Генерування електроенергії у вітроелектроустановках

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГЕНЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ У ВІТРОЕЛЕКТРОУСТАНОВКАХ

Способи генерації електроенергії

Використання вітроустановок для виробництва електроенергії є найефективнішим способом утилізації енергії вітру. Ефективність перетворення механічної енергії в електричну в електрогенераторі складає зазвичай 95%, а втрати електричної енергії при передачі не перевищують 10%. Вимоги, що пред'являються при цьому, до частоти і напруги електроенергії, що виробляється, залежать від особливостей споживачів цієї енергії. Ці вимоги жорсткі при роботі вітроустановок у рамках єдиної енергосистеми і досить м'які при використанні енергії BEV наприклад в освітлювальних і нагрівальних установках.

Основними моментами, які мають бути розглянуті при виборі схем, пов'язаних з перетворенням енергії вітру в електричну енергію, є: вид електроенергії (змінна напруга змінної або постійної частоти або постійна напруга), що виробляється, частота обертання вітродвигуна (постійна, близька до постійної або змінна), характер використання електричної енергії (застосування акумуляторних батарей або акумуляції за допомогою інших способів, подача електроенергії в мережу змінного струму), що виробляється.

Безпосереднє вироблення постійного струму здійснюється нині практично тільки на малих ВЕУ потужністю не більше 10-20 кВт. В цьому випадку не потрібна постійна частота обертання вітродвигуна і зазвичай застосовуються акумуляторні батареї.

Акумуляція енергії вітру у формі тепла з метою подальшого його використання на місці може бути здійснена при застосуванні ВЕУ змінної напруги з частотою, що змінюється, або ВЕУ постійної напруги в комплексі з електричним тепловим акумулюючим пристроєм.

Очевидно, що частота обертання вітродвигуна в цьому випадку не обов'язково має бути постійною. Можливо також застосування випрямних пристроїв для отримання постійної напруги, яка може бути використана безпосередньо або ж після його інвертування в змінну напругу постійної частоти.

Великомасштабне отримання електричної енергії за рахунок використання енергії вітру повинне вироблятися у вигляді змінної напруги постійної частоти для можливості подання електроенергії в мережі існуючих енергосистем.

Інший підхід, який останнім часом привертає увагу, полягає в тому, щоб дати можливість вітродвигуну обертатися зі змінною оптимальною частотою, регульованою відповідно до зміни швидкості вітру і із застосуванням генеруючих систем, що забезпечують в цих умовах отримання змінної напруги постійної частоти, при якій електроенергія може бути подана в існуючі енергосистеми. Методи отримання змінної напруги постійної частоти при змінній частоті обертання валу приводу зводяться до двох великих груп диференціальних і недиференціальних.

Перші реалізуються в схемах з синхронними генераторами за допомогою механічних пристроїв, що забезпечують отримання постійної частоти обертання генераторів (редукторів зі змінним передатним відношенням, пристроїв з гідравлічною передачею потужності), а також за допомогою електричних пристроїв, компенсуючих зміну частоти обертання за допомогою живлення обмотки збудження напругою з частотою ковзання, рівній різниці частоти обертання ротора генератора і частоти напруги енергосистеми, на яку працює генератор.

Недиференціальні методи можуть бути реалізовані через статичні облаштування зміни частоти за схемою перетворення змінна напруга - постійна напруга - змінна напруга шляхом застосування пристроїв, що обертаються - колекторних генераторів змінного струму, циклоконверторів і перетворювачів частоти, перетворювачів з амплітудною модуляцією частоти. У останньому випадку може бути використана високочастотна або низькочастотна модуляція.

По роду струму електромеханічні перетворювачі енергії для вітроенергетичних установок розділяються на машини змінного і постійного струму. Машини змінного струму діляться на синхронні і асинхронні, а також на колекторні машини змінного струму.

У синхронних машинах кутова швидкість обертання ротора і кутова швидкість обертання магнітного поля статора рівні між собою. Частота генерованих в статорі ЕРС і струмів визначається швидкістю обертання ротора п і числом пар полюсів р його обмотки збудження:

(1)

У асинхронних машинах кутові швидкості і не рівні між собою, при цьому в генераторному режимі роботи . Частота генерованих ЕРС і струму в асинхронному генераторі і його ковзання s визначаються виразами:

(2)

(3)

Колекторні машини відрізняються від синхронних і асинхронних тим, що мають механічний перетворювач частоти і числа фаз - колектор, який сполучений з обмоткою статора або ротора. Машини постійного струму також мають на роторі колектор, що виконує функцію механічного випрямляча в генераторах.

Ротор електричної машини змінного струму може не мати обмоток збудження. У таких машинах магнітне поле збудження створюється постійними магнітами і вони називаються генераторами з постійними магнітами.

Явно виражені конструкції полюсів на статорі і роторі належать індукторним або параметричним машинам, в яких перетворення енергії здійснюється за рахунок періодичної зміни магнітного опору повітряного проміжку. Конструктивні виконання індукторних машин дуже різноманітні. Вони можуть мати два статори з розмішеною між ними обмоткою збудження і два ротори, або один статор і ротор з явно вираженими, так званими кігтьоподібними полюсами, при цьому обмотка збудження розташовується або на роторі, або в торцевих частинах статора.

Більшість названих типів електричних машин - синхронні, асинхронні, з постійними магнітами, індукторні - знаходять широке застосування в якості генераторів у вітроустановках. Перспективу мають також і генератори торцевого виконання, в яких статор і ротор виконуються у формі дисків і в яких перетворення енергії здійснюється в повітряному проміжку між цими дисками. вітроустановка електроенергія ротор генератор

Синхронні генератори

Принцип дії синхронного генератора розглянемо на двополюсній моделі синхронної машини (рис. 1). При вмиканні обмотки збудження на джерело постійного струму, вона створює магнітне поле. Оскільки це поле утворене постійним струмом, то воно нерухомо в просторі щодо полюсів ротора. На кожному полюсному поділу в повітряному проміжку індукція розподіляється за синусоїдальним законом (рис. 2).

Рисунок 1 - Модель двополюсної синхронної машини

Рисунок 2 - Розподіл магнітної індукції в повітряному проміжку

Якщо ротор не приведений в обертання, в обмотці якоря ЕРС не індукується. Коли ротор приводиться в обертання приводним двигуном (вітродвигуном), силові лінії поля збудження перетинають провідники обмотки якоря (статора) і індукують у них ЕРС. Діюче значення ЕРС фази обмотки якоря визначається виразом

(4)

де - число послідовно з'єднаних витків у фазі обмотки якоря; - частота ЕРС синхронного генератора, яка визначається формулою (1), Гц;- магнітний потік збудження на полюсному поділу, Вб; - обмотувальний коефіцієнт обмотки якоря.

Відповідно до приведеної залежності, значення ЕРС і, відповідно, вихідна напруга генератора залежить від двох факторів:

- значення магнітного потоку на полюсному поділку, що регулюється струмом збудження.

- частоти обертання ротора п.

Як правило, в генераторах загальнопромислового призначення частота вихідної напруги = 50 Гц, отже, у залежності від числа пар полюсів машини, частота обертання ротора повинна відповідати ряду:

Таким чином, в синхронних генераторах регулювати значення ЕРС обмотки якоря і відповідно, вихідну напругу можливо тільки зміною струму збудження. Напрямок обертання ротора повинен бути таким, щоб на затискачах обмотки якоря утворився прямий порядок зміни фаз А, В, С.

У синхронних машинах застосовують дві різні конструкції ротора: неявнополюсну - з неявно вираженими полюсами (рис. 3, а) і явнополюсну - з явно вираженими полюсами (рис. 3, б).

Дво- і чотириполюсні машини великої потужності, що працюють при частоті обертання ротора 1500 і 3000 об/хв, виготовляють, як правило, з неявнополюсним ротором. Застосування в них явнополюсного ротора неможливо за умов забезпечення необхідної механічної міцності кріплення полюсів і обмотки збудження.

Рисунок 3 - Ротори синхронних неявнополюсиої (а) і явнополюсної (6) машин: 1 - осердя ротора; 2 - обмотка збудження

Явнополюсний ротор зазвичай використовують в машинах з чотирма полюсами і більше (рис. 3). Обмотку збудження в цьому випалку виконують у вигляді циліндричних котушок прямокутного перерізу, які розміщують на сердечниках полюсів. У явнополюсних машинах полюсним наконечникам зазвичай надають такий профіль, щоб повітряний проміжок між полюсним наконечником і статором був мінімальним під серединою полюса і максимальним у його країв, завдяки чому крива розподілу індукції в повітряному проміжку наближається до синусоїди.

В процесі роботи навантаженого синхронного генератора в ньому одночасно діють МРС збудження F0 і статора (якоря) Fa, при цьому МРС статора впливає на МРС збудження, посилюючи або послабляючи поле збудження або ж спотворюючи його форму. Дія МРС обмотки статора на МРС обмотки збудження називається реакцією якоря. Реакція якоря впливає на робочі властивості синхронної машини, оскільки зміна магнітного поля в машині супроводжується зміною ЕРС, наведеною в обмотці статора, і отже, зміною ряду інших величин, пов'язаних з цією ЕРС. Вплив реакції якоря на роботу синхронної машини залежить від значення і характеру навантаження. Для з'ясування впливу реакції якоря на роботу синхронної машини доцільно розглянути випадки роботи генератора при навантаженнях граничного характеру, а саме: активного, індуктивного і ємнісного. Скористаємося для цього векторними діаграмами МРС. При побудові цих діаграм матимемо на увазі, що вектор ЕРС Fa, індукованою магнітним потоком збудження в обмотці статора, відстає по фазі від вектору цього потоку (а отже, і вектору МРС ) на 90°. Що ж до вектору струму в обмотці статора , то він може займати по відношенню до вектору Е0 різні положення, визначувані кутом ш, залежно від виду навантаження.

Активне навантаження (ш = 0)

На рис. 4, а представлені статор і ротор двополюсного генератора. На статорі показана частина фазної обмотки. Ротор явнополюсний, обертається проти руху годинникової стрілки. Припустимо, що у деякий момент часу ротор займає вертикальне положення, що відповідає максимуму ЕРС у фазній обмотці. Оскільки струм при активному навантаженні співпадає по фазі з ЕРС, то вказане положення ротора відповідає також і максимуму струму. Зобразивши лінії магнітної індукції поля збудження (ротора) і лінії магнітної індукції поля обмотки статора, бачимо, що МРС статора спрямована перпендикулярно МРС збудження . Цей висновок також підтверджується векторною діаграмою, побудованою для цього ж випадку. Порядок побудови цієї діаграми наступний: відповідно до просторового положення ротора генератора проводимо вектор МРС збудження ; під кутом 90° до цього вектору у бік відставання проводимо вектор ЕРС , наведеною магнітним полем збудження в обмотці статора; при підключенні чисто активного навантаження струм в обмотці статора співпадає по фазі з вектором ЕРС .

Рисунок 4 - Реакція якоря синхронного генератора при активному (а), індуктивному (б) і ємнісному (в) навантаженнях

Рисунок 5 - Магнітне поле синхронного генератора при активному навантаженні

Така дія МРС статора (якоря) на МРС збудження викличе спотворення результуючого поля машини: магнітне поле машини ослабляється під набігаючим краєм полюса і посилюється під збігаючим краєм полюса (рис. 5). Внаслідок насичення магнітного кола результуюче магнітне поле машини дещо послаблюється.

Пояснюється це тим, що розмагнічування набігаючих країв полюсних наконечників і ділянок зубцевого шару статора, що знаходяться над ними, відбувається безперешкодно, а підмагнічування збігаючих країв полюсних наконечників і ділянок зубцевого шару статора, що знаходяться над ними, обмежується магнітним насиченням цих елементів магнітного кола. У результаті результуючий магнітний потік машини послаблюється, тобто магнітна система дещо розмагнічується. Це призводе до зменшення ЕРС машини .

Індуктивна потужність ().

При чисто індуктивному навантаженні генератора струм статора відстає по фазі від ЕРС на 90°. Тому він досягає максимального значення лише після повороту ротора вперед на 90° відносно його положення, згідно максимуму ЕРС (див. рис. 4, б). При цьому МРС діє уздовж осі полюсів ротора зустрічно МРС збудження . У цьому ми також переконуємося, побудувавши векторну діаграму.

Така дія МРС статора послаблює поле машини. Отже, реакція якоря в синхронному генераторі при чисто індуктивному навантаженні виявляє подовжньо-розмагнічуючу дію.

На відміну від реакції якоря при активному навантаженні в даному випадку магнітне поле не спотворюється.

Ємнісне навантаження ().

Оскільки струм , при ємнісному навантаженні випереджає по фазі ЕРС на 90°, то свого більшого значення він досягає раніше, ніж ЕРС, тобто коли ротор займе положення, показане на рис. 4, в. Магніторушійна сила статоратак само, як і у попередньому випадку, діє по осі полюсів, але тепер уже згідно з МРС збудження .

При цьому відбувається посилення магнітного поля збудження. Таким чином, при чисто ємнісному навантаженні синхронного генератора реакція якоря чинить дію, що подовжньо-намагнічує. Магнітне поле при цьому не спотворюється.

Змішане навантаження.

При змішаному навантаженні синхронного генератора струм статора зрушений по фазі відносно ЕРС на кут, значення якого знаходяться в межах . Для оцінки впливу реакції якоря при змішаному навантаженні скористаємося діаграмами МРС, представленими на рис. 6.

При активно-індуктивному навантаженні (рис. 5.6, а) вектор відстає від вектору на кут Розкладемо вектор на складові: поздовжню складову МРС статора, (пропорційну реактивній складовій струму навантаження ) і поперечну складову МРС статора (пропорційну активній складовій струму навантаження ). Таке ж розкладання МРС якоря на складові можна зробити у разі активно-ємнісного навантаження (рис. 6, б). При цьому якщо реактивна складова струму навантаження відстає по фазі від ЕРС (навантаження активно- індуктивне), то МРС розмагнічує генератор, якщо ж реактивна складова струму випереджає по фазі ЕРС (навантаження активно-ємнісне), то МРС підмагнічуе генератор.

Рисунок 6 - Реакція якоря при змішаному навантаженні

Магніторушійні сили реакції якоря по подовжнійі поперечній осям створюють в магиітопроводі синхронної машини магнітні потоки реакції якоря. Основні гармоніки цих потоків:

- по подовжній осі

(5)

- по поперечній осі

(6)

де і - магнітні опори синхронної машини потокам основної гармоніки по подовжній і поперечній осям.

У неявнополюсній машині повітряний проміжок по периметру розточування статора рівномірний, а тому магнітні опори по подовжній і поперечній осям рівні ().

Магнітні потоки реакції якоря, зчіплюючись з обмоткою статора, наводять в цій обмотці ЕРС реакції якоря:

- по подовжній осі

(7)

- по поперечній осі

(8)

де- індуктивний опір реакції якоря, що є головним індуктивним опором обмотки статора (Ом).

У явнополюсних синхронних машинах магнітні опори машини потокам основної гармоніки по подовжній і поперечній осям не однакові ():

(9)

(10)

де - магнітний опір при рівномірному повілряному проміжку по усьому периметру розточування статора; і - коефіцієнти форми поля.

Ця обставина впливає на значення магнітних потоків реакції якоря, а отже, і на ЕРС реакції якоря:

(11)

(12)

де і - індуктивні опори реакції якоря явнополюсної машини відповідно по подовжній і по поперечній осям.

Напруга на виводах генератора, працюючого з навантаженням, відрізняється від напруги цього генератора в режимі холостого ходу. Це пояснюється впливом ряду причин: реакцією якоря, магнітним потоком розсіювання, падінням напруги в активному опорі обмотки статора.

При роботі навантаженої синхронної машини в ній виникає декілька МРС, які, взаємодіючи, створюють результуючий магнітний потік. Проте при обліку чинників, що впливають на напругу синхронного генератора, умовно виходять з припущення незалежної дії усіх МРС генератора, тобто передбачається, що кожна з МРС створює власний магнітний потік. Слід зазначити, що таке представлення не відповідає фізичній суті явищ, оскільки в одній магнітній системі виникає один лише магнітний потік - результуючий. Але в даному випадку припущення незалежності магнітних потоків дає можливість краще зрозуміти вплив усіх чинників на роботу синхронної машини.

Отже з'ясуємо, який же вплив магніторушійних сил на роботу явнополюсного синхронного генератора.

1. МРС обмотки збудження , створює, магнітний потік збудження Ф0, який, зчіплюючись з обмоткою статора, наводить в ній основну ЕРС генератора .

2. МРС реакції якоря по подовжній осі створює магнітний потік, який наводить в обмотці статора ЕРС реакції якоря (11).

3. МРС реакції якоря по поперечній осі створює магнітний потік, який наводить в обмотці статора ЕРС (12).

4. Магнітний потік розсіювання обмотки статора наводить в обмотці статора ЕРС розсіювання , значення якої пропорційне індуктивному опору розсіювання фази обмотки статора .

(13)

5. Струм в обмотці статора створює активне падіння напруги в активному опорі фази обмотки статора :

(14)

Геометрична сума усіх перерахованих ЕРС, наведених в обмотці статора, визначає напругу на виході синхронного генератора:

(15)

де - геометрична сума усіх ЕРС, наведених в обмотці статора результуючим магнітним полем машини, утвореним спільною дією усіх МРС () і потоком розсіяння статора .

Активний опір фази обмотки статора у синхронних машин середньої і великої потужності невеликий, і тому навіть при номінальному навантаженні падіння напруги складає настільки малу величину, що з деяким допущенням можна прийняти . Тоді рівняння (15) можна записати у вигляді

(16)

Вирази (15) і (16) представляють собою рівняння напруг явнополюсного синхронного генератора.

У неявнополюсних синхронних генераторах реакція якоря характеризується повною МРС статора без розділення її по осях, оскільки в цих машинах магнітні опори по подовжній і поперечній осям однакові. Тому ЕРС статора в неявнополюсних машинах , рівна індуктивному падінню напруги в обмотці статора, пропорційна індуктивному опору реакції якоря , тобто

(17)

Потік реакції якоря і потік розсіяння статора створюються одним струмом , тому індуктивні опори і можна розглядати як сумарний індуктивний опір

(18)

що представляє собою синхронний опір неявнополюсної машини. З урахуванням цього ЕРС реакції якоря і ЕРС розсіяння слід розглядати також як суму

(19)

що представляє собою синхронну ЕРС неявнополюсної машини. З урахуванням викладеного рівняння напруги неявнополюсного синхронного генератора має вигляд

(20) або

(21)

Для побудови векторної діаграми явнополюсного синхронного генератора, працюючого на активно-індуктивне навантаження (струм відстає по фазі від ЕРС ), скористаємося рівнянням ЕРС (3.15). Векторну діаграму будують на підставі наступних даних: ЕРС генератора в режимі х.х. ; струму навантаження , і його кута зрушення , відносно ЕРС ; подовжнього і поперечного індуктивних опорів реакції якоря; активного опору фазної обмотки статора . При симетричному навантаженні генератора діаграму будують лише для однієї фази.

Розглянемо порядок побудови векторної діаграми (рис 7, а). У довільному напрямі відкладаємо вектор ЕРС і під кутом до нього - вектор струму . Останній розкладемо на складові: реактивну , і активну . Далі, з кінця вектору відкладаємо вектори ЕРС , , і . З'єднав кінець вектору з точкою 0, отримаємо вектор напруги , значення якого рівне геометричній сумі векторів ЕРС (15).

Рисунок 7 - Векторні діаграми явнополюсиого (а і б) та неявнополюсного (в і г) синхронних генераторів: а і в - при активно-індуктивному навантаженні; б і г - при активно-ємнісному навантаженні

При побудові векторної діаграми генератора, працюючого на активно-ємнісне навантаження (струм випереджає по фазі ЕРС ), вектор струму , відкладають ліворуч від вектору ЕРС (рис. 7, б), а напрям вектору встановлюють згідно з напрямом вектору ЕРС , оскільки при ємнісному характері навантаження реакція якоря має підмагнічуючий характер. У іншому випадку порядок побудови діаграми залишається тим самим.

Векторну діаграму синхронного неявнополюсного генератора будують на підставі рівняння (20), при цьому вектор відкладають під кутом до вектору струму (рис. 7, в).

Слід зазначити, що побудовані векторні діаграми не враховують насичення магнітного кола, тому відображають лише якісну сторону явищ. Але проте ці діаграми дають можливість зробити наступні висновки; основним чинником, що впливає на зміну напруги навантаженого генератора, є подовжня складова магнітного потоку якоря, що створює ЕРС ; при роботі генератора на активно-індуктивне навантаження, тобто із струмом , що відстає по фазі від ЕРС, напруга на виводах обмотки статора, зі збільшенням навантаження зменшується, що пояснюється розмагнічуючим впливом реакції якоря. При роботі генератора на активно-ємнісне навантаження (із струмом , що випереджає по фазі ЕРС ) напруга зі збільшенням навантаження підвищується, що пояснюється підмагнічуючим впливом реакції якоря (рис. 7, г).

Основними характеристиками синхронних генераторів, працюючих на автономне навантаження, є зовнішні і регулювальні характеристики.

Зовнішні характеристики СГ є залежностями напруги U від струму навантаження І при незмінному струмі збудження; в частоті обертання ротора п і коефіцієнті потужності навантаження cos ц.

Регулювальні характеристики є залежностями струму збудження від струму навантаження І при U, п і . Вони показують, як треба змінювати струм збудження генератора, щоб підтримувати напругу постійною при зміні навантаження. Ці характеристики при різних за характером навантаженнях, але при незмінних значеннях cos ц приведені на рис. 8.

При холостому ході напруга на затискачах генератора дорівнює ЕРС холостого ходу, тобто . Характер зміни напруги при включенні навантаження визначається в основному дією реакції якоря. Якщо зовнішнє навантаження чисто активне (), то реакція якоря є переважно поперечною і її розмагнічуюча дія невелика. Зовнішня характеристика має слабкий нахил до осі (рис. 8, крива 2). При змішаному активно-індуктивному навантаженні (cosц>0) розмагнічуюча дія подовжньої реакції якоря проявляється сильніше і зовнішня характеристика (рис. 8, а, крива 3) йде нижче, ніж при активному навантаженні. У цих випадках для підтримки напруги незмінний струм збудження має бути збільшений (рис. 8, б, криві 2 і 3).

Рисунок 8 - Зовнішні (а) і регулювальні (6) характеристики синхронного генератора

Якщо навантаження генератора активно-ємнісне (), реакція якоря чинить підмагніуючу дію і зі збільшенням струму якоря до певного значення напруга на затисках якоря підвищується (рис. 8, а, крива 1), а струм збудження для'підтримки необхідно зменшувати (рис. 5.8, б, крива 1).

При експлуатації генераторів в реальних умовах стабілізація напруги здійснюється регуляторами збудження, які впливають на величину магнітного потоку, а, отже, і на ЕРС за рахунок збільшення (при активно-індуктивному навантаженні) струму збудження ротора.

Размещено на Allbest.ru