Fabio Luise e Cristina Scorlini
Permanent-magnet mini
hydroelectric unit
Historically, hydroelectric generation represents one of the
first systems of exploiting renewable resources. Water in its
natural evaporation and condensation cycle is present on the
ground and essentially already concentrated, and with limited channelling it is ready to deliver its accumulated potential energy to various types of turbines.
At the beginning of the twentieth century, the greatest worldwide economies started installing dams and forced pipeline
networks to convert water into electricity, that is, the most
easily usable and transportable form. At present the hydroelectric generation is the most important renewable energy
source in the world, as it covers 20% of the entire production
of electricity.
Perhaps some of you have been lucky enough to visit the artificial barriers of the Assuan dam (Egypt, 2 GW), of the
Three Gorges (Hubei, China, 18.2 GW), or the Hoover Dam
(river Colorado, Las Vegas, 2 GW). Such impressive structures leave an indelible mark in the memory (and as they are
also visible on Google Earth without much enlargement, unfortunately they also leave their mark on the earth's crust
and on ecosystems stabilized over geological eras).
I think I can safely state that mechanical and electromechanical designers of any age have in common a feeling
of reverence when they see these huge structures, especially
when they remember how at the beginning of the last century pioneer technicians (who had more insight that tools
of calculation) laid down the theoretical bases of synchronous machines and power networks which are still used
nowadays.
Thus the intensification of hydroelectric resources will continue in this direction, paying attention to the small fluctuations that have been disregarded up to now, to the
extension of existing plants and even the exploitation of
small aqueducts.
At the beginning of November 2009, ASI acquired the
order from Co-Ver Energia (a power generating company
in Verbania) to revamp the plant located at Monfalcone
Porto. The final “turnkey” customer of Co-Ver is EdiPower
Milano, which aims to increase production and to obtain
green certificates for a considerable proportion of its production.
The power station of Monfalcone Porto is the last of a series of small run-of-river plants installed in the Canale de
Dottori before flowing into the sea (less than one kilometre
from the Monfalcone plant) and generates some hundreds
of kilowatts through a two tilted-axis Kaplan turbine.
Historically, the Canale de Dottori was fundamental for the
agricultural and economical development of the Isontino
(the area crossed by the river Isonzo). It was opened in
1905 to connect the river Isonzo with the gulf of Panzano
(about ten kilometres from Sagrado to Monfalcone) and
its power stations of Fogliano, Redipuglia, Ronchi, Monfalcone-Anconetta and Monfalcone-Porto supplied power
to the Acquaroli tannery, Vermegliano cotton mill and various Monfalcone factories. In May 1915 the canal had a
primary role at the beginning of the first world war, with
the Italian advance thwarted as the Austrians flooded it.
INNOVATION
2
La generazione idroelettrica storicamente rappresenta uno dei primi sistemi di sfruttamento delle risorse rinnovabili: l’acqua nel suo ciclo naturale di
evaporazione e condensazione si presenta a terra praticamente già concentrata, e con limitati interventi
di incanalamento è quindi pronta per cedere l’energia gravitazionale che ha accumulato a turbine di
varia natura.
Dall’inizio del ‘900 le maggiori economie mondiali
si sono dotate di dighe e condotte forzate per convertire l’energia dell’acqua in energia elettrica, ovvero
nella forma più facilmente fruibile e trasportabile: attualmente l’idroelettrico costituisce la più importante
fonte di energia rinnovabile al mondo in quanto
copre ben il 20% della produzione complessiva di
energia elettrica.
Magari qualcuno di noi ha avuto la fortuna di visitare gli sbarramenti artificiali della diga di Assuan
(Egitto, 2 GW), delle Tre Gole (Hubei, China, 18.2
GW), oppure la Hoover Dam (fiume Colorado, Las
Vegas, 2 GW): opere tanto grandiose lasciano un
segno indelebile nella memoria (e visto che si notano
in Google Earth senza tanti ingrandimenti, purtroppo anche nella crosta terrestre e su ecosistemi
stabilizzati nel corso di ere geologiche).
Credo di poter affermare che i progettisti meccanici
ed elettromeccanici di qualsiasi età siano comunque
accomunati da un sentimento di reverenza di fronte
a queste opere immense, e soprattutto nel ricordare
come agli albori del secolo scorso tecnici-pionieri (che
disponevano più di intuito che non di strumenti di calcolo) abbiano gettato le basi teoriche delle macchine
sincrone e delle reti di potenza tutt’ora impiegate.
In Italia nel 2008 l’energia idroelettrica ha rappresentato il 15% di tutta l’energia prodotta (dieci volte
la produzione eolica), tramite 2191 impianti di varia
stazza.
In Italy in 2008 hydroelectric power represented 15% of all
energy produced (ten times more than wind power), through
2191 plants of various size. Enel controls 136 large dams (i.e.
dams with barrage higher than 15 metres), 211 hydroelectric
systems and 300 so-called mini-hydros; to these figures we
can add EdiPower stations and mini-stations (752 MW).
86% of the hydroelectric power installations in Italy are
power stations greater than 10 MW, and small plants are numerically predominant: only 30% exceeds 3 MW and 56%
is below 400 kW. However small plants, both of the run-ofriver and of the gravity type, are those most invested in, as
they present two relevant characteristics: low management
costs and low environmental impact (absence of any type of
polluting emissions).
Mini - idroelettrico
a magneti permanenti
L’Enel controlla 136 grandi dighe (ovvero dighe con
sbarramento superiore a 15 metri), 211 impianti
idroelettrici e 300 cosiddetti mini-idro; a questi vanno
aggiunte le centrali e centraline EdiPower (752 MW).
Curiously between the end of the eighteen hundreds and
the beginning of the nineteen hundreds the village of
Sagrado was considered a tourist resort due to the presence
of an electrotherapy clinic. The beautiful neo-medieval castle of progressive doctors Francesco and Nino Alimonda
was in fact used as an “electric treatment centre”, essentially powered by the Fogliano plant.
Nella Penisola l’86% della potenza idroelettrica installata riguarda centrali di taglia superiore a 10 MW,
ed i piccoli impianti sono numericamente preponderanti: solo il 30% supera i 3 MW e il 56% è addirittura inferiore a 400 kW.
Gli impianti di piccola taglia sia ad acqua fluente sia
a caduta, sono però proprio quelli su cui oggi si
punta maggiormente, in quanto presentano due caratteristiche attualissime: i bassi costi di gestione ed
il basso l’impatto ambientale (non è presente alcun
tipo di emissione inquinante).
In questa direzione va quindi l’intensificazione dello
sfruttamento della risorsa idroelettrica, con attenzione ai piccoli salti finora trascurati, all’ampliamento degli impianti esistenti fino addirittura allo
sfruttamento di alcuni acquedotti.
3
Fabio Luise e Cristina Scorlini
Today the Canale de Dottori is characterized by a
flow rate which is little variable during the various
periods of the year;, however, the last power station
in Monfalcone Porto which flows into the sea - is subject to a considerably variable reduction during the
hours of the day, due to the tide level on the delivery,
and therefore to a periodical variation of the hydraulic head available.
areas in the flow rate - head diagram of the turbine).
Since in the turbine-generator-transformer conversion
chain the fundamental element for global efficiency is
the turbine, it follows that with the classic solution the
optimum operation point can be exploited only for
short periods during the day. In practice, in variable
head systems, the classic solution results in a noticeable decrease of productivity.
All’inizio di Novembre 2009 ASI acquisisce l’ordine da
parte di Co-Ver Energia (turbinista di Verbania) di revamping dell’impianto di Monfalcone Porto; cliente finale
“chiavi in mano” di Co-Ver è EdiPower Milano, che punta
ad incrementare la produzione e a ottenere il riconoscimento di certificati verdi su una quota importante della
stessa. La centralina di Monfalcone Porto è l’ultimo di una
serie di piccoli impianti ad acqua fluente che interessa il
Canale de Dottori prima di sfociare in mare (si trova a neanche un kilometro dallo stabilimento di Monfalcone), elabora alcune centinaia di kilowatt tramite due turbine
Kaplan ad asse inclinato.
Storicamente il Canale de Dottori è stato fondamentale
nello sviluppo agrario ed economico dell’Isontino: fu
aperto nel 1905 per collegare il fiume Isonzo con il golfo
di Panzano (tragitto di una decina di chilometri da Sagrado
a Monfalcone) e le sue centrali di Fogliano, Redipuglia,
Ronchi, Monfalcone-Anconetta e Monfalcone-Porto fornivano energia alle concerie Acquaroli, al cotonificio di Vermegliano e a varie fabbriche di Monfalcone.
Nel Maggio 1915 il canale fu addirittura protagonista dell’inizio della Grande Guerra con l’avanzata Italiana contrastata dagli Austriaci tramite la sua esondazione.
Curiosamente tra la fine dell’Ottocento e nel primo Novecento il paese di Sagrado era considerato località turistica
per via della fiorente clinica per cure elettroterapiche: il bel
castello neo-medioevale dei progressisti dottori Francesco
e Nino Alimonda fu infatti la sede della “casa di cure elettriche”, di fatto alimentata dalla centralina di Fogliano.
Oggi il Canale de Dottori è caratterizzato da una portata
poco variabile durante i vari periodi dell’anno; sfociando
però in mare l’ultima centrale -quella di Monfalcone Portoè soggetta ad un salto sensibilmente variabile durante le
ore del giorno a causa della presenza del livello di marea
sulla mandata, e quindi ad una oscillazione della prevalenza idraulica disponibile.
Nella soluzione “classica” (adottata nel precedente revamping della centrale negli anni Novanta) tra le turbine Kaplan ed i generatori era interposto un moltiplicatore di giri
con rinvio ad angolo retto: a causa della velocità di rotazione praticamente imposta dalla rete elettrica l’unica regolazione possibile per il punto di lavoro consisteva nella
variazione coordinata degli angoli di attacco delle pale
della girante e del diffusore delle turbine.
In the "classic" solution (used for the previous revamping of the power plant in the 90's) a speed multiplier with straight angle transmission was installed
between Kaplan turbines and generators. Due to the
rotational speed imposed by the power network, the
only possible adjustment for the operating point was
the coordinated variation of the angles of attack of the
impeller blades and turbine diffuser. However this solution involves a less than optimum exploitation of the
turbine's efficiency curves (series of equal efficiency
With the new solution, the generators are directly coupled to the hydraulic turbine (without multiplying
gears, oil and loss of power) and the rotational speed
is coordinated at each moment to the angle of attack
of the impeller blades, according to the available head.
In this way the efficiency of the turbine - and of the
whole conversion chain - is set to the maximum levels
in any conditions of tide and water flow rate. Subsequently the productivity increases and the return on
investment time decreases.
Questa soluzione però comporta sempre uno sfruttamento
non ottimale del diagramma collinare della turbina (il diagramma collinare è l’insieme delle superfici iso-rendimento
nel piano portata-prevalenza della turbina).
Dal momento che nella catena di conversione turbina-generatore-trasformatore l’elemento determinante al fine del
rendimento complessivo è di gran lunga la turbina, segue
che con la soluzione classica il punto di lavoro ottimale
può essere sfruttato solo per intervalli modesti durante la
giornata.
In pratica nei sistemi a prevalenza variabile la soluzione
classica comporta un rilevante abbassamento della produttività. Nella nuova soluzione introdotta i generatori sono
accoppiati direttamente alla turbina idraulica (senza ingranaggi moltiplicatori, loro olio e potenza persa) e la velocità
di rotazione è coordinata istante per istante all’angolo di
attacco delle pale della girante in funzione della prevalenza
disponibile.
In questo modo il rendimento della turbina -e dell’intera
catena di conversione- viene portato ai massimi livelli in
qualsiasi condizione di marea e di portata d’acqua: di conseguenza la produttività aumenta e il tempo di ritorno
dell’investimento diminuisce.
I generatori a magneti permanenti sviluppati da ASI sono
stati cuciti su misura sui requisiti di coppia, velocità e sui
vincoli dettati dalle turbine: vista la disponibilità d’acqua
corrente sono stati raffreddati a fluido tramite un mantello
nel quale circola forzatamente lo stesso liquido che asporta
le perdite dei convertitori; lavorano ad asse inclinato ed
hanno il rotore forato per il passaggio dell’asta di controllo
angolo pale girante.
I generatori sono connessi ad inverter e la potenza convertita è gestita verso la rete tramite active front end. Nonostante la tensione nominale del sistema sia di soli 400V,
essendo basati su di un rotore a magneti permanenti e potenzialmente soggetti alla velocità di fuga della turbina,
sono stati dimensionati strutturalmente per 700 rpm ed
isolati per 1000V.
La configurazione elettromagnetica selezionata è basata su
una classica architettura a flusso radiale a rotore interno
con magneti superficiali e bietta di chiusura cava parzialmente magnetica.
La polarità selezionata per rispondere al meglio ai vincoli
dati è di 32 poli, che è un numero relativamente alto tenendo conto che hanno altezza d’asse di soli 800mm: però
grazie sia alla flessibilità della soluzione a magneti permanenti sia allo sforzo progettuale sviluppato il risultato finale
è comunque assialmente compatto (tanto che i generatori
stoccati di fianco a dei sincroni standard somigliano a bonsai degli stessi); il rendimento è superiore al 98%.
A causa della migliorata efficienza dei gruppi la potenza
elaborata dai generatori è superiore di ben un terzo rispetto
al valore precedente al revamping (da 197 kW a 305 kW);
per mantenere la promessa di impatto ambientale nullo sia
il fluido di raffreddamento sia il grasso lubrificante dei cuscinetti sono ecologici: anche in caso di guasto e fuoriuscita
non è prevista alcuna ricaduta ambientale.
Come tutte le altre centrali del Canale de Dottori, anche la
centrale di Monfalcone Porto oggetto del revamping è completamente telecomandata; le macchine sono state installate nel mese di Gennaio 2011 e iniziano la produzione a
Marzo 2011.
INNOVATION
4
5
Fabio Luise e Cristina Scorlini
The permanent-magnet generators developed by ASI
have been tailored to the torque and speed requirements and to the constraints imposed by the turbines:
due to the availability of flowing water, they have been
cooled with fluid through a casing in which the same
liquid used for removing leakages from the converter
is pushed.
They operate on a tilted axis and have a drilled rotor
allowing the passage of the impeller blade angle control rod.
The selected electromagnetic configuration is based on
a classic radial flow architecture and internal rotor
with superficial magnets and partially magnetic hollow closure key.
The polarity selected for the best response to given
constraints is 32 poles, that is a relatively high number,
considering that the axis height is only 800mm: however due to the flexibility given by the permanent magnet solution and to the developed design, the final
result is axially compact (so compact that the genera-
both the cooling fluid and the lubricant grease of the
bearings are ecological: even in case of failure and
spillage, no environmental damage is expected.
As for all other power stations of the Canale de Dottori, the Monfalcone Porto station subject to revamping is also completely remote controlled. The
machines were installed in January 2011 and production starts in March 2011.
Also other turbine manufacturers look with interest
to the variable-speed hydraulic solution, and in particular to the permanent magnet - direct coupling to
the turbine; this solution - although on a small scale
- aims to combine the past and future of a precious
resource.
Hydraulic turbines
Type
Flow rate for turbine
Maximum head
Minimum head
The generators are connected to inverters and the converted power is directed towards the network through
active front end. Although the system's nominal voltage is only 400V, being based on a permanent-magnet
rotor and potentially subject to the turbine's runaway
speed, it has been structurally dimensioned for a speed
of 700 rpm and isolated for 1000V.
tors stored beside the standard synchronous machines
seem a bonsai version) and efficiency exceeds 98%.
Due to the enhanced efficiency of the units, the generators output power exceeds the pre-vamping output
value by one third (from 197 kW to 305 kW); to
maintain the promise of zero environmental impact,
Anche altri turbinisti guardano con interesse alla soluzione idraulica a velocità variabile, ed in particolare
all’accoppiata magneti permanenti - accoppiamento
diretto alla turbina sviluppata, la quale -anche se su
piccola scala- ambisce a coniugare il passato ed il futuro di una risorsa preziosa.
Turbine idrauliche
Tipo
Portata per turbina
Generators
Type
Speed range
Nominal power
Torque
Cooling
Assembly type
Rated voltage
Number of poles
Rated efficiency
Sound pressure level
Overspeed
Insulation thermal class
Protection degree
GMP 800 V32
170 to 240 rpm
305 kW
quadratic with speed
IC 70W
IM 3091
435 V
32 (16 polar pairs)
98.2 %
65 dB(A)
700 rpm
F/B
IP44
Converters
Inverter
AFE
Voltage
Current
Cooling
Control algorithm
GT5W340
GT3W340
500 VAC / 675 VDC
510 A
water
sensorless
7.4 m3/s
Prevalenza massima
4.5 m
Prevalenza minima
3.2 m
Generatori
Tipo
GMP 800 V32
Campo di velocità
170..240 rpm
Potenza nominale
305 kW
Coppia
Kaplan, adjustable blades
7.4 m3/s
4.5 m
3.2 m
Kaplan a pale orientabili
quadratica con la velocità
Raffreddamento
IC 70W
Tipo di montaggio
IM 3091
Tensione nominale
435 V
Numero di poli
Rendimento nominale
32 (16 coppie polari)
98.2 %
Livello di pressione sonora
65 dB(A)
Sovravelocità
700 rpm
Classe termica di isolamento
Grado di protezione
F/B
IP44
Convertitori
Inverter
GT5W340
AFE
GT3W340
Tensione
500 VAC / 675 VDC
Corrente
510 A
Raffreddamento
acqua
Algoritmo di controllo
sensorless
INNOVATION
6
7