Indukciniai generatoriai elektrinėse
Indukciniai generatoriai yra technologija, plačiai naudojama šiuolaikinėse elektros energijos gamybos sistemose, ypač tose srityse, kurioms reikalingas patikimas veikimas, gana paprasta priežiūra ir santykinai mažesnės investicinės išlaidos, palyginti su kitų tipų generatoriais. Nors terminas „generatorius“ dažnai siejamas su sinchroniniais generatoriais, indukciniai generatoriai atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį, ypač atsinaujinančios energijos gamybos sistemose, tokiose kaip vėjo turbinos ir mikrohidroelektrinės. Šiame straipsnyje aptariami indukcinių generatorių veikimo principai, jų charakteristikos, privalumai ir trūkumai bei jų taikymas elektros energijos gamyboje.
Apibrėžimas ir pagrindiniai principai
Apskritai asinchroninė mašina yra plačiai žinoma kaip asinchroninis variklis, kuris elektros energiją paverčia mechanine energija. Įdomu tai, kad ta pati mašina gali veikti kaip indukcinis generatorius, jei ją tam tikru greičiu suka pagrindinis variklis. Indukciniai generatoriai veikia elektromagnetinės indukcijos principu: dėl besisukančio magnetinio lauko ir magnetinio lauko bei rotoriaus greičio skirtumo rotoriuje ir statoriuje indukuojama elektros įtampa.
Svarbiausia norint suprasti indukcinius generatorius, yra slydimo sąvoka, kuri yra santykinis skirtumas tarp magnetinio lauko sukimosi greičio (sinchroninio greičio) ir rotoriaus sukimosi greičio. Asinchroniniame variklyje rotorius sukasi šiek tiek lėčiau nei sinchroninis greitis, todėl slydimas yra teigiamas. Priešingai, indukciniame generatoriuje rotorius sukasi šiek tiek greičiau nei sinchroninis greitis, todėl slydimas yra neigiamas, o mechaninė energija iš pagrindinio variklio paverčiama elektros energija, kuri tiekiama į apkrovą arba tinklą.
Sinchroninio greičio ir energijos generavimo sąlygos
Sinchroninis greitis nustatomas pagal mašinos dažnį ir polių skaičių, tiesiog nurodant:
– Ns = 120 f / P
kur Ns yra sinchroninis greitis (aps./min.), f – dažnis (Hz), o P – polių skaičius. Pavyzdžiui, 50 Hz sistemoje su 4 poliais sinchroninis greitis yra 1500 aps./min. Kad asinchroninė mašina gamintų energiją, rotorius turi suktis šiek tiek didesniu nei 1500 aps./min. Šio nedidelio skirtumo pakanka, kad energijos srautas pasikeistų iš mechaninio į elektrinį.
Tačiau, skirtingai nei sinchroniniai generatoriai, indukciniai generatoriai nesukuria savo magnetinio lauko. Jiems reikalinga reaktyvioji (įmagnetinimo) galia lauko srautui generuoti. Ši reaktyvioji galia paprastai gaunama iš elektros tinklo arba iš kondensatorių baterijos, jei ji veikia nepriklausomai.
Reaktyviosios galios reikalavimai ir kondensatorių vaidmuo
Viena iš indukcinio generatoriaus savybių yra jo reaktyviosios galios poreikis. Prijungtas prie tinklo, tinklas veikia kaip „sužadinimo šaltinis“, kuris tiekia magnetizacijos srovę. Dėl to indukciniai generatoriai puikiai tinka lygiagrečiam darbui su tinklu, nes įtampą ir dažnį nustato tinklas, o indukcinis generatorius tiekia aktyviąją galią, atsižvelgdamas į pagrindinio variklio mechanines sąlygas.
Autonominiam veikimui (neprijungtam prie tinklo) indukciniam generatoriui reikalingas sužadinimo kondensatorius įtampai generuoti. Kondensatorius tiekia reaktyviąją srovę, sukurdamas magnetinį srautą, kuris vėliau leidžia generuoti įtampą gnybtuose. Ši sistema vadinama savaime sužadinamu indukciniu generatoriumi (SEIG). Nors autonominis veikimas yra patrauklus atokiose vietovėse, jam reikia kruopštesnio projektavimo, nes įtampai ir dažniui didelę įtaką daro apkrova ir sukimosi greitis.
Generavimo sistemų veikimo charakteristikos
Indukciniai generatoriai turi keletą unikalių savybių elektros energijos gamybos sistemose:
1. Dažnis priklauso nuo tinklo arba greičio
Prie tinklo prijungtoje sistemoje dažnis seka tinklą ir todėl yra stabilus. Autonominėje sistemoje dažniui įtakos turi turbinos greitis ir apkrovos charakteristikos.
2. Įtampos reguliavimas nėra toks geras kaip sinchroninių generatorių.
Indukcinio generatoriaus išėjimo įtampa linkusi mažėti didėjant apkrovai, ypač jei reaktyviosios galios tiekimas yra nepakankamas.
3. Paprastesnės sinchronizavimo galimybės
Kadangi jam nereikia nuolatinės srovės sužadinimo sistemos ir nereikia „ieškoti už kampo“ kaip sinchroniniam generatoriui, prijungimo prie tinklo procesas gali būti paprastesnis, nors vis tiek reikalingos tinkamos apsaugos ir reguliavimo procedūros.
4. Elgesys trikdžių metu
Įtampos kritimo metu indukcinio generatoriaus gebėjimas palaikyti įtampą yra ribotas, nes jis labai priklauso nuo sistemos reaktyviosios galios.
Indukcinių generatorių privalumai
Yra keletas priežasčių, kodėl indukciniai generatoriai plačiai naudojami tam tikrose elektrinėse:
– Paprasta ir tvirta konstrukcija
Jam nereikia nuolatinės srovės sužadinimo sistemos ir slydimo žiedų (narvo tipo rotoriuje), todėl gedimo rizika yra mažesnė.
– Mažesnės priežiūros išlaidos
Kadangi komponentų yra mažiau, įprastinė priežiūra paprastai yra lengvesnė ir pigesnė.
– Atsparus mechaninių apkrovų svyravimams
Tinka kintantiems energijos šaltiniams, tokiems kaip vėjas ir kintantys vandens srautai.
– Lengva valdyti lygiagrečiai tinkleliui
Įtampa ir dažnis atitinka tinklą, todėl sistemos valdymas yra paprastesnis nei mažų sinchroninių generatorių, kuriems reikalingi automatiniai keitikliai (AVR) ir sudėtingesni sužadinimo nustatymai.
– Geresnis mechaninis saugumas tam tikromis sąlygomis
Kai kuriais atvejais indukciniai generatoriai rečiau patiria tokius didelius vidinius viršįtampius kaip sinchroniniai generatoriai, nors apsauga vis tiek reikalinga.
Techniniai trūkumai ir iššūkiai
Nepaisant privalumų, indukciniai generatoriai turi ir trūkumų:
– Reikalinga reaktyvioji galia
Tai dažnai yra didelė problema. Jei sistema neužtikrina tinkamos reaktyviosios kompensacijos (pvz., kondensatorių baterijos arba STATCOM), galios koeficientas gali būti prastas, o įtampa – nestabili.
– Įtampos ir dažnio reguliavimas (atskiras) yra mažiau stabilus
Atskiroms programoms reikalingi papildomi nustatymai, pvz., apkrovos mažinimo valdikliai, greičio valdikliai ir atitinkami kondensatoriai.
– Esant tam tikroms dalinėms apkrovoms, efektyvumas gali sumažėti
Priklausomai nuo mašinos konstrukcijos ir eksploatavimo profilio, efektyvumas ne visada yra optimalus visuose darbo taškuose.
– Našumas tinklo sutrikimų metu
Kai įvyksta įtampos kritimas, magnetizavimo srovės poreikis gali padidėti, pabloginti būklę ir sukelti išjungimą, jei nebus išspręsta reaktyviosios kompensacijos įtaiso problema.
Taikymas elektros energijos gamyboje
1. Vėjo elektrinė (VJJ)
Indukciniai generatoriai yra plačiai naudojami, ypač ankstyvosiose vėjo turbinų konstrukcijose ir kai kuriose šiuolaikinėse konfigūracijose. Labiausiai paplitęs tipas yra dvigubo maitinimo indukcinis generatorius (DFIG), kuris leidžia veikti platesniu greičio diapazonu ir geriau valdyti reaktyviąją galią per rotoriaus galios keitiklį.
2. Mikro hidroelektrinė (PLTMH)
Prie tinklo prijungtose mikrohidro sistemose indukciniai generatoriai yra populiarūs dėl savo paprastumo ir tvirtumo. Ne elektros tinkluose esančiose vietovėse dažnai pasirenkami SEIG su kondensatorių baterijomis dėl jų santykinai mažos kainos.
3. Biomasės arba atliekų pagrindu pagaminti generatoriai
Jei pagrindinis variklis yra gana stabilaus greičio mašina ir sistema yra prijungta prie tinklo, indukcinis generatorius gali būti ekonomiškas pasirinkimas.
4. Likutinės energijos panaudojimas (atliekų energijos regeneravimas)
Kai kuriose pramonės šakose likusi mechaninė proceso energija gali būti panaudota indukciniam generatoriui sukti ir tiekti energiją į vidinį tinklą arba elektros tinklą.
Apsaugos aspektai ir prijungimas prie sistemos
Elektros energijos gamybos praktikoje indukciniams generatoriams reikalinga tinkama apsaugos sistema, įskaitant:
– Apsauga nuo viršsrovės ir trumpojo jungimo
– Apsauga nuo viršįtampio / per mažos įtampos
– Dažnio apsauga
– Apsauga nuo tinklo nuostolių (anti-islanding), ypač prijungus prie tinklo
– Reaktyviosios galios kompensavimo nustatymai, skirti palaikyti galios koeficiento ir įtampos stabilumą
Siekdami gero integravimo, sistemų planuotojai paprastai atsižvelgia į tinklo pajėgumą, VAR reikalavimus, elektros energijos kokybę (harmonikas, jei naudojami keitikliai) ir taikomus sujungimo standartus.
Išvada
Indukciniai generatoriai yra svarbus ir plačiai naudojamas sprendimas elektros energijos gamyboje, ypač atsinaujinančiosios energijos taikymuose ir mažose bei vidutinėse jėgainėse. Dėl paprastos konstrukcijos, patikimumo ir lengvo lygiagretaus veikimo su tinklu, indukciniai generatoriai suteikia tiek ekonominių, tiek techninių pranašumų. Tačiau reaktyviosios galios reikalavimai ir įtampos / dažnio reguliavimo iššūkiai, ypač veikiant autonominiu režimu, reikalauja kruopštaus sistemos projektavimo, įskaitant tinkamų kondensatorių baterijų, valdiklių ir apsaugos naudojimą. Tinkamai suprojektuoti indukciniai generatoriai gali būti efektyvios, tvarios ir greitai reaguojančios energijos gamybos pagrindas šiuolaikinėse elektros energijos sistemose.
