Индукциски генератори во електрани
Индукциските генератори се технологија која е широко користена во современите системи за производство на енергија, особено во апликации кои бараат сигурно работење, релативно едноставно одржување и релативно пониски инвестициски трошоци во споредба со другите типови генератори. Иако терминот „генератор“ често се поврзува со синхрони генератори, индукциските генератори играат витална улога - особено во системите за производство на обновлива енергија, како што се ветерните турбини и микрохидроцентралите. Оваа статија ги разгледува принципите на работа на индукциските генератори, нивните карактеристики, предности и недостатоци и нивната примена во производството на енергија.
Дефиниција и основни принципи
Генерално, индукциската машина е широко позната како индукциски мотор, кој ја претвора електричната енергија во механичка енергија. Интересно е што истата машина може да работи како индукциски генератор ако се ротира од главниот двигател со одредена брзина. Индукциските генератори работат на принципот на електромагнетна индукција: електричен напон се индуцира во роторот и статорот поради присуството на ротирачко магнетно поле и разликата во брзината помеѓу магнетното поле и роторот.
Клучот за разбирање на индукциските генератори е концептот на лизгање, што е релативна разлика помеѓу брзината на ротација на магнетното поле (синхрона брзина) и брзината на ротација на роторот. Во индукциски мотор, роторот ротира малку побавно од синхроната брзина, па затоа лизгањето е позитивно. Обратно, во индукциски генератор, роторот ротира малку побрзо од синхроната брзина, па затоа лизгањето е негативно, а механичката енергија од главниот двигател се претвора во електрична енергија што се доставува до товарот или мрежата.
Синхрона брзина и услови за производство на енергија
Синхроната брзина се одредува според фреквенцијата и бројот на полови на машината, едноставно кажано:
– Ns = 120 f / P
каде што Ns е синхроната брзина (rpm), f е фреквенцијата (Hz), а P е бројот на полови. На пример, во систем од 50 Hz со 4 пола, синхроната брзина е 1500 вртежи во минута. За индукциската машина да произведе енергија, роторот мора да се ротира малку над 1500 вртежи во минута. Оваа мала разлика е доволна за да се смени протокот на енергија - од механички на електричен.
Сепак, за разлика од синхроните генератори, индукциските генератори не произведуваат свое магнетно поле. Тие бараат реактивна (магнетизирачка) моќност за да го генерираат флуксот на полето. Оваа реактивна моќност обично се добива од електричната мрежа или од кондензаторска банка ако работат независно.
Потребни вредности за реактивна енергија и улогата на кондензаторите
Една од карактеристиките на индукцискиот генератор е неговата потреба за реактивна моќност. Кога е поврзан со мрежата, мрежата делува како „извор на побудување“ што ја обезбедува магнетизирачката струја. Ова ги прави индукциските генератори погодни за паралелна работа со мрежата бидејќи напонот и фреквенцијата се одредуваат од мрежата, додека индукцискиот генератор обезбедува активна моќност врз основа на механичките услови на главниот двигател.
За самостојна работа (надвор од мрежата), индукцискиот генератор бара кондензатор за побудување за да генерира напон. Кондензаторот снабдува реактивна струја, создавајќи магнетен флукс, кој потоа овозможува генерирање на напон на терминалите. Овој систем се нарекува самовозбуден индукциски генератор (SEIG). Иако е привлечен за оддалечени области, самостојната работа бара повнимателен дизајн бидејќи напонот и фреквенцијата се значително засегнати од оптоварувањето и брзината на ротација.
Работни карактеристики во системи за генерирање
Индукциските генератори имаат неколку уникатни карактеристики во системите за производство на енергија:
1. Фреквенцијата зависи од мрежата или брзината
Во систем поврзан со мрежа, фреквенцијата ја следи мрежата и затоа е стабилна. Во самостоен систем, фреквенцијата е под влијание на брзината на турбината и карактеристиките на оптоварувањето.
2. Регулацијата на напонот не е толку добра како кај синхроните генератори.
Излезниот напон на индукцискиот генератор има тенденција да опаѓа со зголемувањето на оптоварувањето, особено ако напојувањето со реактивна енергија е недоволно.
3. Поедноставни можности за синхронизација
Бидејќи не бара Систем за побудување со еднонасочна струја и не треба да „брка агли“ како генератор Синхроно, процесот на меѓусебно поврзување со мрежата може да биде поедноставен, иако сè уште бара правилна заштита и процедури за поставување.
4. Однесување за време на нарушување
При падови на напонот, способноста на индукцискиот генератор да одржува напон е ограничена бидејќи е многу зависна од реактивната моќност на системот.
Предности на индукциските генератори
Постојат неколку причини зошто индукциските генератори се широко користени во одредени електрани:
– Едноставна и цврста конструкција
Не бара систем за побудување со еднонасочна струја и лизгачки прстени (во типот на ротор со кафез), па затоа ризикот од дефект е помал.
– Пониски трошоци за одржување
Бидејќи има помалку компоненти, рутинското одржување е генерално полесно и поевтино.
– Отпорност на варијации на механички оптоварувања
Погодно за флуктуирачки извори на енергија како што се ветерот и променливите текови на вода.
– Лесно се работи паралелно со мрежата
Напонот и фреквенцијата ја следат мрежата, па затоа контролата на системот е поедноставна од малите синхрони генератори на кои им се потребни AVR-и и посложени поставки за возбудување.
– Подобра механичка безбедност под одредени услови
Индукциските генератори имаат помала веројатност да доживеат внатрешни пренапони толку големи како синхроните генератори во некои сценарија, иако заштитата е сè уште потребна.
Технички недостатоци и предизвици
И покрај предностите, индукциските генератори имаат и недостатоци:
– Потребна е реактивна моќност
Ова често е голем проблем. Ако системот не обезбеди соодветна реактивна компензација (на пр., кондензаторски банки или STATCOM), факторот на моќност може да биде низок, а напонот нестабилен.
– Регулацијата на напонот и фреквенцијата (самостојна) е помалку стабилна
За самостојни апликации, потребни се дополнителни поставки како што се контролери за оптоварување при пригушување, контроли на брзина и соодветни кондензатори.
– Ефикасноста може да се намали при одредени делумни оптоварувања
Во зависност од дизајнот на машината и работниот профил, ефикасноста не е секогаш оптимална во сите работни точки.
– Перформанси за време на прекини во мрежата
Кога ќе се појави пад на напонот, потребата од магнетизирачка струја може да се зголеми, влошувајќи ја состојбата и предизвикувајќи исклучување ако не се реши со уред за реактивна компензација.
Примени во производство на енергија
1. Ветерна електрана (PLTB)
Индукциските генератори се широко користени, особено во раните дизајни на ветерни турбини и во некои модерни конфигурации. Најчестиот тип е двојно напојувачкиот индукциски генератор (DFIG), кој овозможува работа со поширок опсег на брзина и подобра контрола на реактивната моќност преку конвертор на моќност на роторот.
2. Микро хидроцентрала (PLTMH)
Во микрохидросистемите поврзани на мрежа, индукциските генератори се популарни поради нивната едноставност и робусност. Во областите надвор од мрежа, SEIG-овите со кондензаторски банки често се избираат поради нивната релативно ниска цена.
3. Генератори на биомаса или отпад
Ако главниот двигател е машина со прилично стабилна брзина и системот е поврзан со мрежата, индукцискиот генератор може да биде економична опција.
4. Искористување на преостанатата енергија (преработка на отпадна енергија)
Во некои индустрии, преостанатата механичка енергија од процесот може да се користи за ротирање на индукциски генератор и снабдување со енергија на внатрешната мрежа или на електричната мрежа.
Аспекти на заштита и поврзување со системот
Во практиката за производство на електрична енергија, индукциските генератори бараат соодветен систем за заштита, вклучувајќи:
– Заштита од прекумерна струја и краток спој
– Заштита од пренапон/поднапон
– Заштита на фреквенција
– Заштита од загуби во мрежата (анти-островување), особено кога е поврзан со мрежата
– Поставки за компензација на реактивна моќност за одржување на факторот на моќност и стабилноста на напонот
За добра интеграција, системските планери обично ги земаат предвид мрежниот капацитет, барањата за VAR, квалитетот на енергијата (хармоници ако се користат конвертори) и применливите стандарди за меѓусебно поврзување.
Заклучок
Индукциските генератори се важно и широко користено решение во производството на електрична енергија, особено во апликациите за обновлива енергија и малите до средни постројки. Со нивната едноставна конструкција, сигурност и леснотија на паралелно работење со мрежата, индукциските генератори нудат и економски и технички предности. Сепак, барањата за реактивна моќност и предизвиците за регулирање на напонот/фреквенцијата - особено во самостоен режим - бараат внимателен дизајн на системот, вклучувајќи ја употребата на соодветни кондензаторски банки, контролери и заштита. Со правилен дизајн, индукциските генератори можат да бидат 'рбетот на ефикасно, одржливо и одзивно производство за модерните енергетски системи.
