direttamente il generatore alla rete di alimentazione. In tal caso è necessario verificare che la rete di alimentazione sia in grado di tollerare correnti dell'ordine di 5÷7 volte la corrente nominale per tutta la durata dell'avviamento. Nel caso di utilizzo di interruttori con sganciatore magnetico occorre prendere in considerazione il transitorio di avviamento del motore a gabbia, il cui circuito equivalente può essere assunto, con opportune semplificazioni, come un circuito R L in regime sinusoidale Si può osservare che la tensione sinusoidale può avere un valore qualsiasi nell'istante in cui viene chiuso l'interruttore per cui l'angolo di sfasamento può assumere un valore qualunque tra 0 e 2 radianti. La relazione che si ottiene, nell'ipotesi che il valore di L sia molto maggiore di R risulta:

T

t

MM eItIi cos)cos(

dove: IM = valore massimo dell'onda di corrente in regime permanente.

= angolo di fase della tensione nell'istante di chiusura del circuito T = costante di tempo del circuito ( L/R ) e = base dei logaritmi naturali = pulsazione ( 2f ) t = tempo La corrente è quindi costituita da due termini, uno sinusoidale permanente e l'altro aperiodico smorzato. L'andamento della componente permanente è dello stesso tipo di quello della tensione, ma spostata in ritardo di un quarto di periodo. Il termine transitorio ha un andamento esponenziale decrescente ed assume il valore massimo per cos = 1 ossia per angolo = 0, cioè nel caso in cui l'applicazione di tensione avvenga in corrispondenza del passaggio per lo zero dell'onda di tensione stessa. Tale valore è dato allora da:

T

t

MM eItIi )cos(


La figura 24 rappresenta graficamente questo caso; si può notare che il valore del termine esponenziale è massimo per t = 0. Estrapolando la curva di fig. 3.15d al tempo zero in funzione dei valori massimi si ottiene che la corrente massima vale 2 IM e che questo valore è il valore massimo al quale potrebbe pervenire la

corrente se lo smorzamento fosse nullo. In realtà il primo picco di corrente risulta di poco inferiore a 2 IM . Il termine transitorio scompare per

cos = 0, cioè per = 90° quando la tensione viene applicata in corrispondenza del suo valore massimo. Quando l'angolo è compreso tra 0 e 90°, si verificano ovviamente delle condizioni intermedie a quelle estreme considerate. In conclusione, nelle condizioni più sfavorevoli, si ha una corrente di spunto nel transitorio (dell'ordine dei centesimi di secondo) di due volte la corrente di spunto a regime, pertanto una corrente di circa 15 volte la corrente nominale del motore. Nel caso di avviamento a piena tensione occorre pertanto verificare che l'interruttore sia in grado di tollerare tale corrente.

VmV

Tensione applicata

Imi

Corrente alternata a regime

ImI

Componente unidirezionale

1

2

Im

1

0

-1

Corrente nel circuito

Fig.24 - Applicazione di una tensione alternata circuito R-L. Chiusura del circuito in corrispondenza di uno zero della tensione di alimentazione. Nel diagrammi successivi sono riportati a titolo di esempio l’andamento delle correnti di un generatore da 700 kW a 1000 giri/min a 690 V avviato direttamente da rete.


Nei diagrammi si nota una prima fase in cui si ha un picco di corrente asimmetrica che raggiunge circa i 15000 A ( a circa 0.01 sec ), successivamente si ha un tratto di corrente con picchi di circa 5500 A ( da 0.1 a 0.4 sec) e successivamente al termine dell’avviamento il generatore che sta funzionando come motore asserbo la corrente a vuoto ( circa 250 A )

Fase S

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Tempo (sec)

Co

rre

nte

(A

)

Dai diagrammi si nota che l’andamento delle correnti nelle tre fasi è analogo anche se su una fase si ha un picco di tensione più elevato.

Fase T

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Tempo (sec)

Co

rre

nte

(A

)

Fase R

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Tempo (sec)

Co

rre

nte

(A

)

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