Индукционный генератор

Асинхронный генератор или асинхронный генератор — это тип переменного тока (AC) электрического генератора , который использует принципы асинхронных двигателей для производства электроэнергии. Асинхронные генераторы работают за счет механического вращения своих роторов быстрее синхронной скорости. В качестве генератора обычно можно использовать обычный асинхронный двигатель переменного тока без каких-либо внутренних модификаций. Поскольку индукционные генераторы могут восстанавливать энергию с помощью относительно простого управления, они полезны в таких приложениях, как мини- ГЭС, ветряные турбины или для снижения газовых потоков высокого давления до более низкого давления.

Индукционный генератор потребляет реактивный ток возбуждения от внешнего источника. Асинхронные генераторы имеют ротор переменного тока и не могут использовать остаточную намагниченность для запуска обесточенной распределительной системы, как это делают синхронные машины. Конденсаторы, корректирующие коэффициент мощности, могут быть добавлены извне, чтобы нейтрализовать постоянную величину переменного реактивного тока возбуждения. После запуска индукционный генератор может использовать батарею конденсаторов для создания реактивного тока возбуждения, но напряжение и частота изолированной энергосистемы не являются саморегулирующимися и легко дестабилизируются.

Принцип работы

Асинхронный генератор производит электроэнергию, когда его ротор вращается быстрее синхронной скорости . Для четырехполюсного двигателя (две пары полюсов на статоре), питаемого от источника частотой 60 Гц, синхронная скорость составляет 1800 оборотов в минуту (об/мин) и 1500 об/мин при частоте 50 Гц. Двигатель всегда вращается немного медленнее синхронной скорости. Разница между синхронной и рабочей скоростью называется «скольжением» и часто выражается в процентах от синхронной скорости. Например, двигатель, работающий со скоростью 1450 об/мин и синхронной скоростью 1500 об/мин, работает со скольжением +3,3%.

При работе в качестве двигателя поток статора вращается с синхронной скоростью, которая превышает скорость ротора. Это приводит к тому, что поток статора циклически повторяется с частотой скольжения, вызывая ток ротора через взаимную индуктивность между статором и ротором. Индуцированный ток создает поток ротора с магнитной полярностью , противоположной статору. Таким образом, ротор увлекается потоком статора, а токи в роторе индуцируются с частотой скольжения. Двигатель работает со скоростью, при которой индуцированный ток ротора создает крутящий момент, равный нагрузке на валу.

При работе генератора первичный двигатель (турбина или двигатель) приводит в движение ротор со скоростью выше синхронной (отрицательное скольжение). Поток статора индуцирует ток в роторе, но противоположный поток ротора теперь режет катушки статора, в катушках статора индуцируется ток на 270 ° позади тока намагничивания, в фазе с напряжением намагничивания. Двигатель подает реальную (синфазную) мощность в энергосистему.

Возбуждение

Эквивалентная схема асинхронного генератора

Асинхронный двигатель требует внешней подачи тока на обмотки статора, чтобы индуцировать ток в роторе. Поскольку ток в катушке индуктивности является неотъемлемой частью напряжения по времени, при синусоидальной форме напряжения ток отстает от напряжения на 90°, а асинхронный двигатель всегда потребляет реактивную мощность , независимо от того, потребляет ли он электрическую мощность и выдает механическую. мощность как двигатель или потребление механической энергии и подача электрической энергии в систему.

По-прежнему требуется источник тока возбуждения намагничивающего потока (реактивной мощности) статора, чтобы индуцировать ток ротора. Его можно подавать от электрической сети или, как только он начнет вырабатывать мощность, от емкостного реактивного сопротивления. Генераторный режим асинхронных двигателей осложняется необходимостью возбуждения ротора, который, индуцируемый переменным током, размагничивается при останове без остаточной намагниченности для запуска холодного запуска. Для инициализации производства необходимо подключить внешний источник тока намагничивания. Частота и напряжение сети не являются саморегулирующимися. Генератор способен подавать ток, не совпадающий по фазе с напряжением, что требует дополнительного внешнего оборудования для создания функциональной изолированной энергосистемы. Аналогично работает асинхронный двигатель параллельно с синхронным двигателем, служащим компенсатором коэффициента мощности. Особенностью режима генератора параллельно сети является то, что частота вращения ротора выше, чем в режиме движения. Затем активная энергия передается в сеть. Другим недостатком асинхронного двигателя-генератора является то, что он потребляет значительный ток намагничивания I 0 = (20-35)%.

Активная мощность

Активная мощность, подаваемая в линию, пропорциональна проскальзыванию сверх синхронной скорости. Полная номинальная мощность генератора достигается при очень малых значениях скольжения (зависит от двигателя, обычно 3%). При синхронной скорости 1800 об/мин генератор не будет производить мощность. Когда скорость движения увеличивается до 1860 об/мин (типичный пример), достигается полная выходная мощность. Если первичный двигатель не может производить достаточную мощность для полного привода генератора, скорость останется где-то между 1800 и 1860 об/мин.

Требуемая емкость

Батарея конденсаторов должна подавать реактивную мощность на двигатель при использовании в автономном режиме. Подаваемая реактивная мощность должна быть равна или превышать реактивную мощность, которую обычно потребляет генератор при работе в качестве двигателя.

Крутящий момент против скольжения

Основным принципом индукционных генераторов является преобразование механической энергии в электрическую. Это требует внешнего крутящего момента, приложенного к ротору, чтобы вращать его быстрее, чем синхронная скорость. Однако неограниченное увеличение крутящего момента не приводит к неопределенному увеличению выработки мощности. Крутящий момент вращающегося магнитного поля, возбуждаемый якорем, противодействует движению ротора и предотвращает превышение скорости из-за вынужденного движения в противоположном направлении. По мере увеличения скорости двигателя противодействующий крутящий момент достигает максимального значения крутящего момента (крутящего момента), при котором он может работать до тех пор, пока условия эксплуатации не станут нестабильными. В идеале асинхронные генераторы лучше всего работают в стабильной области между состоянием холостого хода и областью максимального крутящего момента.

Номинальный ток

Максимальная мощность, которую может произвести асинхронный двигатель, работающий в режиме генератора, ограничена номинальным током обмоток генератора.

Сетевые и автономные соединения

Типичные подключения при использовании в качестве автономного генератора

В асинхронных генераторах реактивная мощность, необходимая для создания магнитного потока в воздушном зазоре, обеспечивается батареей конденсаторов , подключенной к машине в случае автономной системы, а в случае подключения к сети она потребляет реактивную мощность из сети для поддержания воздушного зазора. поток. Для системы, подключенной к сети, частота и напряжение на машине будут определяться электрической сетью, поскольку она очень мала по сравнению со всей системой. В автономных системах частота и напряжение являются сложной функцией параметров машины, емкости, используемой для возбуждения, а также значения и типа нагрузки.

Использование

Асинхронные генераторы часто используются в ветряных турбинах и некоторых микрогидроэлектростанциях из-за их способности производить полезную мощность при различных скоростях вращения ротора. Асинхронные генераторы механически и электрически проще, чем генераторы других типов. Они также более прочны и не требуют щеток или коммутаторов .

Ограничения

Индукционный генератор, подключенный к конденсаторной системе, может генерировать достаточную реактивную мощность для автономной работы. Когда ток нагрузки превышает способность генератора обеспечивать как реактивную мощность намагничивания, так и мощность нагрузки, генератор немедленно перестает производить мощность. Нагрузку необходимо снять и асинхронный генератор перезапустить либо с помощью внешнего двигателя постоянного тока, либо с помощью остаточного магнетизма в сердечнике, если таковой имеется.

Индукционные генераторы особенно подходят для ветряных электростанций, поскольку в этом случае скорость всегда является переменным фактором. В отличие от синхронных двигателей, асинхронные генераторы зависят от нагрузки и не могут использоваться отдельно для регулирования частоты сети.

Пример приложения

В качестве примера рассмотрим использование трехфазного асинхронного двигателя мощностью 10 л.с., 1760 об/мин, 440 В (он же асинхронная электрическая машина в режиме асинхронного генератора) в качестве асинхронного генератора. Ток полной нагрузки двигателя составляет 10 А, а коэффициент мощности при полной нагрузке — 0,8.

Требуемая емкость на фазу, если конденсаторы соединены треугольником:

Полная мощность $S={\sqrt {3}}EI=1.73*440*10=7612VA$

Активная мощность $P=S\cos(\theta )=7612*0.8=6090W$

Реактивная мощность $Q={\sqrt {S^{2}-P^{2}}}=4567VAR$

Чтобы машина могла работать в качестве асинхронного генератора, батарея конденсаторов должна обеспечивать минимум 4567/3 фазы = 1523 ВАР на фазу. Напряжение на конденсаторе составляет 440 В, поскольку конденсаторы соединены треугольником.

Емкостный ток Ic = Q/E = 1523/440 = 3,46 А

Емкостное реактивное сопротивление на фазу Xc = E/Ic = 127 Ом

Минимальная емкость на фазу:

С = 1/(2*π*f*Xc) = 1/(2*3,141*60*127) = 21 мкФ.

Если нагрузка также поглощает реактивную мощность, для компенсации необходимо увеличить размер батареи конденсаторов.

Скорость первичного двигателя должна использоваться для генерации частоты 60 Гц:

Обычно скольжение должно быть аналогично значению полной нагрузки, когда машина работает в режиме двигателя, но отрицательное (работа генератора):

если Ns = 1800, можно выбрать N=Ns+40 об/мин.

Требуемая частота вращения первичного двигателя N = 1800 + 40 = 1840 об/мин.

См. также

• Электрический генератор
• Асинхронный двигатель

Ссылки

• Электрические машины, приводы и силовые системы , 4-е издание, Теодор Вильди, Прентис Холл, ISBN   0-13-082460-7 , страницы 311–314.

Внешние ссылки

• Испытание автономного асинхронного генератора, подключенного к сети. Архивировано 2 марта 2017 г. на Wayback Machine.