Генерация электричества при помощи асинхронного генератора

Закон индукции  закон Фарадея

В своей основе электрические машины являются  преобразователями энергии. Они преобразуют механическую энергию, например, энергию вращения ротора турбины в электрическую энергию. Электрические машины могут различаться по типу потребления энергии и их принципам конструирования.

Основной  закон  любой электрической машины  — закон индукции.

Закон индукции гласит, что в металлическом контуре, который находится в меняющемся  магнитном поле, возникает  электрический ток, напряжение индукции. Напряжение индукции заставляет электрический ток перетекать в этот контур.

Необходимым условием индукции является  смена со временем магнитного потока, т.е. магнитное поле со временем меняется. Например, изменение магнитного потока может быть достигнуто движением контура.

Кроме закона индукции, для функционирования электрических машин также важна сила на электрическом проводнике в магнитном поле. Эта сила, которая является перпендикулярной к проводнику, является основой для силы или крутящего момента электрической машины и называется электромагнитной или силой Лоренца. Единственное необходимое условие, что проводник проводит электрический ток.

Эффект генератора основывается на законе индукции; эффект двигателя основывается на силе Лоренца на токонесущий проводник в магнитном поле.

Использую принципы электромагнитной силы или силы Лоренца для строительства электродвигателя, самым простым способом будет использования постоянного магнита, ротора, катушки и статора. Когда напряжение  подается в катушку статора и ток перетекает в нее, сила воздействует на ротор, приводя его в движение, т.е. осуществляется вращение.

Асинхронный генератор трехфазного тока с короткозамкнутым ротором

В наше время, электрическая энергия генерируется, передается, и переходит к потребителю в форме трехфазного тока. Причины тому сохранение проводникового материала, легкость проектирования  и доступность двух уровней напряжения.

Трехфазная система состоит из трех синусоидальных напряжений, имеющих одинаковую частоту и уровень напряжения, но при сдвиге 120°.

Если трехфазная система соединена с тремя катушками, установленными под углом  120°  друг к другу,  эти катушки будут вызывать вращение магнитного поля.

Трехфазный асинхронный генератор в основном состоит из ротора и статора.

Статор состоит из трех катушек, установленных под углом смещения 120°. Таким образом, каждая катушка или обмотка имеет два магнитных полюс. Это называется двуполярной машиной.

Обычно, современные асинхронные генераторы имеют четыре полюса. Это означает, что статор состоит из шести обмоток, установленных под углом смещения  60°.

На сегодняшний день,  в качестве ротора современных стандартных асинхронных генераторов используют короткозамкнутый ротор. Он сделан из электропроводимых металлических пластин, которые соединены между собой на концах, т.е. они закорочены. Таким образом, ротор имеет форму клетки.

Количество полюсов определяет синхронную скорость n1 электромашины как функцию частоты  сети f:

Где  f= 50Hz  и вышеуказанный генератор, полюса = 4, составляет:

n1= 1,500об/мин.

Когда поступает трехфазный ток, каждая катушка заставляет вращаться два магнитных поля     с частотой трехфазной системы. Магнитное поле статора вызывает напряжение в роторе и в результате возникает ток. Сила Лоренца действует на пластины ротора, вызывая вращающий момент с тем же направлением, как и вращающееся поле. Асинхронная машина действует как двигатель.

Асинхронная машина названа так потому, что она никогда не работает на синхронной скорости. Разница между синхронной скоростью n1и данной скоростью nмашины называется сдвиг  sи измеряется в %:

Эксплуатационная характеристика асинхронной машины управляется вращающим моментом M, зависящим от скорости n. Эта зависимость отражается в кривой зависимости скорости от вращающего момента.

Из этой кривой видно, что асинхронная машина может работать как на субсинхронной, так и на сверсинхронной скорости.

Соотношение: (пример для четырехполярной машины)

•       Субсинхронная работа: сдвиг s > 0 – работа двигателя, nN= 1,480об/мин

•       Сверхсинхронная работа: сдвиг s < 0 – работа генератора, nN= 1,515об/мин

Принцип работы асинхронного генератора двойного питания

У асинхронного генератора двойного питания такой же статор, как и у стандартного асинхронного генератора, однако вместо обычного ротора используется фазный ротор. Обмотки фазного ротора соединены с  распределительной коробкой при помощи токособирательных колец ротора и карбоновых щеток. Таким образом, обмотки ротора могут быть доступны снаружи.

Становится возможным использование отдельного питание обмоток ротора и статора  (двойное питание). Ротор не присоединен прямо к сети, он питается через инвертор. При использовании инвертора питание ротора может быть контролировано.

Принципы асинхронного генератора двойного питания так же как система с меняющимися скоростями  применяются   ВЭУ. Это позволило использовать характерные принципы асинхронной машины двойного питания с отдельным питанием статора и ротора от двух трехфазных систем, независимых друг от друга.

С применением основного принципа асинхронных генераторов с прямым соединением к линии части генерируемой мощности, мощность скольжения не используется. Эта неиспользуемая мощность, генерируемая в роторе, но не передаваемая,  становится доступной для применения в сети через асинхронный генератор двойного питания. Также питание ротора возможно из сети через инвертор. Таким образом,  инвертор будет контролировать ток в роторе и будет возможно регулировать активную и реактивную мощность,  а также при желании коэффициент мощности (cosϕ).

Контроль коэффициента мощности осуществляется благодаря накладыванию частоты ротора и рабочей частоты инвертора. Полученная частота, поступившая в сеть, оставляет константу неизменной по отношению к скорости ротора. Это означает, что скорость ротора может меняться в диапазоне ± 30%. Таким образом, может быть использована скорость, максимально зависимая от мощности ВЭУ при изменении скоростей ветра.

Инвертор находится между ротором и точкой присоединения к сети. Статор непосредственно соединен с сетью. По этой причине  только часть мощности  передается через инвертор (около 35%) и  инвертор не должен быть рассчитан для всей мощности генератора. Таким образом, достигается снижение затрат, в сравнении с системами прямого инвертора и синхронного генератора.

Асинхронный генератор двойного питания сочетает в себе преимущества синхронной и асинхронной машины.

Это:

  • Работа на разных скоростях,
  • Раздельный контроль активной и реактивной мощности.

Используя принцип двойного питания, генератор может непрерывно управляться как при субсинхронной, так и при сверхсинхронной скорости.

Соединение:

  • Субсинхронная работа: сдвиг > 0 – работа двигателя и генератора (потребление реактивной мощности)

Сверхсинхронная работа: сдвиг < 0 – работа двигателя и генератора (выделение реактивной мощности)

Преимуществаинедостаткидвухсистем

При сравнении потока энергии двух систем преимущество асинхронного генератора двойного питания по отношению к конвертированной мощности становится очевидным.

Благодаря своему дизайну, трехфазный асинхронный генератор является надежным и требует минимального обслуживания. Это большое преимущество этой технологии. Кроме того, это стандартно производимый доступный и дешевый двигатель или генератор.

Асинхронный генератор двойного питания имеет большое количество технических преимуществ в сравнении со стандартной асинхронной машиной. Однако при планировании системы необходимо учитывать высокую стоимость генератора и инвертора.

Использование асинхронного генератора двойного питания в ВЭУ большой мощности   является компромиссом с экономической и технической точки зрения. Асинхронные генераторы двойного питания уже использовались на различных ВЭС. И этот опыт работы может быть использован в других проектах.

Оцените статью
Добавить комментарий