ЕНЕРГИЯ - Списание за оборудване, технологии и инженеринггодина IX, брой 6, 2017

Синхронен генератор със самовъзбуждане за малки ВЕЦ

Синхронен генератор със самовъзбуждане за малки ВЕЦ

С нарастващата тенденция на разпределеното производство и нуждата от алтернативни и възобновяеми енергийни източници, синхронните генератори със самостоятелно възбуждане са привлекли повече внимание на приложенията в хидроенергетиката. Тази концепция има не само предимствата на простотата и здравината, но могат да бъдат подобрени режимните характеристики и да се постигне висока ефективност в широк диапазон на действие. Освен това неговата изходна честота се определя само от скоростта на първичния двигател, което позволява интеграция с мощни електронни устройства за реализиране на по-икономични схеми за контрол. Предложената идея осигурява конкурентна алтернатива на конвенционалните безчеткови синхронни генератори, използвани в самостоятелни приложения.

Доскоро се е смятало, че големите водноелектрическите централи са източник на зелена енергия и не отделят някой от стандартните замърсители като въглероден двуокис и серен диоксид. Изследванията обаче показват, че наводнената разлагащата се растителност произвежда парникови газове, еквивалентни на други източници на електроенергия. По този начин те допринасят за глобалното затопляне. От друга страна микро и малките водни централи имат минимален принос към глобалното затопляне, защото принципът им на работа е отклоняване на водата от реката чрез канал или тръбопровод, обработка от турбината и връщането и в потока чрез друг канал. Тези съоръжения не засягат драстично живите същества в реката.

За разлика от големите водни централи, микро и малките ВЕЦ не изискват изграждане на язовир. Те превръщат енергията на течаща вода чрез турбината и генератора в електроенергия. Следователно разходите за строителство са минимални. Това, разбира се прави цената на генератора значителен фактор в капиталовите инвестиции. За тази цел разработката на по-стабилни и икономични генератори за приложения в малки и микро ВЕЦ ще увеличат перспективите за подобни проекти.

В зависимост от характеристиките на захранващата мрежа, може да се избира между синхронни и асинхронни генератори. Синхронните генератори са оборудвани с постояннотокова система за възбуждане (ротационна или статична), свързана с регулатор на напрежение, за осигуряване на напрежението, честотата и управлението на фазовия ъгъл за включване на генератора в паралел към мрежата и предоставяне на реактивната енергия, ако се изисква от електроенергийната система. Синхронните генератори могат да работят изолирани от мрежата и да произвеждат електроенергия, тъй като възбуждането им не зависи от нея. Асинхронните генератори са обикновени двигатели с накъсо съединен ротор, които нямат възможност за регулиране на напрежението и работят със скорост, пряко свързана с честотата на системата. Те черпят възбудителния си ток от мрежата, абсорбирайки реактивната енергия чрез собствения си магнетизъм. Добавянето на банка от кондензатори може да компенсира абсорбирането на реактивна енергия. Те не могат да генерират, когато са изключени от електрическата мрежа, тъй като нямат собствен ток на възбуждане.

В генератора механичната енергия (обикновено от турбина) се превръща в електрическа енергия. Преобразуването на енергията е възможно само ако съществува възбуждане на генератора, което определя изходните величини на генератора: напрежение и реактивна мощност. Това означава, че регулирането на възбуждането на генератора всъщност влияе на генерираната изходна енергия и върху стабилността на цялата електрическа система. Стабилността на синхронен генератор се представя графично от P-Q диаграма. Работната точка на генератора трябва да бъде вътре в зоната, определена от минималния ток на възбуждане, границата на практическа стабилност, максималния ток на възбуждане, максималния ток на котвата, максималната мощност на турбината и минималната мощност на турбината.

Възбудителният ток се осигурява от системата за възбуждане, която обикновено се състои от автоматичен регулатор на напрежение (АРН), възбудител, измервателни елементи, стабилизатор и ограничител на системата и блок за защита.

Възбудителят е източник на електрическа енергия за полето на намотката на генератора и се реализира като отделен DC или AC генератор. Той има своя статорна и роторна намотка. При променливотоков генератор за възбуждане, като роторът се върти, статорния постоянен ток индуцира трифазен променлив ток в роторната намотка. Този променлив ток се изправя с помощта на диоди или тиристори, инсталирани в ротора.

Възбудителят се контролира от АРН, който е много ефективен при устойчиво състояние на работа, но в случай на внезапни смущения може да има отрицателно влияние при намаляване на колебанията в захранването, защото тогава тя форсира възбудителния ток на генератора. Това може да бъде преодоляно чрез въвеждане на стабилизатор на системата, който произвежда допълнителен сигнал в контура за управление и по този начин компенсира колебанията на напрежението.

Измервателните елементи се използват за получаване на входните стойности на системата за възбуждане. Ограничителят и блока за защита съдържат голям брой вериги, които гарантират, че са ограничени някои физични величини (например напрежението на котвата, тока на възбуждане и др.).

Възбудителните системи за синхронни генератори могат да бъдат класифицирани според конструкцията на статични и въртящи се. Статичните системи за възбуждане се състоят от тиристори и трансформатор. Необходимата енергия за възбуждане се довежда до намотката на генератора чрез пръстени с плъзгащи се въглеродни четки.

Друга категоризация на системите за възбуждане се извършва според източника на енергия. Двата основни класа в тази категоризация са отделни системи за възбуждане и самостоятелно възбуждане. Отделните системи за възбуждане могат да бъдат статични или безчеткови. Те са независими от прекъсванията и смущенията, случващи се в електроенергийната система, и имат възможност за форсиране на възбуждането. Безчеткови системи се използват за възбуждане на по-големи генератори и в запалими и взривоопасни среди. Те се състоят от променливотоков възбудител, въртящ се диоден мост и спомагателен AC генератор, реализиран с възбуждане с постоянен магнит. Предимствата на системата за самовъзбуждане са простота и ниски разходи.

В статора на тази машина има две намотки, намотката за товара Wa и спомагателната намотка за самостоятелно възбуждане Wc, свързана с променлив кондензатор C. Роторът има само една намотка Wfd, свързана на късо чрез диода D. За дадена изходна честота f, в Wfd се индуцира напрежение с обратно поле поради реакцията на котвата. След това то се изправя и се получава напрежението на възбуждане на синхронния генератор.

Генераторът се самовъзбужда асинхронно, т. е. изправеното променливото напрежение, използвано във възбуждането на генератора се получава чрез приплъзване между роторната и статорната намотки. Статорът се състои от допълнителна намотка, свързана в паралел с кондензаторна банка, и намотка на товара. Напрежението, индуцирано в намотка на ротора е еднофазно и с един изправен полупериод.

Когато генераторът започне да се върти, той индуцира в еднофазната намотка електродвижещо напрежение (е.д.н.) поради остатъчния магнетизъм в ротора. Така, тока IC ще започне да тече във веригата, образувана от намотката и кондензатора С. Този ток, известен като намагнитващ ток от самовъзбуждане се подсилва от тока през кондензатора докато генератора достигне устойчиво състояние. Важно е да се припомни, че съществува разлика между променливите, свързани с магнитните полета, понеже основната скорост на полето (4 полюса) е 1500 об./м., а скоростта на спомагателното поле (6 полюса) е 1000 об./м. Възбудителния ток на статора (IC) произвежда магнитно поле, което индуцира в роторната намотка ново е.д.н., създавайки основното поле за възбуждане.

Статорът се състои от спомагателна намотка и намотка за товара. И двете намотки имат синусоидално разпределение на магнитния поток във въздушната междина, създадено от статорния ток на машината. В тази схема е много важно за правилната работа на машината ориентацията на магнитната ос между двете намотки. В този смисъл, ъгълът между магнитната ос на намотката за товара и спомагателната намотка (свързана с кондензаторната банка) трябва да е 90°.

Най-подходящият начин да се направи магнитния поток в ротора с равномерно разпределение във въздушна междина и магнитната индукция с постоянно геометрично разпределение. По този начин, когато роторът се върти с постоянна скорост, магнитния поток в генератора ще пулсира с честота два пъти по-голяма от честотата на статора. Тази промяна предизвиква пресичане на навивките от относителен поток, който се изменя синусоидално в пространството и времето.

На практика, тока в ротора не е точно пулсиращ и синусоидален. Този проблем трябва да се компенсира чрез формата на магнитната верига на ротора, като например промяна на полюсите или намаляване на въздушната междина. Този случай се проявява при деформация на тока на възбуждане и се дължи на наличието на хармонични компоненти. Генераторът не може да работи, ако няма определен остатъчен магнетизъм в магнитопровода на машината.

Всяка секция на роторната намотка се състои от еднополупериодна изправителна схема, реализирана с диод за образуване на редуващи се полюси. Тази конфигурация определя основния възбудителен ток за полето на генератора.

Генериране на енергия от водата - AvK
Компанията Cummins Generator Technologies предлага под марката AvК пълна гама от промишлени синхронни генератори, които са проектирани специално за да отговарят на строгите предизвикателства на приложенията за производство на електроенергия. Производството от малки водни централи играе съществена роля за постигане на увеличаващото се световно търсене на електроенергия от възобновяеми източници. Avk предоставя интегрирани проектни решения в партньорство с производители на турбини за водноелектрически централи.

Гамата синхронни генератори със самовъзбуждане на Avk е предназначена за хоризонтален монтаж с мощности от 0.5MVA-11MVA и 4-14 полюса. Тя дава възможност за оптимална техническа интеграция с повечето видове водни турбини Франсис, Каплан и Пелтон, постигайки високи технически характеристики при нови инсталации и проекти за обновяване.

Генератори за водноелектрически централи - Marelli
MarelliGenerators предлага широка гама от синхронни генератори за водноелектрически централи с гарантирано качество и разнообразен дизайн, който позволява персонализиране според нуждите. Неоспоримото доказано качество на всички продукти на MarelliGenerators се вижда от тяхната висока надеждност и ефективност, както и от тяхната непроменена работа по време на много години служба.

Синхронните генератори със самовъзбуждане са с мощности от 0.2MVA-4MVA, с номинално напрежение от 380V до 6600V, от 4 до 18 полюса, хоризонтален или вертикален вал, степен на защита до IP 55, когато се използва топлообменник, директно куплиране на работното колело на турбината към вала на генератора за да се намалят опорите за лагеруване, използване на триещи лагери при големи хидравлични натоварвания, за да се премахнат всички дейности по поддръжката, изисквани от търкалящите лагери, използване на маховик за повишаване на инерционния момент на генератора при необходимост, широк спектър от устройства за управление и настройка.

Модерни решения за най-чистата енергия - TES
Генераторите за малки ВЕЦ се характеризират със здрава конструкция, висока ефективност и отлични параметри. Те са атрактивни преди всичко с комбинацията от висока надеждност и иновациите, с които те разполагат. Това води до икономически изгодно решение. Благодарение на новия дизайн на ротори с явни полюси, машините постигат високи мощности до 20 000kVA. Продължаващото оптимизиране на електромагнитния дизайн, както и модулната конструкция и специфичното проектиране според местоположението предлагат удължен живот, подобрено съотношение цена/производителност, по-кратки срокове на доставка.

Безчетковият трифазен синхронен генератор със самостоятелно възбуждане е с проста конструкция, има стабилна работа и ниско ниво на поддръжка, най-вече защото няма четки. Използването на по-високи честоти за променливотоков възбудител увеличава нивото на възбудителното напрежение и значително подобрява ефективността на системата. Регулиране на напрежението чрез контрол на възбудителния ток на статора осигурява подобрена форма на вълната, ефекта от магнитното съпротивление подобрява динамичните характеристики и стабилността, изходна честота се определя само от оборотите на турбината, позволявайки интеграция със силови електронни устройства, за да се реализират по-икономични контролни схеми. Чрез използването на такива високоефективни генератори при малките и микро ВЕЦ може да увеличи производство на електроенергия и да намалят разходите за поддръжка и престой.