Индукционный генератор - Induction generator

An индукционный генератор или же асинхронный генератор это тип переменный ток (AC) электрический генератор который использует принципы асинхронные двигатели производить электроэнергию. Индукционные генераторы работают, механически вращая роторы быстрее, чем синхронная скорость. Обычный асинхронный двигатель переменного тока обычно можно использовать в качестве генератора без каких-либо внутренних изменений. Индукционные генераторы полезны в таких приложениях, как мини-гидро электростанции, ветряные турбины или в снижении потоков газа высокого давления до более низкого давления, потому что они могут восстанавливать энергию с помощью относительно простых средств управления.

Индукционный генератор обычно получает мощность возбуждения от электрической сети. Из-за этого индукционные генераторы обычно не могут черный старт обесточенная распределительная система. Иногда, однако, они самовозбуждаются за счет использования фазокорректирующих конденсаторов.

Принцип действия

Индукционный генератор вырабатывает электроэнергию, когда его ротор вращается быстрее, чем синхронная скорость. Для типичного четырехполюсного двигателя (две пары полюсов на статоре), работающего в электрической сети 60 Гц, синхронная скорость составляет 1800 оборотов в минуту (об / мин). Тот же четырехполюсный двигатель, работающий в сети 50 Гц, будет иметь синхронную скорость 1500 об / мин. Двигатель обычно вращается немного медленнее, чем синхронная скорость; разница между синхронной и рабочей скоростью называется «скольжением» и обычно выражается в процентах от синхронной скорости. Например, двигатель, работающий со скоростью 1450 об / мин и имеющий синхронную скорость 1500 об / мин, работает со скольжением + 3,3%.

При нормальной работе двигателя вращение магнитного потока статора происходит быстрее, чем вращение ротора. Это заставляет поток статора индуцировать токи ротора, которые создают поток ротора с магнитная полярность напротив статора. Таким образом, ротор увлекается за потоком статора, при этом токи в роторе индуцируются с частотой скольжения.

При работе генератора первичный двигатель (турбина или двигатель) приводит в движение ротор выше синхронной скорости (отрицательное скольжение). Поток статора по-прежнему индуцирует токи в роторе, но поскольку поток противоположного ротора теперь разрезает катушки статора, в катушках статора вырабатывается активный ток, и теперь двигатель работает как генератор, отправляя мощность обратно в электрическую сеть.

Возбуждение

Эквивалентная схема индукционного генератора

Индукционная машина требует внешнего источника тока якоря. Поскольку поле ротора всегда отстает от статор поле, индукционная машина всегда потребляет Реактивная сила независимо от того, работает он как генератор или как двигатель.

Источник тока возбуждения для намагничивающего потока (реактивной мощности) статора по-прежнему необходим, чтобы вызвать ток ротора. Он может быть запитан от электрической сети или, как только он начнет вырабатывать энергию, от самого генератора. Генераторный режим для асинхронных двигателей усложняется необходимостью возбуждать ротор, который начинается только с остаточного намагничивания. В некоторых случаях этой остаточной намагниченности достаточно для самовозбуждения двигателя под нагрузкой. Следовательно, необходимо либо защелкнуть двигатель и на мгновение подключить его к сети, находящейся под напряжением, либо добавить конденсаторы, первоначально заряженные остаточным магнетизмом и обеспечивающие необходимую реактивную мощность во время работы. Аналогичным образом 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 в сеть передается активная энергия.[1]Еще одним недостатком асинхронного двигателя-генератора является то, что он потребляет значительный ток намагничивания. я0 = (20-35)%.

Индукционная машина может быть запущена путем зарядки конденсаторов от источника постоянного тока, в то время как генератор обычно вращается со скоростью генерации или выше. После удаления источника постоянного тока конденсаторы будут обеспечивать ток намагничивания, необходимый для начала выработки напряжения.

Индукционная машина, которая недавно работала, также может самопроизвольно производить напряжение и ток из-за остаточного магнетизма, оставшегося в сердечнике.

Активная мощность

Активная мощность, подаваемая в линию, пропорциональна скольжению выше синхронной скорости. Полная номинальная мощность генератора достигается при очень малых значениях скольжения (в зависимости 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), создается полная выходная мощность. Если первичный двигатель не может производить достаточно мощности для полного привода генератора, скорость останется где-то в диапазоне от 1800 до 1860 об / мин.

Требуемая емкость

А конденсаторная батарея должен подавать реактивную мощность на двигатель при использовании в автономном режиме. Подаваемая реактивная мощность должна быть равна или превышать реактивную мощность, которую машина обычно потребляет при работе в качестве двигателя.

Крутящий момент против скольжения

Основным принципом индукционных генераторов является преобразование из механическая энергия к электрической энергии. Для этого требуется внешний крутящий момент, приложенный к ротору, чтобы вращать его быстрее, чем синхронная скорость. Однако бесконечно увеличивающийся крутящий момент не приводит к неопределенному увеличению выработки электроэнергии. Возбуждаемый якорем вращающий момент магнитного поля противодействует движению ротора и предотвращает превышение скорости из-за индуцированного движения в противоположном направлении. По мере увеличения скорости двигателя противодействующий крутящий момент достигает максимального значения крутящего момента (момент пробоя), с которым он может работать до тех пор, пока рабочие условия не станут нестабильными. В идеале индукционные генераторы лучше всего работают в стабильной области между состоянием холостого хода и областью максимального крутящего момента.

Номинальный ток

Максимальная мощность, которую может производить асинхронный двигатель, работающий в качестве генератора, ограничена номинальным током обмоток машины.


Сетевые и автономные подключения

Типовые подключения при использовании в качестве автономного генератора

В индукционных генераторах реактивная мощность, необходимая для создания магнитного потока в воздушном зазоре, обеспечивается за счет конденсаторная батарея подключенный к машине в случае автономной системы и в случае подключения к сети, он потребляет реактивную мощность из сети для поддержания потока в воздушном зазоре. Для системы, подключенной к сети, частота и напряжение на машине будет определяться электросетью, поскольку она очень мала по сравнению со всей системой. Для автономных систем частота и напряжение являются сложной функцией параметров машины, емкости, используемой для возбуждения, а также значения и типа нагрузки.

Использует

Индукционные генераторы часто используются в Ветряные турбины и немного микро гидро установки из-за их способности производить полезную мощность при различных скоростях ротора. Индукционные генераторы механически и электрически проще, чем генераторы других типов. Они также более прочные, не требуют щеток или коммутаторы.

Ограничения

Индукционный генератор, подключенный к конденсаторной системе, может генерировать реактивную мощность, достаточную для работы самостоятельно. Когда ток нагрузки превышает способность генератора обеспечивать как реактивную мощность намагничивания, так и мощность нагрузки, генератор немедленно прекращает выработку энергии. Необходимо снять нагрузку и перезапустить индукционный генератор либо с источником постоянного тока, либо с остаточным магнетизмом в сердечнике, если он присутствует.[2]

Индукционные генераторы особенно подходят для ветряных электростанций, так как в этом случае скорость всегда является переменным фактором. В отличие от синхронных двигателей, индукционные генераторы зависят от нагрузки и не могут использоваться отдельно для управления частотой сети.

Пример приложения

В качестве примера рассмотрим использование трехфазного асинхронного двигателя мощностью 10 л.с., 1760 об / мин, 440 В в качестве асинхронного генератора. Ток полной нагрузки двигателя составляет 10 А, а коэффициент мощности при полной нагрузке составляет 0,8.

Требуемая емкость на фазу, если конденсаторы подключены треугольником:

Полная мощность S = √3 E I = 1,73 × 440 × 10 = 7612 ВА
Активная мощность P = S cos θ = 7612 × 0,8 = 6090 Вт
Реактивная сила Q = = 4567 ВАР

Чтобы машина работала как асинхронный генератор, конденсаторная батарея должна обеспечивать минимум 4567/3 фазы = 1523 ВА на фазу. Напряжение на конденсатор составляет 440 В, поскольку конденсаторы соединены треугольником.

Емкостной ток Ic = Q / E = 1523/440 = 3,46 А
Емкостное реактивное сопротивление на фазу Xc = E / Ic = 127 Ом

Минимальная емкость на фазу:

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

Если нагрузка также поглощает реактивную мощность, емкость конденсаторной батареи необходимо увеличить для компенсации.

Скорость первичного двигателя следует использовать для генерации частоты 60 Гц:

Как правило, скольжение должно быть аналогично значению полной нагрузки, когда машина работает как двигатель, но отрицательным (работа генератора):

если Ns = 1800, можно выбрать N = Ns + 40 об / мин.
Требуемая частота вращения первичного двигателя N = 1800 + 40 = 1840 об / мин.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Ошибка цитирования. См. Встроенный комментарий, как исправить.[требуется проверка ]
  2. ^ Хуассайн, Ашфак. Электрические машины. Dhanpat Rai and Co. стр. 411.

Рекомендации

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

внешняя ссылка