Жел турбинасының кернеуін реттеудегі трансформатордың қызметі
Жел турбиналары тез дамып келе жатқан жаңартылатын энергия технологиясы ретінде белгілі, себебі олар желдің кинетикалық энергиясын тікелей шығарындылар шығармай электр энергиясына айналдыра алады. Дегенмен, жел турбиналары өндіретін электр энергиясын үй шаруашылықтары, өнеркәсіптер бірден пайдалана алмайды немесе электр желісіне таратылмайды. Жел турбиналарынан шығатын электр энергиясын «пайдалануға дайын» ететін негізгі компоненттердің бірі - трансформатор. Трансформатордың негізгі функциясы - кернеуді реттеу, тиімді беру үшін кернеу деңгейлерін реттеу және жел турбинасы жүйесінен жүктемеге немесе электр желісіне қуат берудің сапасы мен тұрақтылығын сақтау.
Жел турбиналарының кернеу сипаттамалары
Трансформаторлардың рөлін түсінбес бұрын, жел турбиналары өндіретін электр энергиясының табиғатын түсіну маңызды. Жел турбиналары электр энергиясын пропеллер білігіне қосылған генератор арқылы өндіреді. Турбинаның айналу жылдамдығына жел жылдамдығының ауытқуы айтарлықтай әсер етеді, сондықтан генератордың кернеуі мен жиілігі, әсіресе айнымалы жылдамдықты жел турбиналарында, ауытқуы мүмкін.
Көптеген заманауи жел турбиналық жүйелерде генератор шығаратын электр энергиясы желіге стандартты айнымалы ток (АТ) ретінде тікелей таратылмайды, керісінше түзеткіштер, инверторлар және контроллерлер сияқты қуат электроникасының тізбектері арқылы таратылады. Дегенмен, түрлендіру процесінен кейін электр энергиясы жергілікті тарату жүйесіне сәйкестендіру үшін кернеуді реттеуді қажет етеді. Дәл осы жерде трансформаторлар желінің үйлесімділігін қамтамасыз ету үшін кернеу деңгейлерін реттеуде маңызды рөл атқарады.
Трансформаторлардың жұмыс принциптерін түсіну және
Трансформатор - айнымалы ток кернеуін арттыру (жоғарлату) немесе төмендету (төмендету) үшін электромагниттік индукция принципі бойынша жұмыс істейтін статикалық электр құрылғысы. Трансформатор темір өзегіне оралған біріншілік және екіншілік катушкалардан тұрады. Біріншілік катушка арқылы айнымалы ток өткенде, өзгеретін магнит өрісі екіншілік катушкада кернеу тудырады. Орамдар санының қатынасы кернеудің жоғарылауын немесе төмендеуін анықтайды.
Жел турбиналық жүйелерінде трансформаторлар әдетте күшейткіш трансформаторлар ретінде қолданылады, себебі генераторлардан шығатын электр энергиясы әдетте орташа немесе төмен кернеу деңгейінде болады, ал ұзақ қашықтыққа беріліс жоғары кернеулерде тиімдірек болады.
Жел турбинасы жүйесіндегі трансформатордың негізгі функциясы
1. Электр желісіне сәйкес келетін кернеуді реттеңіз
Трансформатордың ең маңызды функцияларының бірі - жел турбинасының шығыс кернеуінің электр желісінің стандарттарына сәйкес келуін қамтамасыз ету. Коммуналдық көлемдегі жел турбиналары көбінесе жүздеген вольттан бірнеше киловольтқа дейінгі кернеулерді шығарады. Сонымен қатар, тарату және тарату желілері елдің электр жүйесіне байланысты 20 кВ, 33 кВ, 70 кВ немесе одан да жоғары сияқты әлдеқайда жоғары кернеу деңгейлерінде жұмыс істейді.
Кернеуді арттыру арқылы трансформаторлар жел турбиналарынан келетін қуатты шамадан тыс ток тудырмай желіге беруге мүмкіндік береді. Кернеуді арттырмай, сол қуат үшін ток өте жоғары болады, бұл айтарлықтай шығындарға әкеледі.
2. Беріліс қорабындағы қуат шығындарын азайту
Электр жүйелерінде кабельдердегі қуат шығыны, әдетте, ток күші мен өткізгіштің кедергісіне байланысты болады. Бұл қуат шығыны I²R формуласымен өрнектеледі, яғни ток күші неғұрлым көп болса, жылуға айналатын қуат шығыны соғұрлым көп болады.
Трансформаторлар кернеуді арттыру арқылы ток күшін азайтуға көмектеседі. Кернеу жоғарылаған кезде, сол қуат мөлшері үшін ток күшін азайтуға болады. Нәтижесінде, қуат шығындары айтарлықтай азаяды, кабельдер жылы ұсталады және электр қуатын беру тиімділігі артады. Бұл әсіресе шалғай жерлерде орналасқан және қосалқы станцияларға немесе электр желілерін қосу нүктелеріне дейін ұзақ кабельдерді қажет ететін жел электр станциялары үшін өте маңызды.
3. Жұмыс тұрақтылығы мен қуат сапасын қолдайды
Кернеуді арттыру немесе төмендетумен қатар, трансформаторлар қуат сапасын қолдауда да рөл атқарады. Қуат сапасын басқару көбінесе инверторлар мен басқару жүйелерімен жүзеге асырылса да, трансформаторлар гармоникаларды басу немесе жерге қосуды оңтайландыру үшін электр оқшаулауына, кедергілерді азайтуға және жүйені қосуды реттеуге (мысалы, жұлдызша немесе үшбұрышты конфигурациялар) көмектесе алады.
Қуат түрлендіргіштерін пайдаланатын заманауи жел турбиналары көбінесе белгілі бір гармоникаларды шығарады. Трансформатордың дұрыс дизайны гармоникалардың әсерін азайтуға және тор жағындағы кернеуді стандартты шектерде ұстап тұруға көмектеседі.
4. Жүйені оқшаулау мен қорғауды қамтамасыз етеді
Трансформаторлар сонымен қатар жел турбинасы мен электр желісі арасында гальваникалық оқшаулауды қамтамасыз етеді. Бұл оқшаулау қауіпсіздікті жақсарту, жабдықты шамадан тыс кернеуден қорғау және найзағайдан немесе желіні қосудан болатын кернеудің күрт секіруінен болатын зақымдану қаупін азайту үшін өте маңызды.
Жел турбиналары биік және ашық жерлерде орналасқандықтан, найзағайдан қорғау өте маңызды. Трансформаторлар жерге қосу жүйелерімен және басқа да қорғаныс құрылғыларымен бірге түрлендіргіштер мен электрондық басқару элементтері сияқты сезімтал жабдықтарға зақым келтіруі мүмкін кедергілердің әсерін азайтуға көмектеседі.
5. Ірі көлемді жел турбиналарын біріктіруге мүмкіндік береді
Жел электр станцияларында көптеген турбиналардан шығатын энергия қосалқы станцияға кірмес бұрын коллекторлық жүйеде жиналады. Әдетте әрбір турбинада генератор кернеуін коллекторлық кернеуге дейін арттыратын трансформатор болады (мысалы, 0,69 кВ-тан 33 кВ-қа дейін). Содан кейін қосалқы станция ұзақ қашықтыққа беру үшін кернеуді одан әрі арттырады.
Трансформаторларсыз жел электр станцияларынан жүздеген мегаватт қуатты біріктіру тиімсіз болар еді және қуат шығындары мен электр желісінің тұрақсыздығы қаупі жоғары болар еді.
Жел турбиналарында қолданылатын трансформаторлардың кең таралған түрлері
Жел турбинасындағы трансформатор турбинаның конструкциясына байланысты бірнеше жерде орналасуы мүмкін. Кейбір модельдерде трансформатор төмен вольтты кабельдердің ұзындығын азайту үшін гондола (мұнараның үстіндегі турбина корпусы) ішінде орналасады. Дегенмен, көптеген конструкцияларда техникалық қызмет көрсетуді жеңілдету және мұнараға түсетін жүктемені азайту үшін оны мұнараның түбіне немесе турбинаның жанындағы бөлек блокқа орналастырады.
Жел турбиналық трансформаторлары, әдетте, қоршаған орта жағдайлары мен қауіпсіздік талаптарына байланысты маймен салқындатылатын немесе құрғақ салқындатылатын тарату трансформаторлары болып табылады. Өрт қаупі төмен орталарда құрғақ салқындатылатын трансформаторлар таңдаулы нұсқа болуы мүмкін, ал жоғары қуатты қолданбаларда маймен салқындатылатын трансформаторлар көбінесе жылуды тиімдірек таратуына байланысты таңдалады.
Тапсырма: Желдің ауытқуы және олардың кернеуге әсері
Жел тұрақты болмағандықтан, жел турбинасының қуаты ауытқып тұрады. Турбинаны басқару жүйесі, түрлендіргіш және трансформатор динамикалық жүктеме жағдайында жұмыс істей алуы керек. Трансформаторлар ток пен кернеудің өзгеруі кезінде тұрақты болып қалуға арналған, соның ішінде жел жылдамдығының өзгеруі кезінде немесе турбина іске қосылып, тоқтаған кездегі лездік кернеулерді басқара алуы керек.
Сонымен қатар, трансформаторлар жоғары ылғалдылық, тұзды тұман (теңіз турбинасы үшін), температураның күрт өзгеруі және діріл сияқты қоршаған орта жағдайларына төтеп бере алатындай етіп жасалған болуы керек. Осы факторлардың барлығы трансформатордың қызмет ету мерзіміне және қуат беру сенімділігіне әсер етеді.
Қорытынды
Трансформаторлар жел турбиналары жүйелерінде, әсіресе өндірілген электр энергиясын электр желісіне тиімді және қауіпсіз тарату үшін кернеуді реттеу және реттеуде маңызды рөл атқарады. Олардың негізгі функцияларына беріліс шығындарын азайту үшін кернеуді арттыру, электр желісінің үйлесімділігін жақсарту, электр қуатының сапасын қолдау, оқшаулау мен қорғауды қамтамасыз ету және кең ауқымды жел турбиналарын біріктіруді қамтамасыз ету кіреді. Трансформаторларсыз жел турбиналарынан электр энергиясын тиімді және тұрақты беру қиын болар еді, бұл оларды жел энергиясы мен заманауи энергетикалық жүйелер арасындағы маңызды буынға айналдырады.
Қаласаңыз, мен жүйелік ағынның (генератор-түрлендіргіш-трансформатор-тор) иллюстрациясын қоса аламын немесе құрлықтағы және теңіздегі турбинадағы трансформаторлар арасындағы айырмашылықтар туралы талқылауды кеңейте аламын.
