Электрическая машина с двойной подачей
Электрические машины с двойным питанием , также генераторы с контактными кольцами , представляют собой электродвигатели или электрические генераторы , в которых как обмотки магнита возбуждения , так и обмотки якоря отдельно подключены к оборудованию вне машины.
Подавая переменный ток регулируемой частоты на обмотки возбуждения , магнитное поле можно заставить вращаться, позволяя изменять скорость двигателя или генератора. Это полезно, например, для генераторов, используемых в ветряных турбинах . [1] Кроме того, ветряные турбины на базе DFIG позволяют управлять активной и реактивной мощностью . [2] [3]
Введение
[ редактировать ]
Электрические генераторы с двойным питанием аналогичны переменного тока электрическим генераторам , но имеют дополнительные функции, которые позволяют им работать на скоростях, немного превышающих или ниже их естественной синхронной скорости. Это полезно для больших ветряных турбин с регулируемой скоростью , поскольку скорость ветра может внезапно измениться. Когда порыв ветра попадает в ветряную турбину, лопасти пытаются ускориться, но синхронный генератор привязан к скорости электросети и не может ускориться. Столь большие силы возникают в ступице, коробке передач и генераторе, когда энергосистема отталкивается назад. Это приводит к износу и повреждению механизма. Если турбине позволить сразу же увеличить скорость при ударе порыва ветра, напряжения будут ниже, а энергия порыва ветра все равно преобразуется в полезную электроэнергию.
Один из подходов к изменению скорости ветряной турбины заключается в том, чтобы принять любую частоту, вырабатываемую генератором, преобразовать ее в постоянный ток, а затем преобразовать в переменный ток желаемой выходной частоты с помощью инвертора . Это обычное явление для небольших домашних и фермерских ветряных турбин. Но инверторы, необходимые для ветряных турбин мегаваттной мощности, большие и дорогие.
Генераторы с двойным питанием являются еще одним решением этой проблемы. Вместо обычной обмотки возбуждения, питаемой постоянным током, и обмотки якоря , куда выходит генерируемое электричество, имеются две трехфазные обмотки, одна стационарная и одна вращающаяся, обе отдельно подключенные к оборудованию вне генератора. термин «двойная подача» Таким образом, для машин такого типа используется .
Одна обмотка напрямую подключена к выходу и вырабатывает трехфазный переменный ток желаемой частоты сети. Другая обмотка (традиционно называемая полевой, но здесь обе обмотки могут быть выходными) подключена к трехфазному источнику переменного тока переменной частоты. Эта входная мощность регулируется по частоте и фазе, чтобы компенсировать изменения скорости турбины. [4]
Для регулировки частоты и фазы требуется преобразователь переменного тока в постоянный. Обычно он изготавливается из очень больших полупроводников IGBT . Преобразователь является двунаправленным и может передавать мощность в любом направлении. Мощность может течь как из этой обмотки, так и из выходной обмотки. [5]
История
[ редактировать ]Его происхождение связано с асинхронными двигателями с фазным ротором и многофазными обмотками на роторе и статоре соответственно, которые были изобретены Николой Теслой в 1888 году. [6] Комплект обмоток ротора электрической машины с двойным питанием соединен с набором резисторов через многофазные контактные кольца для запуска. Однако мощность скольжения терялась в резисторах. Таким образом, были разработаны средства повышения эффективности работы с регулируемой скоростью за счет восстановления мощности скольжения. В приводах Кремера (или Кремера) ротор был подключен к машине переменного и постоянного тока, которая питала машину постоянного тока, подключенную к валу машины с контактными кольцами. [7] Таким образом, мощность скольжения возвращалась в виде механической энергии, и приводом можно было управлять с помощью токов возбуждения машин постоянного тока. Недостаток привода Кремера заключается в том, что машины должны иметь завышенные размеры, чтобы справиться с дополнительной циркуляционной мощностью. Этот недостаток был исправлен в приводе Шербиуса , в котором мощность скольжения передается обратно в сеть переменного тока двигателями-генераторами. [8] [9]
Вращающееся оборудование, используемое для питания ротора, было тяжелым и дорогим. Усовершенствованием в этом отношении стал статический привод Шербиуса, в котором ротор был соединен с выпрямительно-инверторной установкой, построенной сначала на ртутно-дуговых устройствах, а затем на полупроводниковых диодах и тиристорах. В схемах с выпрямителем поток мощности был возможен только вне ротора из-за неуправляемого выпрямителя. Причём возможна была только субсинхронная работа в качестве двигателя.
Другая концепция использования статического преобразователя частоты включала циклоконвертер, подключенный между ротором и сетью переменного тока. Циклоконвертер может подавать мощность в обоих направлениях, поэтому машина может работать как на суб-, так и на сверхсинхронной скорости. Большие машины с двойным питанием, управляемые циклоконвертерами, использовались для запуска однофазных генераторов, питающих 16 + 2 ⁄ 3 Гц в Европе. Железнодорожная сеть [10] Машины с циклоконвертерами также могут запускать турбины гидроаккумулирующих электростанций. [11]
Сегодня преобразователь частоты, используемый в устройствах мощностью до нескольких десятков мегаватт, состоит из двух последовательно соединенных IGBT инверторов .
Также было разработано несколько бесщеточных концепций, позволяющих избавиться от контактных колец, требующих обслуживания.
Асинхронный генератор с двойным питанием
[ редактировать ]Асинхронный генератор с двойным питанием (DFIG) — принцип генерации, широко используемый в ветряных турбинах . В его основе лежит асинхронный генератор с многофазным ротором и многофазным контактным кольцом со щетками для доступа к обмоткам ротора. Можно избежать сборки многофазных контактных колец, но возникают проблемы с эффективностью, стоимостью и размером. Лучшей альтернативой является бесщеточная электрическая машина с фазным ротором и двойным питанием. [12]
Принцип DFIG заключается в том, что обмотки статора подключены к сети, а обмотка ротора подключена к преобразователю через контактные кольца и преобразователь источника встречного напряжения , который управляет токами как ротора, так и сети. При этом ротора частота может свободно отличаться от частоты сети (50 или 60 Гц). Используя преобразователь для управления токами ротора, можно регулировать активную и реактивную мощность, подаваемую в сеть от статора, независимо от скорости вращения генератора. Используемым принципом управления является либо двухосное векторное управление током , либо прямое управление крутящим моментом (DTC). [13] DTC оказался более стабильным, чем управление вектором тока, особенно когда от генератора требуются высокие реактивные токи. [14]
Роторы генератора с двойным питанием обычно наматываются с числом витков, в 2–3 раза превышающим количество витков статора. Это означает, что напряжения ротора будут выше, а токи соответственно ниже. Таким образом, в типичном диапазоне рабочих скоростей ±30% от синхронной скорости номинальный ток преобразователя соответственно ниже, что приводит к снижению стоимости преобразователя. Недостаток заключается в том, что управляемая работа за пределами рабочего диапазона скоростей невозможна из-за напряжения ротора, превышающего номинальное. Кроме того, также будут увеличиваться переходные процессы напряжения из-за помех в сети (особенно трех- и двухфазных провалов напряжения). Чтобы предотвратить разрушение биполярных транзисторов с изолированным затвором и диодов преобразователя высоким напряжением ротора (и высокими токами, возникающими в результате этих напряжений), схема защиты (называемая ломом ). используется [15]
Лом закоротит обмотки ротора через небольшое сопротивление при обнаружении чрезмерных токов или напряжений. Чтобы иметь возможность продолжить операцию как можно быстрее, активный лом [16] должен быть использован. Активный лом может контролируемым образом устранить короткое замыкание ротора, и, таким образом, преобразователь на стороне ротора может быть запущен только через 20–60 мс после начала нарушения в сети, когда остаточное напряжение остается выше 15% от номинального напряжения. Таким образом, можно генерировать реактивный ток в сети во время остальной части падения напряжения и таким образом помочь сети восстановиться после повреждения. нулевого напряжения При прохождении обычно приходится ждать, пока провал не закончится, поскольку в противном случае невозможно узнать фазовый угол, в который следует подавать реактивный ток. [17]
Подводя итог, можно сказать, что асинхронная машина с двойным питанием представляет собой электрическую машину с двойным питанием с фазным ротором и имеет ряд преимуществ перед обычной асинхронной машиной в ветроэнергетических установках. Во-первых, поскольку цепь ротора управляется преобразователем силовой электроники, асинхронный генератор может как импортировать, так и экспортировать реактивную мощность . Это имеет важные последствия для стабильности энергосистемы и позволяет машине поддерживать сеть во время серьезных нарушений напряжения ( проезд при низком напряжении ; LVRT). [15] Во-вторых, контроль напряжений и токов ротора позволяет асинхронной машине оставаться синхронизированной с сетью при изменении скорости ветряной турбины. Ветряная турбина с регулируемой скоростью использует доступный ветровой ресурс более эффективно, чем ветряная турбина с фиксированной скоростью, особенно в условиях слабого ветра. В-третьих, стоимость преобразователя невелика по сравнению с другими решениями с регулируемой скоростью, поскольку только часть механической мощности, обычно 25–30%, подается в сеть через преобразователь, а остальная часть подается в сеть непосредственно от статора. . По той же причине эффективность DFIG очень высока.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Генераторы для ветряных турбин. Стандартная серия генераторов с контактными кольцами для концепции двойного питания мощностью от 1,5 до 3,5 МВт» (PDF) . АББ . 2014 . Проверено 24 апреля 2018 г.
- ^ М. Дж. Харанди, С. Г. Лиаси и М. Т. Бина, « Компенсация переходного потока статора во время симметричных и асимметричных неисправностей с использованием виртуального потока на основе тока размагничивания в ветряных турбинах DFIG », Международная конференция по энергосистемам (PSC), 2019 г., Тегеран, Иран, 2019 г., стр. 181-187, два : 10.1109/PSC49016.2019.9081565 .
- ^ М. Нираула и Л. Махарджан, «Регулирование частоты статора автономного DFIG с диодным выпрямленным выходом», 5-й Международный симпозиум по экологически чистым источникам энергии и приложениям (EFEA), 2018.
- ^ С. МЮЛЛЕР; С.; и др. (2002). «Системы индукционных генераторов с двойной подачей для ветряных турбин» (PDF) . Журнал отраслевых приложений IEEE . 8 (3). ИИЭР: 26–33. дои : 10.1109/2943.999610 .
- ^ Л. Вэй, Р. Дж. Керкман, Р. А. Лукашевски, Х. Лу и З. Юань, «Анализ возможностей циклического включения питания IGBT, используемых в ветроэнергетической системе с индукционным генератором с двойной подачей», Конгресс и выставка IEEE Energy Conversion, 2010 г., Атланта, Джорджия, 2010 г. , стр. 3076-3083, дои : 10.1109/ECCE.2010.5618396 .
- ^ «Силовая электроника — Wiki по истории техники и технологий» . ethw.org .
- ^ Леонхард, В.: Управление электроприводами. 2-е изд. Springer 1996, 420 страниц. ISBN 3-540-59380-2 .
- ^ Шивели, ЕК; Уитлоу, Гео. С. (1932). «Автоматическое управление преобразователями частоты с переменным передаточным числом». Труды Американского института инженеров-электриков . 51 : 121–127. дои : 10.1109/T-AIEE.1932.5056029 . S2CID 51636516 .
- ^ Лившиц, ММ; Килгор, Луизиана (1942). «Исследование модифицированного привода Крамера или асинхронно-синхронного каскадного регулируемого привода». Труды Американского института инженеров-электриков . 61 (5): 255–260. дои : 10.1109/T-AIEE.1942.5058524 . S2CID 51642497 .
- ^ Пфайффер, А.; Шейдль, В.; Эйцманн, М.; Ларсен, Э. (1997). «Современные ротационные преобразователи для железнодорожного транспорта». Материалы совместной железнодорожной конференции IEEE/ASME 1997 года . стр. 29–33. дои : 10.1109/RRCON.1997.581349 . ISBN 0-7803-3854-5 . S2CID 110505314 .
- ^ А. Бокель, Дж. Яннинг: Привод с регулируемой скоростью 4 * 300 МВт для насосно-аккумулирующих электростанций. Конференция EPE 2003, Тулуза.
- ^ «Обзор состояния исследований и разработок бесщеточной системы машин с двойной подачей». Китайский журнал электротехники . 2 (2). Китайское общество электротехники . Декабрь 2016.
- ^ Патент США 6 448 735.
- ^ Нииранен, Йоуко (2008). «Об измерениях активной и реактивной мощности при испытаниях на выдерживание несимметричного провала напряжения». Ветроэнергетика . 11 (1): 121–131. Бибкод : 2008WiEn...11..121N . дои : 10.1002/ср.254 .
- ^ Перейти обратно: а б М.Дж. Харанди, С. Гасеминежад Лиаси, Э. Никравеш и М.Т. Бина, «Улучшенная стратегия управления для прохождения низковольтного двигателя DFIG с использованием метода оптимального размагничивания», 10-я Международная конференция по силовой электронике, приводным системам и технологиям (PEDSTC), Шираз, 2019 г., Иран, 2019, стр. 464-469, два : 10.1109/PEDSTC.2019.8697267 .
- ^ : активный лом например, патент США 7 164 562.
- ^ Семан, Славомир; Нииранен, Йоуко; Виртанен, Рейо; Мацинен, Яри-Пекка (2008). «Анализ прохождения низкого напряжения ветряной турбины DFIG мощностью 2 МВт - проверка соответствия сетевым нормам». 2008 Общее собрание Общества энергетики и энергетики IEEE – Преобразование и доставка электрической энергии в 21 веке . стр. 1–6. дои : 10.1109/PES.2008.4596687 . ISBN 978-1-4244-1905-0 . S2CID 41973249 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Дюфур, Кристиан; Беланжер, Жан (2004). «Моделирование в реальном времени индукционного генератора с двойным питанием для ветряных турбин» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 5 января 2011 г. Проверено 17 февраля 2011 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - Робертс, Пол С. (2004). «Исследование бесщеточных (индукционных) машин с двойной подачей; вклад в машинный анализ, проектирование и управление» (PDF) . Эммануэль Колледж Кембриджского университета. Архивировано из оригинала (PDF) 19 марта 2013 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь )