Regolatore Velocità Per Una Turbina Idraulica

[massiTT]

Buongiorno a Tutti!

E' da molto tempo che vi seguo e vi ringrazio per tutti i preziosi consigli che, seppur indirettamente, mi avete già fornito

Veniamo ora al mio problema:

Dovrei realizzare un controllo di velocità per un generatore mosso da una turbina idraulica che funziona in isola.

La velocità di rotazione nominale è di 1000 gg/min

La potenza massima erogabile è di 500 kW

Tensione di uscita 380 Vca

frequenza 50Hz

Il regolatore tramite una valvola proporzionale dovrebbe consentire di compensare le variazioni di carico sul generatore mantenendo le caratteristiche di Tensione e Frequenza distanti al massimo 5% dai valori nominali.

Premesso che non sono affatto un'esperto di regolazione ma che ho gia letto i tutorial; pensavo di utilizzare come HW di controllo della proporzionale un PLC siemens serie 300 ma ho dei dubbi sul PID (prendo i moduli esistenti? ne realizzo uno SW? prendo dell'HW esterno al PLC?). Quali sono le criticità che individuate nell'applicazione? ..in modo da non sbagliare nell'acquisto del materiale per poi procedere alla programmazione.

Grazie in anticipo per il vostro tempo!

[massiTT]

Chiedo scusa per la fretta nello scrivere il post

la turbina è a controllo Idraulico e non "idraulica"

[Livio Orsini]

Quali sono le criticità che individuate nell'applicazione? .

Principalmente la valvola proporzionale ed i ritardi di risposta del generatore.

Personalmente non uso mai la funzione di libreria Siemens perchè è "chiusa" e a me piace avere il controllo completo di quello che faccio. Tra l'altro scriversi una funzione ad hoc per l'applicazione comporta veramente poco lavoro, rispetto al resto del sistema. Altri, come ad esempio Batta, preferiscono usare la funzione di libreria.

Il consiglio che mi sento di darti è quello di curare molto bene il feed forward, così ridurrai al minimo l'intervento correttivo del regolatore PID.

[Adelino Rossi]

la regolazione di tensione è una regolazione completamente diversa dalla velocità e si basa su parametri diversi.

La velocità di 1000 giri viene poi adattata da un riduttore di giri o da un moltiplicatore? O si va a 750 giri o si va a 1500 giri di generatore.

numero di poli del generatore?

[massiTT]

Grazie innanizitutto per la sua pronta risposta Sig. Orsini.

Sono d'accordo sulla cura del Feedforward.

Questo mi permette di legare la posizione della v. proporzionale (e dunque della spina che controlla il carico idrico sulla turbina) alla velocità di rotazione della turbina e dunque dell'alternatore. Ipotizzando in prima approssimazione che questa relazione sia lineare (e in realtà è quasi così) posso dire che

Velocità rotazione = K*Posizione V.Proporzionale

Tuttavia la problematica di controllo secondo me più critica (che è poi quella che determina l'esigenza dell'esistenza stessa di tale regolatore) è proprio quella delle PRESE di CARICO per le quali il Feedforward non è d'aiuto.

in sostanza può capitare che alla chiusura dell'interruttore il carico sull'alternatore sia di qualche kW e poi ad un certo punto venga connesso ad esso un carico di 200 kW (ad esempio). In queste condizioni il sistema di regolazione dovrebbe reagire prontamente mantenendo la frequenza (soprattutto questa che è direttamente connessa con la velcità di rotazione) entro valori accettabili.

Ho pensato dunque che con l'utilizzo di un PID (non so ancora se dalle librerie Siemens o realizzando direttamente il codice)

con magari una componente derivativa non trascurabile si potesse risolvere il problema.

Un altro punto critico secondo me potrebbe essere il Tempo di Campionamento ...non credo che si riesca ad utilizzare il tempo di ciclo del PLC in quanto questo potrebbe non essere "periodico" e dunque fa venir meno la base stessa della tecnica PID.

Sbaglio?

Procederei dunque con il processamento della "procedura PID" attraverso un interrupt programmato per essere sicuro della ripetibilià di TC

[massiTT]

Sig. Rossi

Chiedo scusa per l'imprecisione ...

il mio regolatore si occuperà solo della velocità di rotazione della macchina e dunque della frequenza di uscita del generatore.

Per la tensione c'è un altro regolatore già esistente.

Per quanto riguarda la sua domanda

il numero dei poli credo sia 3.

Tale valore l'ho dedotto dal fatto che la velocità nominale è 1000 gg/min dunque 16.666 gg/s e che la frequenza della tensione d'uscita è 50 Hz (50/16.666=3)

La velocità di rotazione è determinata dalla posizione di una spina che regola il flusso dell'acqua interno alla turbina; pertanto aprendo la spina la macchina accelera, mentre chiudendo decelera opponendosi in questo modo, a una presa o uno stacco di carico che cambia la coppia magnetica sul generatore.

Il mio problema principale resta la determinazione dell'HW necessario per la realizzazione di un tale Regolatore ...per la programmazione infatti posso "correggere il tiro" anche successivamente mentre per il resto no

[Livio Orsini]

è proprio quella delle PRESE di CARICO per le quali il Feedforward non è d'aiuto

..ed i ritardi di risposta del generatore

In questi due passaggi si sintetizza il problema di regolazione.

Un buon feed forward permette di mantenere basso il livello di correzione, specie la parte integrale.

L'azione derivativa andrebbe basata sia come anticipo sulla reazione sia sulla corrente erogata. Capisco che detto così suona molto semplicistico però è l'essenza del corretto approccio.

L'anticipo di reazione è un classico di tutti i regolatori di velocità. La parte derivativa del regolatore è basata non sull'errore di velocità ma sulla derivata della velocità stessa, questo approccio permette di minimizzare se non eliminare le sovracompensazioni durante le variazioni di riferimento.

Se si aggiunge, nel regolatore, una componente basata sulla derivata della corrente generata, si opera una sorta di predizione del comportamente della velocità consentendo un anticipo di correzione.

Dalle considerazioni che ho espresso ne discende che l'uso del regolatore di libreria è da intendersi sconsigliabile, essendo questa una funzione per impieghi generali.

Io non sono, come Adelino, un esperto di generatori quindi non ho idea dei tempi di reazione del sistema. Però posso darti qualche indicazione con cui effettura la scelta della parte Hw del sistema.

Se il PLC si occupa quasi esclusivamente della regolazione di velocità puoi ipotizzare di campionare tra i 5ms e i 10 ms con una CPU classe 314 e scendere sotto i 5ms verso 1ms con le nuove CPU 317. Attenzione ai costi però . Poi c'è il problema dei convertitori D/A, quelli della serie 300 hanno tempi di ritardo totale che si avvicina a 1ms (sic). Poi c'è il problema della misura di velocità. Se misuri la frequenza, potresti scegliere una CPU con contatore veloce a bordo, meglio se il segnale è simil encoder con 2 impulsi inquadratura perchè minimizzi l'efetto dei disturbi. Se invece ti basi su una tachimetrica devi prevedere anche ingressi ananlogici, ingresi che diventano indispensabili se vuoi immettere nella maglia dir egolazione anche il livello della corrente erogata. I convertitori A/D hanno ritardi ancora maggiori dei D/A. Però, come nel caso dei D/A sono abbastanza costanti, quindi il loro effetto può essere mascherato.

Così, a sensazione, ritengo che un periodo di campionamento di 10ms potrebbe essere adatto allo scopo, però potrebbe essere una sensazione sbaglaita

PS Sul forum ci si considera colleghi e si usa il tu.

Modificato: 10 aprile 2008 da Livio Orsini

[massiTT]

Benissimo per il TU! ...mi scusi

non sono sicuro di aver compreso bene quanto mi hai suggerito

In sostanza il suggerimento è quello che potrei implementare un Feedforward che tiene conto della corrente erogata dal generatore (alla quale corrisponde una certa coppia magnetica) e ipotizzare una relazione lineare con la posizione della spina (e dunque con il carico idraulico della turbina) in modo che a una certa corrente richiesta in uscita corrisponda una certa posizione?

[massiTT]

il mascheramento dei ritardi costanti viene eseguito scegliendo un tempo di campionamento sufficientemente lungo?

Chiedo venia se la domanda può risultare banale ai più

[Livio Orsini]

...un Feedforward che tiene conto della corrente erogata ..

No! La derivata di corrente sengnala le prese, ed i rilasci, di carico quindi preannuncia cali o incrementi di velocità; si può quindi agire d'anticipo sulla spina che determina la velciotà. La messa a punto del sistema può essereeffetuata anche in linea teorica se si coosce, o si può stimare, la relazione tra carico e delta di velocità.

Il mascheramento dei ritardi costanti avviene in automatico perchè....è una costante. però bisogna tenerne conto nella progettazione del regolatore. Teroricamente potrei campionare con periodo di 10ms anche se il mio ritardo di acquisizione è pari a 10ms. Se il ritardo è costante devo tenere conto che sto elaborando un'informazione relativa a 10ms prima, ovvero la mia correzione avrà un ritatdo di 10ms + il tmepo di elaborazione del regolatore. Tutto questo dovrà essere valutato in fase di otimizzazione. Se hai letto il mio tutorial troverai descrizione del fenomeno e di altri ritardi e del modo per ovviarvi.

[Adelino Rossi]

La velocità della turbina è opportuno che sia rilevata meccanicamente sull'asse della stessa.

Si deve avere sempre la misura dei giri in modo affidabile con la macchina da zero ai giri nominali anche senza eccitazione.

Ci dovrebbe essere anche un rilevamento di sovravelocità collegato alla valvola di blocco, per evitare la fuga della macchina

e il supero della velocità critica della meccanica.

[massiTT]

Intanto vi ringrazio per le vostre risposte e per il tempo dedicatomi.

Livio il tutorial l'ho letto ma forse non con la dovuta attenzione ....ora lo farò di nuovo con maggiore concentrazione.

Ho capito meglio quello che mi hai detto a proposito della corrente. In pratica utilizzando un regolatore costruito ad hoc di tipo digitale posso permettermi di agire verso l'attuatore misurando (sempre che ce ne sia la possibilità) grandezze diverse ma correlate. Valutando una reazione proporzionale alla velocità di variazione della corrente ad esempio potrei anticipare la conseguente variazione di velocità che è il fenomeno che voglio controllare ...spero di averci azzeccato

Per quanto riguarda la rilevazione della velocità penso di usare una ruota fonica (dunque tipo encoder) con 2 sensori magnetici di misura ..ovviamente ci sarà anche un centrifugo meccanico oltre a quello SW mediante una soglia di "fuorigiri" che controlleranno il blocco dell'impianto

[murdock]

Ciao,cavolo 500kw in isola!!! Come mai non é in parallelo alla rete? Serve un villaggio isolato o fabbrica?

Per la regolazione io farei una via di mezzo ma dipende tutto dal o dai carichi e potenza minima di assorbimento di essi.

Che tipo di turbina é,Pelton,Farncis,kaplan ecc?

Come prima regolazione grossolana và bene quello che intendi fare, dovrà basarsi se l'alternatore é (sicuramente) sincrono sulla frequenza, é lei che devi monitorare per far variare la portata agendo sulla regolazione della turbina idroelettrica,la tensione si usa per gli alternatori asincroni auto eccitati tramite condensatori esterni,ma visto la potenza in gioco e in isola lo escluderei!

Gli altri parametri visto che vuoi usare un S7-300 li puoi sempre monitorare e usare per sicurezza come allarmi o blocchi in caso di distacco tempestivo del carico e conseguenza fuga gella turbina,come la tensione e la velocità, é appunto la regolazione PID la problematica,con un po' di pratica e test troveri la parametrizzazione corretta.

La seconda regolazione fine la farei a dissipazione a zavorra elettrica (lo so' che é assurdo per 500Kw ma se contiamo che magari ne và ad assorbire solo in ceri momenti 10-20-30 KW ecc come sistema di regolazione fine e preciso a bassa potenza sarebbe l'ideale,la puoi sempre fare col PLC e triac di potenza con una zavorra da almeno 100KW o con una semplice scedina elettronica sempre a base di frequenza denominata ELC che pilota autonomamente i triac di potenza della zavorra,mantenendo l'alternatore sempre sotto carico costante durante la variazione dei carichi d'utenza, ad esempio quando serve poca potenza la si puo abbasare col primo sitema a regolazione di portata e mantenerla a 100Kw costanti e fissi e poi in automatico tramite la zavorra elettrica gestisce la regolazione da 0 a 100KW, tale sistema é molto valido preciso e stabile,ottimo per alimentare carichi delicati,di certo non é conveniente per tutta la potenza ma un misto trà i due sistemi servirà per avere una tensione e frequenza molto stabile a tutti i livelli di porenza e carico,sempre se i carichi aumentano oltre i 100kw il PLC comanderà l'apertura dell'acqua, praticamente usi la regolazione a dissipazione da 0 a 100-150kw e da 100-150kw usi quella a portata,le resistenze possono essere in aria (ne ho viste da 500kw per testare e regolare i gruppi elettrogeni ) o in acqua, per la produzione di acqua calda o inserite a valle dello scarico della turbina,facendo attenzione a non scaldarla troppo,di solito la varoiazione é di pochi gradi da montre a valle delle resitenze dissipartrici, ho visto tale sitema su un impianto da circa 300kw ed era tutto gestito senza PLC !

Sono sempre curioso, dove vanno a finire sti 500KW?

Ciao

P.s. io a tempo perso per la mia turbina autocostruita sotto casa da 4kw sto facendo un sistema IGC a base di tensione per un alternatore asincrono trifase (motore) autoeccitato in monofase tramite condensatori esterni in configurazione C-2C a dissipazione tramite resitenze di zavorra e controllo interamente con PLC S7-200, ma sono alle prime armi con i PLC! ora é gestita da scedina elettronica e triac per la zavorra sempre IGC.

[bellcar]

lavorando in isola devi accettare variazioni di frequenza al variare del carico, di solito si usa un buon regolatore di giri , normalmente si preferisce ancora una dinamo in sostituzione di encoder in quanto una dinamo e' piu' facilmente "derivabile" e la parte derivativa del controllo e' importante.

Come gia detto il secondo punto per una buona regolazione e' un buon feedforward, possibilmente linearizzato tra la potenza richiesta e la posizione della spina di regolazione , tale linearizzazione la puoi fare con una tabella interpolata.

Il mio consiglio e' di non usare la corrente dell' alternatore ma la potenza, usando la corrente hai il cosfi che ti fa sbagliare nel feedforward e inoltre gia' ti complichera' la vita nella regolazione della tensione.

saluti bellcar

p.s. i poli sono numeri pari, se l' alternatore viaggia a 1000 giri e' un 6poli, non 3.

[massiTT]

Dopo i suggerimenti di Livio pensavo di usare (se è possibile è ancora da verificare) la misura della VELOCITA' di VARIAZIONE della CORRENTE per ottenere un "anticipo" sulla conseguente variazione di velocità della turbina (pelton a 1 getto). Credo che la corrente, seppur affetta dal "problema" del cosfi, risulti comunque una misura più efficace della potenza. Durante un transitorio derivante dal collegamento di un nuovo carico, infatti, il nuovo carico richiede da subito corrente e l'effetto che dovrei avere è quello che la macchina tende a "sedersi" diminuendo sia la frequenza (velocità) che la tensione con la conseguenza che la potenza ha comunque variazioni minori (mitigate dall'abbassamento di tensione).

Spero di aver compreso bene il fenomeno

Qualora invece la misura della corrente non sia Accessibile ma si disponga solo della misura della velocità dell'albero la componente D del PID di regolazione sarà riportata sulla velocità di rotazione dell'albero

Mi sorge un dubbio, in parte già espresso precedentemente:Se io mi costruissi empiricamente una curva corrente/apertura Spina magari inserendo i vari carichi potenziali mentre la turbina viene controllata "a mano" non potrei applicare il FeedForward anche per le prese o i rilasci dei carichi? Quali sarebbero gli impedimenti a una tale procedura?

[Adelino Rossi]

Sulla regolazione concordo con bellcar di misurare la potenza e non la corrente.

La corrente varia anche per effetto della reattiva, dell'eccitazione, dell'avviamento di un motore ecc. parametri che non sono legati ai giri turbina.

richiede da subito corrente

richiede da subito potenza, cioè incremento dell'acqua altrimenti si siede, (si riduce il numero di giri).

la tensione viene compensata praticamente in modo immediato dal regolatore automatico di eccitazione.

[bellcar]

la regolazione con la corrente, non e' piu' efficace di quella sulla potenza, e' solo piu' errata.

Come gia' detto da Rossi, un carico richiede " da subito" una potenza a cui corrisponde una corrente che e' estremamente variabile, ma la turbina deve dare la potenza richiesta e non la corrente.

esempio, l' alternatore da 500 kW avra' una corrente di targa di 750 A,

se avvii un motore da 100 kw allo spunto hai una corrente di 1200 A (che potrebbero sembrare 600/800 kw ) mentre come potenza allo spunto sei magari solo a 150 -200 kw, cosa fai, regoli per una ipotetica potenza superiore a quella della turbina? ovvero apri completamente la spina e fai un fuorigiri pazzesco?

secondo esempio, se il motore da 100 kw sta lavorando a 80 kw e assorbe per esempio 160 A passa a vuoto con potenza 8kW e assorbimento di 80 A (cambia il cosfi) devi regolare la turbina per ridurre da 80 a 8(ovvero 1/10) e non 1/2 come se ti basassi sulla corrente.

anche in questo caso il fuori giri e' assicurato.

comunque posso garantirti che tutti gli impianti che conosco sono riconducibili a questi due tipi:

solo regolazione dei giri senza controllo del carico (90%).

regolazione dei giri con controllo ffw sulla potenza (10%)

non voglio demoralizzare nessuno, ma se non conosci bene questi concetti attento a non trovarti in grossi problemi.

saluti bellcar

[massiTT]

ma un avviamento di un motore (spunto di corrente) comunque è il segnale che il carico è aumentato. Di quanto? dipende dallo spunto.

io comunque non sono interessato alla misura della corrente in assoluto ma la sua velocità di variazione.

Mi spiego con un esempio in modo da evidenziare meglio miei eventuali errori di interpretazione del fenomeno.

Se con la macchina a regime io inserisco un carico posso registrare un aumento della corrente in uscita = aumenta l'apertura del 20%. non ho regolato nulla ma ho reagito tempestivamente manovrando nel "verso giusto" e dovrei aver tolto del lavoro al regolatore.

Adelino, come avrai capito mi occupo di generatori da poco tempo (la mia formazione deriva dalle telecomunicazioni), fatta questa premessa se lo stesso fenomeno è "leggibile" con la misura della POTENZA, data per scontata la regolazione di tensione quasi istantanea, lo stesso ragionamento è riproducibile misurando la VELOCITA' di VARIAZIONE della POTENZA ...me lo confermi?!?!?

Tornando al dubbio che ho espresso prima; che ne dite? Potrei realizzare empiricamente attraverso una curva interpolata il Feedforward (Potenza/Posizione o Corrente/posizione è lo stesso)?

[Livio Orsini]

Come ho premesso le mie conoscenze suni generatori sono solo teoriche e neanche tanto approfondite. Quindi se Bellcar e Rossi affermano che usando il valore di potenza si ottiene un risultato più preciso rispetto all'uso della sola corrente, è senz'altro corretto. Invece di usare la derivata della corrente usa la derivata della potenza per anticipare la correzzione per presa di carico.

Usare una tachimentrica ti semplifica le cose, però è possibile effettuare misure rapide di velocità e accelerazione anche usando encoder. Certo che si complica non poco l'algoritmo di misura. E' necessario usare una combinazione di frequenzimentro-periodimetro. La misura sarà sicuramente più precisa rispetto all'analogica, però per i tuoi scopi la rpecisione e la ripetibilità di una buona tachimetrica sono più che sufficienti. Diverso saremme il discorso se ci fossero problemi meccanici.

Potrei realizzare empiricamente attraverso una curva interpolata il Feedforward

Questa è la via più adatta. TI crei una tabella che approssima la curva, se tieni i punti abbastanza ravvicinati è sufficiente una interpolazione lineare semplice

Bellcar, probabilmente massiTT chiama poli le coppie di poli, da cui il 3.

Modificato: 11 aprile 2008 da Livio Orsini

[massiTT]

Grazie bellcar per il chiarimento.

E' indubbio allora che il mio ragionamento si sposta sulla misura della Potenza.

Tieni conto che il Post era stato aperto in primis per sapere se per una tale regolazione avessi bisogno di un HW particolare.

Fatto salvo questo; credo che alla mancanza di esperienza e di conoscenze si possa ovviare prima di tutto STUDIANDO e poi FACENDO ESPERIENZA con la consapevolezza di quali potrebbero essere le probblematiche che ci si trova ad affrontare.

La discussione quindi, dal mio punto di vista, verte proprio all'analisi di queste problematiche, in modo da arrivare "al dunque" nel modo migliore e avendo la consapevolezza che ci saranno dei problemi più o meno grandi da affrontare.

Grazie comunque a tutti quanti partecipano alla discussione

[Adelino Rossi]

Per quanto riguarda la corrente, esistono anche altre situazioni di gestione della corrente che non hanno nulla da vedere con i giri.

In caso di funzionamento in isola, si deve gestire la corrente di macchina in regime di possibile Corto Circuito, ma questo riguarda l'elettrotecnico dell'impianto non lo strumentista.

[murdock]

Un bel regolatore di giri meccanico alla vechia maniera,va ad agire sulla spina in base alla velocità di rotazione della turbina (FREQUENZA) é il sistema piu affidabile e di facile manutenzione che conosca !

Ma cosa é uno studio commissionato da un proff... perché non mi rispondi.... (fà molto strano una turbina da 500Kw in ISOLA) ci deve essere un bel motivo perché é così e sicuramente non é in Italia,anche se ci fossero da fare 10Km di linea MT,altrimenti sarebbe un pozzo senza fondo di soldi ! (hai presente cosa sono 0,22 centesimi di Euro al Kwh !!!)

Devi tenere sot'occhio o la velocità o la frequenza (che alla fine per l'uso... sono la stessa cosa! Scegli tu quale ti é piu facile)

Ciao Ciao

[massiTT]

no scusa murdock credevo di averti risposto

Il gruppo lavora come Generatore di Servizi Ausiliari per una centrale Idroelettrica più grande (non conosco le caratteristiche)

Viene tenuto in funzione quando la centrale è ferma per fornire i SA; quando la centrale è in funzione viene spento.

Al momento non so qual è la logica di gestione dell'attivazione e dello spegnimento.

La macchina è una Pelton a 1 getto.

E' stato espressamente richiesto un regloatore con logica a PLC

Questo è quello che mi è stato detto al momento ...quando so qualcosa di più lo posto se ti fa piacere.

[murdock]

Ciao,ora é piu chiaro,e una turbina per emergenza,in caso di bisogno serve per movimentare paratie,sgrigliatori,illuminazione,SA ecc

essemdo un impianto industriale allora ti consiglio una ruota fonica o una tacchimetrica sull'albero alternatore/turbina, visto che ci sei con dei trasduttori tieni sotto controllo e monitoraggio anche la tensione e frequenza,non é che serve anche per fornire tensione ad eventuali eccitatrici statiche di altre turbine? (lo escluderei visto che viene fermata durante il funzionamento delle altre ma non si sa mai..)

Comunque se alimenta altri morori e-o pompe oleodinamiche,basta un programmazione fatta in loco con delle verifiche sugli spunti dei carichi e delle contemporaneità di funzionamento di essi,bisogna capire quali e quanti carichi e potenze minime e massime,eseguendo una parametrizzazione proporsionale ai giri,in modo da trovare la giusta curva in base agli assorbimenti/RPM e potenza (apertura/chiusura spina)

serve tempo e pazienza!

Ciao

Ps.se voi vieni a farti un giro sul forum sezione idroelettrico http://www.energeticambiente.it

ci sono molti esperti e gestori e costruttori di impianti (medio piccoli)

[Adelino Rossi]

Dovresti verificare se il gruppo viene avviato e messo in parallelo alla rete per poi distaccare l'alimentazione esterna ed entrare in isola. All'arresto viene rifatto il parallelo con la rete e poi staccato e fermato il gruppo. In questo modo i servizi ausiliari non hanno buco di tensione.