Схеми генерування електричної енергії вітроустановками

Вітроелектроустановки виробляють енергію як постійного, так і змінного струму для автономних або мережних систем і будуються за наступними схемами:

– ротор – генератор постійного струму – споживач постійного струму та/або акумуляторна батарея;

– ротор – генератор постійного або змінного струму – нагрівач та тепловий акумулятор;

– ротор – генератор змінного струму – випрямляч – інвертор – споживач змінного струму сталої частоти;

– ротор – генератор змінного струму (синхронний або асинхронний) –мережа навантаження.

Генерування постійного струму здійснюється на установках до 10 кВт. Електричні машини постійного струму мають колектор і щітковий контакт, що обмежує їх широку експлуатацію. Вони мають великий початковий момент опору і це ускладнює їх застосування в агрегатах з швидкохідними роторами (наприклад, в агрегаті потужністю 1,5 кВт цей момент досягає 0,8 кг×м, внаслідок чого агрегат з трилопатевим ротором діаметром 4м починає працювати тільки при швидкості вітру біля 6м/с).

Для генерування змінного струму застосовують асинхронні та синхронні машини.

Асинхронний генератор має ряд переваг, що полягають в простоті конструкції, високої надійності в експлуатації, нескладних схемах під’єднання на паралельну роботу з мережею та іншими джерелами електроенергії. Крім того, як генератор може застосовуватись асинхронний двигун. Асинхронний генератор є механічно міцною машиною, за якою потрібен мінімальний догляд. Під час короткого замикання ударний струм швидко затухає, що не викликає перегрівання та руйнування обмоток. Під час перевантаження генератор швидко втрачає збудження (і навіть розмагнічується), що також запобігає виходу його з ладу.

Принципова електрична схема подана на рис.1.4.

D – приводний двигун (ротор вітроустановки); G – асинхронний генератор;

C – батарея конденсаторів; QF – роз’єднувач; P – навантаження

Рис. 1.4. Схема під’єднання асинхронного генератора

Робота асинхронного генератора як автономного джерела живлення можлива тільки при умові подачі в обмотку статора реактивної потужності від батареї конденсаторів, що під’єднані до кожної фази. За активного навантаження реактивна потужність, що надходить від конденсаторів, повинна дорівнювати реактивній потужності генератора (за величиною необхідної для створення магнітного потоку). За активно-індуктивного навантаження, реактивна потужність від конденсаторів повинна покривати також реактивну потужність навантаження. Така величина ємності конденсаторів значно здорожує вартість вітроустановки, що є недоліком.

Величину ємності конденсаторів за трьома фазами можна визначити за виразом (при вмиканні трикутником):

, мкФ,

де Q – реактивна потужність конденсатора (кВАр).

Для запобігання коливань напруги при зміні характеру навантаження (активне, індуктивне), слід передбачати комутацію частини конденсаторів.

Ще одною перевагою асинхронного генератора є те, що напруга на його виході має сталу частоту при зміні частоти обертів ротора в деяких межах, і це надає йому більшу стійкість при роботі на мережу, ніж при застосуванні синхронних машин.

До недоліків відносять менший рівень вироблення енергії ніж синхронними машинами. Це пов’язано з меншим коефіцієнтом потужності, що обумовлено більшими струмами намагнічування (вони пропорційні квадрату напруги).

Іншими системами є застосування асинхронної машини з фазним ротором як асинхронного або синхронного генератора з метою найдоцільнішої реалізації позитивних характеристик обох типів. За дономінальної та номінальної швидкості вітру машина працює як синхронний генератор із збудженням постійним струмом, що підводиться через контактні кільця до обмоток ротора. Під час поривчастих вітрах, машина переходить в режим асинхронного генератора з коротко замкненим ротором з використанням його допустимого діапазону ковзання. Перехід від синхронного до асинхронного режиму проходить із незначним перевантаженням за струмом. За зворотного переходу необхідно забезпечити такий режим, щоб викиди моменту та струму не були більшими 0,5...0,8% номінального.

Синхронні генератори з самозбудженням від випрямлячів мають мінімальну кількість контактів. Вони мають також задовільну стійкість роботи в широкому діапазоні швидкості обертання. При роботі синхронного генератора з мережею, у випадках зниження швидкості вітру, він переходить в двигунний режим (і споживає енергію з мережі) або випадає із синхронізму, що є суттєвим недоліком даної системи.

Синхронні генератори із збудженням від постійних магнітів застосовують, як правило, в автономних вітроелектроустановках. До їх переваг відносять простоту конструкції, надійність, відсутність контактів ковзання та обертання обмоток, непотрібність витрат енергії на збудження. Недоліком даних генераторів є складність регулювання та стабілізації напруги, обмежена гранична потужність із-за порівняно невеликої питомої енергії постійних магнітів. За конструкцією синхронні генератори з постійними магнітами виконуються з обертовими магнітами та нерухомими обмотками.

При конструюванні автономних вітроелектроустановок, що під’єднуються безпосередньо або з акумулюючими пристроями на навантаження, слід враховувати умови допустимої втрати напруги при пуску електрообладнання споживача. Тому потужність генератора буде складати:

,

де N_в – потужність двигуна електроспоживача;

k₀ – коефіцієнт, що дорівнює 0,35 для привода з постійним і 0,9 – для привода з вентиляторним моментом.

Поиск по сайту: