Regulace vodních elektráren z historického hlediska

Kdysi v dávných dobách (před rokem 1900), když ještě neexistovala hlavní rozvodná síť a svítilo se petrolejovými lampami, neboť elektrifikace byla teprve v plenkách, byly téměř jediným výrobcem elektrické energie mlynáři, pilaři a hamristé. Mlynáři využívali vodní motory (nejprve vodní kola a následně turbíny) v kombinaci s dynamem. Získanou elektrickou energii využívali pro vlastní potřebu, nejčastěji ke svícení.

Postupem času s rozvojem elektrotechniky se celý systém stával důmyslnější. Namísto dynama se začaly využívat alternátory a generátory díky kterým bylo možné dosáhnout vyšších výkonů. S rostoucím výkonem bylo možné připojit i další sousedy, a tak se začala pomalu budovat a rozšiřovat lokální distribuční síť.

V tuto chvíli však nastal problém, jak plynule a bezpečně regulovat dodávaný výkon alternátoru (generátoru) v době odlehčení. S nedostatečnou regulací vodního motoru hrozilo, že v době, kdy nebyl tak velký odběr, by došlo ke zvýšení otáček alternátoru (generátoru).

Následkem by bylo zvýšení frekvence a napětí, což by mohlo poškodit veškeré elektrické zařízení napájené z alternátoru (generátoru). Naopak v případě přetížení by vlivem nedostatečné regulace mohlo dojít až k zastavení stroje a zničení alternátoru (generátoru), protože v momentě, kdy je generátor přetěžován, začne zpomalovat.

Z tohoto důvodu vznikla lineární regulace pro vodní turbíny. Průkopníkem v oblasti regulace vodních motorů používaných k výrobě elektrické energie byla Rakouská firma Woith. Poté následovala Pardubická strojírna a továrna na vodní motory Prokop a synové.

Společnost Josefa Prokopa začala vyrábět vzduchokapalinové regulátory, které se využívali hlavně v Rakousko-Uhersku a následně v Československu. Takový regulátor byl velice sofistikovaným zařízením, jeho údržba byla složitá a vyžadovala dobře proškolený a zkušený personál.

Pojďme si nyní celý systém detailněji přiblížit. Každá vodní turbína obsahuje regulační ústrojí, které je v těsné blízkosti oběžného kola. Úkolem tohoto soustrojí je naklápění lopatek za účelem regulace průtoku vody a výkonu stroje (turbíny).

Regulaci lopatek zajišťují dvě táhla ukotvená na otočné hřídeli. Hřídel je vyvedena do strojovny a napojená na zmíněný vzduchokapalinový regulátor, který je dále propojen pomocí řemenů s hlavní hřídelí turbíny s určitým převodovým stupněm (pokud je instalován). Do strojovny je vyvedená také hlavní hřídel turbíny, ke které je buď na přímo anebo přes převod připojený generátor.

Jak tedy celé zařízení fungovalo?

V jádru olejového regulátoru byla umístěná spojka (podobná jako u automobilu), přítlačný píst, kompresor, Wattův odstředivý regulátor, a ve spodní části regulátoru bylo olejové čerpadlo pro mazání jednotlivých komponent celého soustrojí (turbíny, generátoru i regulátoru).

Před spuštěním turbíny se rozváděcí lopatky uzavřeli pákou v dolní části regulátoru, přičemž došlo také k vyřazení olejového regulátoru z provozu a k přerušení provozu kompresoru uvnitř regulátoru. Po zaplavení kašny vodou se kolečkem v horní části regulátoru pootevřely lopatky stroje a turbína se začala pomalu rozbíhat.

Pokud turbína dosáhla požadovaných otáček k zajištění dostatečné funkce kompresoru (tedy bylo dosaženo potřebného tlaku ve vzdušníku), tak se ručně přepnula páka v dolní části regulátoru do výchozí polohy. V tu chvíli se do pístu spojky dostal stlačený vzduch a došlo tak k přiblížení lamel ve spojce.

Olejová lázeň umožňovala prokluz, který byl potřebný pro vymezení pohybu regulační hřídele, která se otáčela pouze o 60°. Pokud se tedy lamely spojky od sebe vzdalovali, byla síla na regulační hřídel menší a v případě, že se lamely přibližovaly, tak byla síla na hřídel větší. Automatický zpětný chod zajišťoval vzduchový píst v momentě, kdy turbína dosáhla požadovaných otáček pro pohon generátoru.

Pokud se z důvodu odlehčení generátoru otáčky zvýšily, došlo i k rychlejšímu otáčení hlavice regulátoru a vlivem toho došlo k oddálení lamel spojky, čímž se zmenšila síla proti vzduchovému pístu a regulační lopatky turbíny se přivřely. Tento systém fungoval i obráceně. V případě, že se otáčky zmenšily pod nastavenou mez, tak regulační hlavice zmenšila mezeru a zvětšila tlak na lamely, které se přiblížily a došlo tak k otevření lopatek.

Pokud bylo potřeba turbínu odstavit, tak se opět nejprve odpojila pohonná hřídel regulátoru, došlo k zavření lopatek a k následnému zastavení stroje. Po úplném odstavení turbíny bylo potřeba umístit ventil opět do výchozí polohy, aby bylo celé zařízení připravené k dalšímu provozu.

Olejový regulátor byl na svou dobu velice propracovaným zařízením a umožňoval plynulý chod a regulaci vodní turbíny.

V dnešní době jsou olejové regulátory nahrazeny polovodičovými automaty v kombinaci s hydraulikou. Natáčení lopatek pak řeší pouze dvojčinná pístnice poháněná hydraulickým agregátem, který je řízen elektronicky. Dodnes je možné vidět pár kusů vzducho-kapalinových regulátorů v provozu některých vodních elektráren, ale to už se jedná opravdu o technickou památku.