Physics | Energy » Újvári János - Szélerőművekben használatos generátorok leírása és analízise

SZABADKAI MÜSZAKI FÖISKOLA Automatika általános elektrotechnika és energetika tanszék Szélerőművekben használatos generátorok leírása és analízise - Terv feladat I - Mentor: Dr. Varga József Hallgató: Ujvári János Szabadka 2006 Tartalom Tartalom. 1 Bevezető. 2 1. Szélgenerátor típusok 3 1.1 Szélgenerátor típusok a meghajtás módja szerint: 3 1.11 Áttételes szélgenerátorok 3 1.12 Áttétel nélküli szélgenerátorok 3 1.2 Szélgenerátor típusok üzemeltetésük szerint: 5 1.21 Közvetlen hálózatra üzemelő szélgenerátor 5 1.22 Sziget üzemben működő szélgenerátor 5 1.23 Vegyes üzemben működő szélgenerátor 6 1.3 Szélgenerátor típusok a meghajtott generátor fajtája szerint: 7 1.31 Aszinkron generátor 7 1.311 Rövidre zárt forgórészű aszinkron generátor 7 1.312 Csúszógyűrűs aszinkron generátor 12 1.32 Szinkron generátor 15 1.322 Gerjesztett forgórészű szinkron generátor 17 1.323 Állandó mágneses

szinkron generátorok 18 2. Szélgenerátorok szabályozása és védelme 20 2.1 Közvetlen hálózatra kapcsolódó generátorok védelmi és szabályozási lehetőségei 20 2.11 Aszinkron generátorok hálózatra kapcsolása 20 2.12 Szinkron generátorok hálózatra kapcsolása 21 2.2 Impulzusvezérelt rotorellenálás szabályozás 22 2.3 Frekvenciaváltón keresztül hálózatra csatlakozó generátorok 23 Összefoglaló. 27 Felhasznált irodalom. 28 1 Bevezető A szelet mint megújuló energiaforrást az ember már ókorban használta. Vitorláshajókkal tengereket szeltek át és új világokat fedeztek fel, a szélmalmok segítségével pedig a táplálkozáshoz elengedhetetlen gabonát őrölték. Az új energia források felfedezésével, mint például a szén, a kőolaj és földgáz, a szél fokozatosan háttérbe szorult. A népesség növekedésével (napjainkban) az energiafelhesználás, és ezzel párhuzamosan az energia termelés is rohamosan növekvő

tendenciát mutat. Korunk egyik legégetőbb, megoldásra váró problémája az egyre növekvő energiaigényeinek környezettudatos kielégítése. A Föld kőolaj-, földgáz-, szénkészlete egyre csökken Ezen a területen különböző becslések láttak napvilágot, de az bizton állítható hogy ezek a készletek 100 – 140 éven belül kiapadnak, vagy előállítási költségük irracionálisan nagy lesz. E folyamatot lehet lassítani energia takarékos technológiák kifejlesztésével, de megállítani nem lehet. Megoldást a megújuló energiaforrások a víz, szél és a Nap energiájának kihasználása nyójt. A vízierömüvek telepítésének határt szabnak a földrajzi, vízgazdálkodási, természetvédelmi szempontok, a napenergia felhasználása pedig nem biztosit azonnal rendelkezésre álló nagymennyiségű energiát. Itt térnék ki korúnk egyik legellentmondásosabb energiájára: az atomenergiára. Az atomenergia előállítása csak kis mértékben

szennyezi a környezetett, de az előállítás közben keletkező radioaktív hulladék hosszú távú tárolása komoly gondokat okoz. Marad tehát a szél biztosította lehetőségek kihasználása. A szélenergia hasznosítása környezeti szempontból azért is kiemelkedő, mivel a szélerőművek működésük folyamán gyakorlatilag nem állítanak elő káros melléktermékeket, miközben a többi erőműhöz képest alacsony a karbantartási költségük, valamint az elhasznált erőművek lebontása nem okoz különösebb gondot. A szélerőművek elterjedése az elmúlt 10-15 évben rohamosan növekedett. Köszönhette ezt nemcsak a környezetvédők nyomásának, hanem annak is, hogy a fejlesztések eredményeképpen a kezdeti néhány 10 kW-os turbinákból mára 4-5 MW teljesítményűek kerülnek üzembe, amik jóval gazdaságosabbak is elődeiknél. Dolgozatomban szeretném bemutatni a szélerőművekben használt generátor típusok előnyeit, hátrányait. 2 1.

Szélgenerátor típusok A szélgenerátor a levegő kinetikus energiáját alakíja először mechanikai, majd villamos energiává. A szélgenerátorokat többféleképpen lehet csoportosítani: 1.1 Szélgenerátor típusok a meghajtás módja szerint: A meghajtás módja lehet közvetlen (áttétel nélküli) vagy közvetett (áttételes). áttétel 1:50 generátor 30/min generátor 1500/min a) b) 1.11 ábra: a) áttételes megoldás b) áttételmentes megoldás 1.11 Áttételes szélgenerátorok A közcélú hálózatra kapcsolt szélerőművek többsége jelentős viszonyszámú áttételt is tartalmaz a szélturbina és a generátor között (1.11a ábra) 50Hz –es hálózati frekvencia esetén a 2p = 4 pólusú generátornak n = 1500 min-1 fordulatszámmal kell forognia, míg a szélturbina fordulatszáma a névleges teljesítménytől (illetve a szélkerék átmérőjétől) függően kb. 15-40 min-1 Ez i = 30~100 közötti áttételi viszonyszámot tételez fel

Fogaskerék áttétel esetén egy fokozatban kb. 1:6 viszonyszám valósítható meg Ezért szélerőművekben 2-3 fokozatú áttétel szükséges. Az áttételek veszteségei elsődlegesen olajban forgó fogaskerék és csapágyak viszkózus súrlódásának tudhatók be, amelyek kevésbé függnek az átvitt nyomatéktól. Ésszerű feltételezni, hogy az áttétel vesztesége az alacsonysebességű (turbina) tengely névleges mechanikai teljesítményének adott százaléka. Bár az aktuális érték függvénye az áttétel minőségének és állapotának, közelítőleg feltételezhető, hogy fokozatonként a névleges teljesítmény 2%-a megy veszendőbe. Ezért egy q fokozatú áttétel eredő hatásfoka tetszőleges PT terhelés átvitelekor: P PT ± 0.02 ⋅ qPTn ηm = (1) = PT PT 1.12 Áttétel nélküli szélgenerátorok Áttétel nélküli szélerőművek (1.11b ábra) az utóbbi időben terjedtek el Legnagyobb előnyük, hogy elmarad a mechanikai áttételben keletkező

energiaveszteség és zaj, továbbá csökken a karbantartási igény. A konstrukciók általában kihasználják, hogy a szélkerék és a generátor forgórésze ugyanazon a tengelyen helyezkedik el, és ennek köszönhetően 3 elegendő a közös tengely végein csapágyazni. A gyakorlatban közvetlen hajtású szélgenerátorként kizárólag szinkron generátorokat alkalmaznak. A hálózatba való csatlakozás ezeknél a hajtásoknál is frekvenciaváltón keresztül történik. A szélturbinák névleges fordulatszáma a névleges teljesítménytől függően nn=15-60 min-1 tartományban van. Az áttétel nélküli szinkrongenerátoroknak ez egyben az: 60 ⋅ f1n (2) n n = n1n = p névleges szinkron fordulatszáma. Ha feltételezzük, hogy a névleges fordulatszámon f1n= 50Hz a generátor névleges frekvenciája, akkor az nn = 60 min-1 fordulatszámú generátornál p = 50, az nn = 15 min-1 fordulatszámnál p = 200 a pólusok száma. A közvetlen hajtású szinkron

szélgenerátorok névleges frekvenciája a gyakorlatban is f1n ≈ 50Hz, annak ellenére, hogy frekvenciaváltós üzemben dolgoznak. Ennél kisebb névleges frekvencia a méreteket, nagyobb frekvencia a vasveszteségeket növelné meg. A vasúti és közúti szállíthatóság kb 4 m-re korlátozza a készre szerelhető generátor külső átmérőjét. Emiatt a MW teljesítmény tartományba eső, 5-6 m külső átmérőjű generátorok végszerelését a helyszínen kell elvégezni. A kb 6 méternél nagyobb külső átmérőjű generátor alkalmazása problematikus, mert már túl nagy részt takarna a turbinából, és nagy mechanikai rezgések lépnének fel. 4 1.2 Szélgenerátor típusok üzemeltetésük szerint: 1.21 Közvetlen hálózatra üzemelő szélgenerátor A generátor közvetlenül a meglévő elektromos energia elosztó hálózatba termel. Ez a típus a leggazdaságosabb mert a villamos energiát a hálózaton keresztül olyan helyekre is el lehet juttatni

ahol nem fúj a szél. Ilyen típusú szélerőművekben főleg aszinkron generátorokat alkalmaznak. helyi fogyasztó helyi fogyasztó helyi fogyasztó villamos energia hálózat helyi fogyasztó 1.21 ábra: közvetlen hálózatra üzemelő szélgenerátor 1.22 Sziget üzemben működő szélgenerátor Ezeket a szélerőműveket olyan helyeken telepítik ahol nincs kiépített villamos infrastruktúra. Hegyekben, tanyákon, hétvégi házakban Ezek általában néhány kW –os erőművek amelyek a kitermelt villamos energiát akkumulátorokban tárolják, gyakran napelemekell kombinálva működnek. Az ilyen típusú generátorok általában szinkron generátorok. Előnye a közvetlen hálózatra kapcsolt szélgenerátorral szemben hogy a szigetüzem toleráns a frekvencia ingadozásra. helyi fogyasztó 1.22 ábra: sziget üzemben működő szélgenerátor 5 Abban az esetben ha a generátor teljesítménye sokszorosa a néhány kW-nak közvetlen lehet fogyasztókat

kapcsolni rá. Sziget üzemben pillanatról pillanatra illeszteni kell a megtermelt energiát a fogyasztók véletlenszerűen változó igényeihez. A hatásos teljesítmények tranziensekre is érvényes egyensúlya: dω G PT = PG + ω G θ T* + θ G (3) dt Átmenetileg megváltozhat a generátor ωG szögsebessége illetve fG frekvenciája, ha akár a fogyasztók, akár a turbina teljesítménye változik. A meddőteljesítményeknek szintén egyensúlyban kelleniük: a generátor meddő teljesítmény igényét a hálózatnak fedezni kell és vice versa. Erre a célra különösen jól megfelel a feszültség szabályozott (rendszerint túlgerjesztett) szinkron generátor. A frekvenciát a turbina fordulatszám szabályozóval a feszültséget pedig a generátor gerjesztésével lehet a kívánt értékre beállítani. Aszinkron generátor esetében – az elmondottak miatt – szabályozott meddő energiaforrásra is szükség van, hogy a feszültséget állandó értéken tudjuk

tartani. Ebben az esetben a feszültséget szabályozó kondenzátor telepek ki-be kapcsolásával tartják a fogyasztók feszültségét egy tolerancia sávon belül. A gyakorlatban 2~12 lépcsőben szokásos megvalósítani az átkapcsolást. ( ) 1.23 Vegyes üzemben működő szélgenerátor Vegyes üzemeltetésű szélerőműveket olyan helyre telepítenek ahol a meglévő hálózaton az áramszolgáltatás akadozik. Így amennyiben a hálózat zavartalanul működik akkor a generátor közvetlen a hálózatba táplálja az elektromos energiát amennyiben ez nem áll fenn az áram szolgáltató leválaszt egy részt ahol is a szélgenerátor szigetüzemben működik. Problémás lehet a hálózatra való újbóli visszakapcsolás ha a generátor frekvenciája közben akár egy kicsit is eltért a hálózatétól. helyi fogyasztó helyi fogyasztó villamos energia hálózat helyi fogyasztó helyi fogyasztó helyi fogyasztó 1.23 ábra: vegyes üzemben működő szélgenerátor

6 1.3 Szélgenerátor típusok a meghajtott generátor fajtája szerint: 1.31 Aszinkron generátor Az aszinkron motor működési elve A B indukciójú mágneses térben az l hosszúságú (az erővonalakra merőleges) vezetőre, amelyben i áram folyik F = B ⋅ l ⋅ i nagyságú mágneses erő hat az erővonalakra merőlegesen. Ez az erő nem más mint a mozgó töltéshordozók körüli mágneses tér és a külső mágneses tér egymásra való hatása. Az erőhatás irányát a jobbcsavar-szabály alkalmazásával felrajzolt erővonal kép adja meg az 1.311 ábrán A vezető a ritkuló erővonalak irányába mozdul el. F 1.311 ábra A forgórész hornyaiban vezetők helyezkednek el, amelyek rövidre vannak zárva (csúszógyűrűs forgórész esetében a csúszógyűrűkön keresztül). A vezetőkben az állórész forgó mágneses tere feszültséget indikál amely a tekercsek rövidre zártsága miatt áramot hoz létre. Ez az áram által létrehozott mágneses mező

és az állórész mágneses terének kölcsön hatása ként a forgórészre kerületi erő hat. Ez az erő a forgórész sugarával megszorozva adja a forgatónyomatékot. M = F · r Amennyiben a nyomaték elég nagy ahhoz hogy legyőzze a meghajtott gép nyomatékát a forgórész forogni kezd. Ha a forgórész szinkron feletti sebességgel forog generátoros üzemről beszélünk. 1.311 Rövidre zárt forgórészű aszinkron generátor A rövidre zárt forgórészű aszinkron generátor előnyei: viszonylag könnyen és olcsón előalítható, minimális karban tartást igényel. A villamos hálózatra bármikor rákapcsolható ellentétben a szinkron generátorral ahol is szinkronizáló elektronikára van szükség, továbbá 7 motoros üzemben segíthet a szélturbina felfutásában, ugyanis a szélturbina fékezet állapotban van mindaddig amíg a szél sebessége el nem éri az energia termelésre alkalmas minimális értéket. Ennél az értéknél a fékek feloldanak

és az állórész a hálózatra kapcsolják, az aszinkron gép motoros üzemben működik mindaddig ameddig a sebessége meg nem haladja a szinkron sebességet amikor is átvált generátoros üzembe. Hátránya hogy nehézkesen szabályozható. 1.3111 Közvetlen hálózatra kapcsolt A közvetlen hálózatra kapcsolt aszinkron generátorok transzformátoron keresztül a villamos energia hálózatra vannak kapcsolva. A generátoros üzem akkor kezdődik amikor a forgórész sebessége meghaladja a forgó mágneses mező szinkron sebességét, de a sebesség változások csak 1-2% - kosak lehetnek, emiatt terjedt el az állandó sebességű rendszer megnevezés. Általában az állandó sebességű rendszereknél a sebesség változtatást úgy oldják meg hogy vagy az állórész tekercselésének a pólus számát változtatják meg, vagy a szélturbina két különböző pólus számú (és teljesítményű) generátort hajt meg, a kisebb teljesítményűt és egyben kisebb szinkron

sebességűt alacsony szélsebességeknél, a nagyobb teljesítményűt és egyben a nagyobb szinkron sebességűt magasabb szélsebességekre. Egyértelmű hogy a nagyobb teljesítményű az aktív generátor vagyis a szélturbinát ennek a generátornak a meghajtására méretezték (általános megoldás a BONUS cégnél). A minél nagyobb hatásfok elérése érdekében egykalickás kivitelben készülnek, egy vagy kétsebességű változatban. Az elvi vázlatokat az 131111 ábra szemlélteti L1 L1 L1 L2 L2 L2 L3 L3 L3 K 1 21 21 2 K K1 1 21 21 2 K K1 P1 a) P2 P2 P1 b) c) 1.31111 ábra: kalickás forgórészű aszinkron generátor kivezetéseinek elvi vázlata Az 1.31111a ábra egy egyfordulatúi Δ/Y kapcsolású generátor elvi vázlatát ábrázolja Leginkább négy vagy hatpólusú kivitelezésben gyártják. Mivel az energiaátalakítás mindig 8 azonos szinkron fordulatszámnál történik, kisebb szélsebességnél a szélből nehezen lehet az energiát

kinyerni, ezért ilyenkor az állórész tekercsei csillagba vannak kötve, nagyobb szélsebesség esetében az állórész tekercsei háromszögbe vannak kötve. Az 1.31111b ábrán egy kétfordulatszámú generátor elvi vázlata látható Az állórészben kettő tekercselés helyezkedik el, általában 6/8 pólusú. A nyolc pólusú tekercselést kisseb szélsebességnél míg a hatpólusú tekercselést nagyobb szélsebességnél üzemeltetik. A különböző üzemi fordulatszám miatt a szélenergia kihasználása jobb mint az előző esetben. Hátránya, hogy míg a generátor egyik tekercseléssel üzemel, a másik tekercselés nincs kihasználva, így a generátor hatásfoka rosszabb. Az 1.31111c ábra egy kétfordulatszámú, pólusátkapcsolásos kivezetésű aszinkron generátor elvi vázlata látható, YY/Δ kapcsolásban. Az állórészben csak egy Dahlander kapcsolású tekercselés van elhelyezve. Nagyobb fordulatszámmal (6 pólus) a tekercselés párhuzamos csillagba

(YY) van kapcsolva, a kisebb fordulatszámnál (8 pólus) pedig háromszögbe (Δ). A kisebb fordulatszámhoz tartozó kapcsolás (Δ) kisebb teljesítményeknél, a nagyobb fordulatszámhoz tartozó kapcsolás (YY) pedig nagyobb szélsebességnél használják. Ebből kifolyólag a szélenergia hasznosítása jó A generátor hatásfoka nagyobb mint az előző ábrán, mert az állórész tekercselése mindkét fordulatszámnál ki van használva. A közvetlen hálózatra kapcsolt generátor nagy hátránya hogy az aszinkron generátor mindig fogyaszt reaktív energiát, ami nemkívánatos nagy turbinák és gyenge hálózatok esetében. Lehetséges a kompenzáció kapacitásokkal, annak érdekében hogy a generátor teljesítménytényezője közel 1 – hez legyen. Ebben az esetben a generátor sebességét nem lehet szabályozni, ami hullámzó kimeneti teljesítményhez vezethet. aszinkron kalickás generátor villamos sebesség váltó hálózat szél turbina kompenzáló

kondenzátorok 1.31112 ábra: közvetlen hálózatra kapcsolt generátor 1.3112 Közbünső egyenáramú körös frekvenciaváltóval hálózatra kapcsolt A közbünsö egyenáramú körös frekvenciaváltóval hálózatra kapcsolt aszinkron generátorok, más néven indirekt hálózatra kapcsolt generátorok, a teljesítmény elektronika fejlődésével és annak előállítási költségeinek csökkentésével mind nagyobb teret hódítanak, de széleskörű elterjedésük még várat magára. Előnye hogy a generátor a szinkron sebességtől eltérő fordulatszámon is üzemelhet, kiemelt figyelmet érdemel az a tulajdonsága hogy a teljesítményelektronikának köszönhetően szabályozni lehet a generátor aktív és reaktív teljesítményét. Hátránya hogy a teljesítmény elektronika teljesítménye meg kell hogy egyezzen a generátor maximális teljesítményével ami költségesé teszi az 9 előállítást, valamit a teljesítmény elektronika kimenetén a

hálózati frekvencia felharmonikusai jelentkezhetnek. A teljesítményelektronika ősz vesztesége a generátor maximális teljesítményének mintegy 3% teszi ki. aszinkron kalickás generátor sebesség váltó teljesitmény elektronika villamos hálózat szél turbina 1.3112 ábra: indirekt hálózatra kapcsolt szélgenerátor Háromféle teljesítményelektronika van elterjedőben: 1. feszültség inverter 2. áraminverter 3. közvetlen átalakító 1.31121 Feszültég inverter A feszültség inverteres alapmegoldásokat az 1.31121 ábra mutat A közbünsö egyenáramú körben a feszültség inverter kapcsain Ce kondenzátor van, ami rövid időre feszültség kényszert eredményez. Az a és b esetben az U1 feszültséget az Ue egyenfeszültséggel változtatják, az ún. egyszerű feszültséginverter csak az f1 (f1= 50 Hz) frekvenciát változtatja. Az Ue egyenfeszültséget az a megoldásban a hálózati áramirányító, a b.-ben a DC/DC soros egyenáramú szaggató

szabályozza A c változatban Ue≈const, és az impulzus-széleség modulációs (ISZM – PWM, pulse width modulation) feszültség inverter változtatja mind az U1 feszültséget, mind az f1 frekvenciát. Veszteségmentes viszonyokat feltételezve: Pe = U e I e = Pm = Mω (4) a) b) c) fg hálózati áram irányító fg hálózati áram iranyító fg hálózati áram irányító Ue Ce egyszerü feszültség inverter Ue Ce egyszerü feszültség inverter Ce ISZM feszültség inverter DC DC Ue=const. f1 f1 f1 1.31121 ábra: feszültség inverteres alap megoldások 10 1.31122 Áraminverter Az áraminverteres megoldást az 1.3122 ábra szemlélteti A közbünsö egyenáramú kör az áraminverterhez minden esetben Le induktivitással kapcsolódik, amely rövid időre áramkényszert jelent. Az egyenáram Ie középértékét a hálózati áramirányító állítja be Veszteségmentes viszonyokat feltételezve itt is érvényes a (4) összefüggés. Ez

szimmetrikusan vezérelt hálózati áramirányítóval és áramgenerátoros ISZM hálózati áramirányítóval is biztosítható. A hálózati áramirányítóval szabályozzák az I1 alapharmonikus áramapmlitudót, az áraminverterrel az f1 (f1= 50 Hz) frekvenciát. Le fg hálózati áram irányító ie=Ie Ue áraminverter f1 1.31122 ábra: áraminverter 1.3113 Közvetlen frekvencia átalakítóval hálózatra kapcsolt A teljesen szabályozott, bidirekcionális, félvezető kapcsolók fejlődése lehetővé tette a váltakozó áram egy lépésben történő átalakítását. Működésük szerint megkülönböztetünk természetesen kommutáló (ciklokonverter) és kényszerkommutáló (matrix konverter) direkt frekvencia váltót, a ciklokonverter működhet köráram és köráram mentes üzemben. A jobb szélkihasználás érdekében a kalickás forgórészű aszinkron generátorokat félvezetős frekvenciaváltón (inverter) keresztül üzemeltetik. Ennek elvi vázlata

az 13113 ábrán látható. A kalickás forgórészű aszinkron generátor egy négynegyedes hajtásra alkalmas L1 L2 L3 Ug IVERTER K fg 1.3113 ábra: aszinkron generátor közvetlen frekvenciaváltón keresztül a villamos hálózatra kapcsolva félvezetős frekvencia váltón keresztül van a hálózatra kapcsolva. A frekvencia a generátorra olyan feszültséget (Ug) és frekvenciát (fg) kényszerit, amelynél az adott szélsebség mellet a szélerőmű hatásfoka a legnagyobb. A generátor a kitermelt villamos energiát a hálózatféle a frekvenciaváltón keresztül szolgáltatja változó fordulatszám mellet. Ebből kifolyólag a megoldás szélenergia hasznosítása nagyon jó. Hátránya, hogy a félvezetős frekvencia váltót a szélerőmű legnagyobb teljesítményére kell méretezni, így kivitelezése költséges. 11 1.3114 Kefe nélküli kétoldalról táplált aszinkron generátor Kefe nélküli kétoldalról táplált aszinkron gépcsoportot a legegyszerűbben

két tekercselt forgórészű aszinkron gépből alakítható ki, az 1.3114 ábra szerint A 2pH pólusú hálózati gép állórésze az fH frekvenciájú hálózatra, a 2pv pólusú vezérelt gép állórésze az fv változtatható frekvenciájú frekvenciaváltóra csatlakozik. A két forgórész merev tengely kapcsolatban van, és a két forgórész tekercs össze van kötve , de a vezérelt gépnél a bekötés sorrendje fordított a hálózati géphez képest. E mechanikus és villamos összekötés miatt a rotorok n fordulatszáma és a rotorköri fr frekvencia mindkét gépen megegyező, de a fogórész gerjesztés forgásiránya ellentétes a két gépen. Feltételezzük, hogy a hálózati gép állórészét pozitív sorrendűen tápláljuk, a vezérelt gép állórésze táplálható pozitív és negatív sorrendűen is. A kialakuló fordulatszám: f + fv n= H n (5) p H + pv Ez a fordulatszám a vezérelt gép fv tápfrekvenciájával változtatható. fH frekvencia válto

fH UH 2pH 2pv n fr hálózati gép vezerélt gép 1.3114 ábra: kefenélküli kétoldalról táplált aszinkron gépcsoport 1.312 Csúszógyűrűs aszinkron generátor A csúszógyűrűs gépeknél a forgórész is táplálható kívülről. Az 1312 ábra alapján a hátsó berendezéssel a forgórészből: P2 = Pr − Ptr = Mω r = Mω rz = M (ω r − ω rz ) (6) 12 teljesítményt veszünk ki, illetve adunk be. Idealizált esetben ezt a teljesítményt vagy visszatápláljuk a hálózatba, vagy az aszinkron géptengelyére kötjük ún. hátsó gép segítségével. Generátoros üzemben a kaszkád kapcsolásokat használják hátsó gépként P1 P2 A P2 =Pr −Ptr hátsó gép P2 hatsó berendezés 1.312 ábra: kétoldalról táplált aszinkron generátor A generátor forgórészének áramkörébe iktatatott vezérelt félvezetős iverter teszi lehetővé az optimális energia termeléshez szükséges állandó fordulatszám változást. A kaszkád kapcsolás ma

használatos megoldásaiban, az inverter 4/4 üzemre képes. Ennek a megoldásnak az előnyei abban rejlenek, hogy az itt jelenlevő teljesítményelektronika csak egy részét teszi ki a generátor maximális teljesítményének, mert a sebesség szabályozást 70% - 130% közt szokás megvalósítani. Így a teljesítmény elektronika a generátor maximális teljesítményének a 30% teszi ki, a félvezetőkön a veszteség 0.6-09% a generátor teljesítményéhez képest, a vonali induktancia 3-4% (12-15% a rotor teljesítményének). Hátrányai abban rejlenek hogy a csúszógyűrűk karbantartást igényelnek, a generátor nem teljes körű sebesség szabályozással működik, így van egy minimális és maximális megengedett sebessége, valamit indítási problémákkal küszködik (nem tud résztvenni a turbina felfutatásának indításában, mert akkor a csúszás 1 lenne, de a teljesítmény elektronika nem úgy van méretezve hogy ekkora terhelést elbírjon). Háromféle

generátoros (az aszinkron gép jellegét tekintve háromféle motorost is) üzemet különböztetünk meg, ezek: szinkron kaszkád üzem, szinkron feletti kaskád üzem, szinkron alatti kaszkád. Mindhárom esetben igaz az hogy: kisfeszültség (3 x 400V, 50Hz) esetén elhanyagolható a TR illesztő transzformátor. 1.3121 Szinkron kaszkád üzem Szinkron generátoros üzemről akkor beszélünk, ha a csúszógyűrűs aszinkron generátor forgórészének két fázistekercsére az invertor egyenáramot kényszerit (f2=0). Ebben az esetben az aszinkron csúszógyűrűs generátor szinkron generátor módjára viselkedik. Az invertor csak a forgórészen keletkező gerjesztési tekercs veszteségeket fedezi a hálózatból. 13 P2 P1 TR sebesség váltó Le Ie f r = sf1 = 0 Ue Pe = P2 1.3121 ábra szinkron kaszkád üzem 1.3122 Szinkron feletti kaszkád Szinkron feletti kaszkád üzemben az invertor a generátor forgórész tekercseire olyan relatív kis frekvenciájú f2=sf1

áramokat kényszerit amelyek forgó mágneses tere ellentétes forgásirányú a forgórész forgás irányával. Ez gazdaságos üzemmód mert, a generátor a felvett mechanikai teljesítményt villamos teljesítményé alakítva úgy az állórész, mint a forgórész oldalon a hálózat felé irányulnak. P2 P1 TR sebesség váltó Le Ie f r = sf1 Ue Pe = P2 1.3122 ábra: szinkron feletti kaszkád 1.3123 Szinkron alatti kaszkád Szinkron alatti kaszkádos üzemben a forgórész áramai által létrehozott forgó mágneses mező iránya megegyező a forgórész forgás irányával. Ennél az aszinkron generátoros üzemmódnál a csúszás energiát az invertor a hálózatból fedezi. Az így kialakult energia 14 körforgás miatt a szinkron fordulatszám alatti kaszkád kapcsolás hatásfoka kisebb, a szinkron feletti kaszkád üzemmód hatásfokától. Ennek a megoldásnak a hátránya hogy a generátor nagy meddő teljesítményt vesz fel a hálózatból. A felvet

meddő teljesítmény csökkenthető az egyenáramú körbe iktatott feszültségnövelő szaggató kapcsolással. Az áramirányító egyenfeszültségének megfelelő beállításával elérhető, hogy az áramirányító teljes tartományban a váltakozó áramú oldalon mindig a legkisebb árammal és fázisszöggel működjön. P2 P1 TR sebesség váltó f r = sf 1 Le Ie Ue Pe = P2 1.3123 ábra: szinkron alatti kaszkád 1.32 Szinkron generátor Szinkron generátor működési elve A szinkrongép háromfázisú állórésze gyakorlatilag ugyanolyan mint az aszinkron gépé, a forgórészen egyenárammal táplált gerjesztő tekercselés, vagy állandó mágnes van (1.32 ábra). A gerjesztő tekercselés csúszógyűrűkhöz csatlakozik Régebben a gerjesztő áramot a szinkron gép tengelyéhez kacsolt egyenáramú gerjesztőgép szolgáltatta, újabban áramirányítós gerjesztést alkalmaznak. Lemezelt forgórésznél gyakran alkalmaznak csillapító (indító)

kalickát, ami egy rövidrezárt tekercselés. Tömör vastestű forgórésznél, az örvényáramok átveszik ennek a szerepét. A forgórész kialakításától függően megkülönböztetünk hengeres forgórészű és kiálló pólusú szinkron gépet. Szinuszos, szimmetrikus háromfázisú feszültségről (hálózatról) táplált szinkrongépben mágneses mező jön létre, és állandósult állapotban a forgórész együtt forog a mezővel: f ω = ω1 n = n1 = 1 , (7) p1 A táphálózatból felvett P1 teljesítmény fedezi az állórész és Pts és tekercs és Pfe vasveszteségeket és a P2 légrésteljesítményt. Az ω=ω1 miatt a légrésteljesitmény megegyezik a mechanikai teljesítménnyel: (8) P1 − Pts − Pfe = P2 = Mω1 = Pm = Mω A Pg = U g I g = R g I g2 gerjesztő teljesítmény a névleges teljesítmény néhány százaléka. 15 a b c Ig Ug 1.32 ábra: szinkron gép leegyszerűsített elvi vázlata 1.3211 Hengeres forgórészű szinkrongép Ideális

esetben a szinkron induktivitások d hossz és q keresztirányban megegyeznek: Ld=Lq. Hengeres forgórészű szinkrongép vasveszteséget elhanyagoló helyettesítő vázlatát mutatja az 1.321 ábra Az áram I1 effektív értékével és φ1 szögével számítható a hálózatból felvett wattos és meddő teljesítmény: P1 = 3U 1 I 1 cos ϕ1 , Q1 = 3U 1 I 1 sin ϕ1 (9) Veszteségeket elhanyagolva a P1>0 motoros üzemet (hajtást), a P1<0 generátoros üzemet jelent. A Q1>0 túlgerjesztett állapotban meddő teljesítményt termel, a Q1<0 alulgerjesztett állapotban meddőt fogyaszt a szinkrongép. jX d R1 U1 I1 j( X d − X 1 ) jX 1 E1 Up 1.321 ábra: hengeres forgórészű szinkrongép helyettesítő vázlata Jelülések: U 1 - a hálózat fázisonkénti feszültsége E1 – az eredő gerjesztési indukált feszültség Up – a forgórész pólusrendszer indukált feszültsége 16 1.3212 Kiálló pólusú szinkron gép Kiálló pólusú gépnél Ld≠Lq

részben a mágneses aszimmetria. Részben a gerjesztőtekercs d irányú elrendezése miatt. A gerjesztett forgórészű szinkron gépek közül a hagyományos kiállópólusú, radiális légrésű konstrukciót alkalmazzák, mivel ez egyszerűen elkészíthető nagy pólusszámmal is. Az állandómágneses szinkrongépek egyre szélesebb alkalmazást nyernek és várható, hogy a jövőben egyeduralkodók lesznek ezen a területen. Konstrukciós szempontból a szélgenerátorként alkalmazott állandómágneses szinkrongépek lehetnek: - radiális, - axiális, - transzverzális légrésűek. Szinkron gépnél (7) fordulatszám gyakorlatilag csak az f1 frekvenciával változtatható. Szinuszos táplálású üzemben ha a frekvenciával arányosan változtatjuk az Uil indukált feszültséget, akkor az állórész fluxus állandó marad. 1.322 Gerjesztett forgórészű szinkron generátor A frekvencia változtatására szinkrongépnél is alkalmazhatók az aszinkron gépnél

bemutatott tranzisztoros és GTO-s megoldások: közbünső egyenáramú körös feszültség és áram inveterek. A fenti frekvencia váltókról táplált szinkron gépet célszerű cosφ1=±1-re gerjeszteni, mert ekkor a legkisebb az alapharmonikus áram, azaz az állórész és a frekvenciaváltó áram igénybevétele. A munkapontot alapvetően az alapharmonikusok szabják meg. A szinkron gép túlgerjeszthetősége lehetővé teszi hálózati kommutációs áramirányítók (tirisztoros hídkapcsolás) frekvenciaváltóként való alkalmazását. A tirisztorok ugyanis csak a rajtuk átfolyó áram természetes nullátmenetén hagyják abba a vezetést és „szigetelnek” a következő gyújtó impulzusig. Túlgerjesztés esetén az áram „siet” a feszültséghez képest, ezért mire egy adott fázis feszültségét meg kell változtatni (nullátmenete van) az áram már kialudt, és az adott fázisra a másik tirisztorral ellenkező előjelű feszültség kapcsolható. Az

1.322 ábrán a hálózati és a motoroldali áramirányítóból álló közbünső egyenáramú körös frekvencia váltó táplálja a szinkrongépeket. Ezt az elrendezést nevezik áramirányítós szinkron gépnek. A motoroldali áramirányító a szinkrongép változó f1 frekvenciájával üzemel, gyújtását önvezérléssel (pl. A tengely szöghelyzetéről vett jellel) oldják meg Az önvezérlés következtében a szinkronizmusból kiesés nem lehetséges. A fordulatszám és az áramszabályozást a hálózati áramirányító, a gerjesztés szabályozását a gerjesztőköri áramirányító látja el. Veszteségmentes esetben: − Pe = −U e I e = Pm = Mω (10) A negatív előjel a felvett pozitív irányok következménye. A hálózati és motoroldali áramirányítók tirisztorainak vezetési iránya miatt az egyenáram csak Ie>0 lehet. A Pm >0 motoros hajtáshoz Ue<0 egyenfeszültség középérték tartozik, és a hálózati áramirányító

egyenirányító, a motoroldali áramirányító inverteres üzemben dolgozik. A Pm < 0 generátoros üzemben Ue > 0 és motoroldali áramirányító egyenirányító, a hálózati áramirányító inverteres üzemben van. Az 1322 ábrában folytonos vonal szemlélteti a motoros, szaggatott a generátoros teljesítményáramlást. Az M = 0-hoz tartozó üresjárási szögsebesség: 17 π Ue (11) 3 3 pΨ p cos α p Itt a Ψp a gerjesztésből származó pólusfluxus és αp az Up-töl mért gyújtásszög. Vagyis állandó Ψp és αp esetén a szögsebesség az Ue feszültséggel arányosan változik. Generátoros üzemben αp ≈ 0 begyújtási határon is üzemeltethetünk. A motoroldali áramirányító gyújtásvezérlésében fázissorrendet cserélve a mechanika jelleggörbének origóra vett tükörképeit kapjuk. Ezzel 4/4 - es üzem is megvalósítható Ha a motoroldali áramirányító diódás híd, akkor a diódás szinkron generátort kapjuk, ami a begyújtási

határon üzemel és csak generátoros üzemre képes. ω0 = Le f1 fh hálózati áramirányító ie ue fh motoroldali áramirányító ug ig -Pe Pm 1.322 ábra: áramirányítós szinkron gép kapcsolási vázlata 1.323 Állandó mágneses szinkron generátorok Az állandómágneses szinkrongépek egyre szélesebb alkalmazást nyernek és várható, hogy a jövőben egyeduralkodók lesznek ezen a területen. Axiális légrésű szinkron gépet szemléltet az 1.3231 ábra Az a ábra szerinti megoldásban a toroid tekercselésú állórészt két állandómágnessel ellátott forgórész tárcsa fogja közre (2p = 8 pólusszám). A mágneseket ragasztják a forgórész tárcsákra A b egyszerűsített – a tengelyt, a csapágyakat és a házat nem tartalmazó – metszet olyan változatott mutat, amikor két állórész fogja közre az állandómágneses tárcsa alakú forgórészt. Az állórész tekercs sugárirányú hornyokban helyezkedik el. Az a ábra szerinti

megoldás úgy is működőképes, hogy csak az egyik forgórész tárcsán vannak állandómágnesek, a b. szerinti pedig úgy is, hogy csak az egyik állórész vastestben van tekercs. állandó mágnesek elhelyezkedése a forgóész tárcsákon állandómágneses forgórész állórész vastest a) állórész tekrcs b) állórész tekercs 1.3231 ábra: axiális légrésű, állandómágneses szinkrongépek: a) toroid tekercselésű gép; b) kettős állórészű gép 18 Az axiális légrésű szinkron gépet általában kisteljesítményű (néhány kW-os) szélgenerátorokban szokták alkalmazni. Pl: tanyákon ahol a szélgenerátor egyenirányítón keresztül akkumulátort táplál, ez az akkumulátor töltős megoldást napellemel együtt vegyes alkalmazásban terjedt el. A radiális légrésű gépeknél (1.3232 ábra) az állandómágnes (neodium) által létrehozott indukció mező térbeli eloszlásának az alakjától függően megkülönböztetünk

négyszögmezős és szinuszmezős szinkron gépeket. A négyszögletes mező trapéz alakú, a szinuszos mező szinuszos alakú pólus feszültségeket indukál az állórész tekercsekben, állandó ω szögsebességen. Lüktetésmentes nyomatékot és minimális áramot eredményező optimális üzem mindkét esetben az állandómágnes forgórészhez szinkronozott, a mező alakjától függő áramszabályozással érhető el. a) b) c) 1.3232 ábra: radiális légrésű állandómágneses szinkrongépek: a) héjmágneses megoldás; b), c) belső mágneses megoldások Négyszögmezős gépnél a szélgenerátorokban olyan vezérlést alkalmaznak a motoroldali áramirányítókban, amely 60°-ként változnak az áramvezetési állapotok, és minden pillanatban egyszerre két fázisban (2F) folyik áram. Szinusz mezős gépnél optimális generátoros üzemben úgy kell az áramokat a forgórészhez szinkronozni, hogy a szinuszos fázisáramok ellenfázisba legyenek a szinuszos

pólusfeszültségekkel. Megállapítható, hogy az áramok szinkronizálásához szinuszmezős gépnél a forgórész szöghelyzetének pontos ismerete, négyszögmezős gépnél csak a 60°-os szektorok ismerete szükséges. Emiatt egyszerűbb szöghelyzetadó használható négyszögmezős gépeknél mint a szinuszmezősökhöz. Ha feltételezzük, hogy az energiatermelés ω0 ≤ ω ≤ ωmax szögsebesség tartományban van, akkor a szinkrongenerátornál ez f1min ≤ f1 ≤ f1max frekvencia tartománynak felel meg. A PWM (pulse width modulation – impulzus szélesség moduláció ISZM) áramirányítós szinkrongépes megoldás az önindulásra képtelen szélturbinák indítására, tehát hajtási üzemre is képes. Ilyenkor cosφH=+1-re szabályoz az áramszabályozó A PWM hálózati áramirányító megfelelő szabályozásával elérhető, hogy a szélgenerátor nem csak hatásos teljesítményt szolgáltat, hanem a közeli fogyasztók meddő teljesítmény igényét is

kielégíti. Ehhez kapacitív, generátoros cosφH-ra kell szabályozni A diódás egyenirányítású, szinkrongépes szélgenerátor mind négyszögmezős, mind szinuszmezös szinkrongéppel működőképes, mivel a diódás híd ún. természetes kommutációja mindkét esetben „elvégzi” az áramok szinkronizálását. 19 2. Szélgenerátorok szabályozása és védelme 2.1 Közvetlen hálózatra kapcsolódó generátorok védelmi és szabályozási lehetőségei 2.11 Aszinkron generátorok hálózatra kapcsolása Sajnos az aszinkron generátorok hálózatra kapcsolása, vagy visszakapcsolása általában jelentős áram- és nyomatéklökésekkel jár. A túláram oka részben az elektromágneses tranziens (a fluxus jelentős változása), részben pedig a kapcsolási pillanatban fennálló szögsebesség áltérés. Az áramcsúcs a névleges áram 12-szeresét is elérheti, ha az aszinkron gép kis impedanciájú és a hálózat kellően merev. Szabályozott üzemben

tirisztoros váltakozó áramú szaggató kapcsolással (2.21 ábra) jelentősen csökkenthetők az említett tranziens csúcsok. A klasszikus megoldás a tirisztorok gyújtáskésleltetési szögét előre meghatározott sebességgel csökkenti nagyról kis értékűre, ami által a generátor feszültségét zérusról 100%-ra növelik fel a szinkron fordulatszám közelében. A teljes feszültség elérése után 02~1 s-mal egy mágneskapcsolóval áthidalják az ellenpárhuzamos tirisztor párokat. A viszonylag hosszú folyamat miatt a gyújtásszög változásait jóval a szinkron fordulatszám alatt el kell kezdeni, ha a gépcsoport gyorsulása nagy értékű. A terheléssel növekvő feszöltség lehetővé teszi az aszinkron gép minimális veszteségű (vagy maximális hatásfokú) ütemének megközelítését. Ez az „energiatakarékos” üzem azért fontos, mert a szélgenerátorok minden esetben túlméretezettek. Az elérhető teljesítmény növelésre egy példa: 300

kW, 460V, BBC-gyártmányú aszinkron generátor, 5 kW-os tengelyteljesítményig a közvetlen (kontakttoros) kapcsolás nem képes villamos teljesítményt leadni, amíg a tirisztoros szabályozással a generátor ekkor már 2.7 kW villamos teljesítményt továbbít a hálózat felé. A névleges teljesítményre vonatkoztatva – éves – átlagban kb. 1%-os teljesítmény növekedés várható a tirisztoros szaggató alkalmazásával. váltakozóáramú szaggató K AG K K 2.11 ábra: tirisztoros váltakozó áramú szaggató, áthidaló mágneskapcsolóval 20 Pólusátkapcsolással változtatható a turbina – aszinkron generátor gépcsoport fordulatszáma. Ha 1:2 arányú Dahlander átkapcsolást alkalmazunk, akkor az optimális Cpk 1 jobb megközelítése miatt, éves szinten 5-10%-kal több energiát nyerhetünk a közepes szélsebességtől függően. A javulás elsősorban az alacsony szélsebességek jobb kihasználásában jelentkezik. Megakadályozandó a túl

gyakori oda-vissza kapcsolást a határ-szélsebességen, hiszterézis hurokkal bíró átkapcsolást valósítanak meg a szélsebességtől függően. A kisebb sebességű fokozat lehetővé teszi a motoros felfutást (indítást) olyan szélturbináknál is, amelyek nem rendelkeznek lapátszög állítással. 2.12 Szinkron generátorok hálózatra kapcsolása Szélerőművekben a közvetlen hálózatra kapcsolódó szinkron generátorok száma viszonylag csekély, és főleg a MW-os nagyságrendű, szigetüzemben működő erőművekben fordulnak elő. Ennek a korlátozásnak az oka a rendkívüli jelentős üzemeltetési problémákban keresendő. A hálózatra közvetlenül kapcsolódó szinkron generátor esetében a legsúlyosabb problémák a rendszer merevségében, lengési hajlamában és stabilitási kérdéseiben keresendők. Példaként a MOD-2 típusú szélerőmű néhány részletét mutatom be. Az erőmű fő adatai: D = 915 m, PGn = 25 MW, UGn = 416kV, nT = 1755

min-1, n1 = 1800 min-1, h = 61 m, vi = 5.8 m/s, vn = 125 m/s, vmax = 20 m/s A nagy tehetetlenségi nyomatékkal rendelkező szélturbina kb. 1:100-as áttételben keresztül kapcsolódik a generátorhoz. A merev rendszer kellemetlensége különösen hirtelen szélrohamok esetén mutatkozik meg, amikor is a nyomatéklökések gyengítetlenül továbbterjednek a mechanikai rendszeren a generátorig, és annak terhelési szöglengésén keresztül teljesítmény (és áram) lökések formájában átadódnak a hálózatnak. Ez részben a mechanikai rendszer gyorsabb kifáradását okozza, részben rontja a hasznos teljesítmény/veszteség arányát mind a generátorban, mind a hálózaton. E hatások csökkentése érdekében az alacsonysebességű (turbina) tengelyt hosszúra és rugalmasra alakítják ki (ún. tollszár-tengelyre) Névleges terhelés esetén a MOD-2-ben alkalmazott tollszár tengely két vége közötti elcsavarodási szög kb. 36° A terhelés elvesztése (hálózat

kimaradása, megszakító leoldása) elindítja a alacsonysebességű tengely „visszacsavarodását”. A kb 100:1 áttétel miatt a teljes visszacsavarodás a nagysebességű tengelyen 360°-nak felel meg, mivel a generátor négypólusú (2p=4), villamos fokokban ez 720°. A teljes lealítás, újra szinkronozás és visszakapcsolás minimum 10-20 percet vesz igénybe, ami megengedhetetlenül hosszú. A modelkisérletek alapján javasolt a generátor visszakapcsolása a tranziens első néhány másodperce alatt akkor, amikor a generátor szögsebessége elég közel van a szinkron szögsebességhez. A hosszú rugalmas tengely megvédi a rendszert a nagy nyomaték lökéstől. Másik lehetőség a lapátszög állításával csökkenteni a szögsebességet a szinkron szögsebesség közelébe, és újraszinkronozni a rendszert a teljes újraindítás helyet. 1 A turbina aerodinamikai hatásfoka 21 2.2 Impulzusvezérelt rotorellenálás szabályozás A szélsebesség

ingadozása lüktető nyomatékot eredményez amely a turbinán és a multiplikátoron valamit a generátoron keresztül a villamos hálózatba is eljuthat. A generátor lüktető nyomatéka a forgórész ellenállás növelésével csökkenthető. A csökkenés mértéke analitikusan is kifejezhető pl. állandósult állapot körüli nyomaték lengésekre A forgómozgás alapegyenletéből: ωG max tB M * (t ) ± M G (t ) Δω g = ∫ dω G = ω G max ± ω G min = ∫ t * dt (12) θt + θG ωG min tA Láthatóan ΔωG annál kisseb minél nagyobb a gépcsoport tehetetlenségi nyomatéka. A szögsebesség illetve a slip megváltozása miatt változik a generátor nyomatéka is. Ha nincs olyan szabályozás, amelyik hat a gép nyomatékára és a változások lassúak a villamos időállandókhoz képest, akkor ez a változás közelítően számítható az üzemi szakaszon a Kloss-képlet lineáris közelítésével: ∂M G 2M bG ≈ (13) sbG ∂s illetve véges változásokra: 2M bG

2 M bG Δω G 2 M bG Lr ΔM G = Δs = ± = Δω G (14) sbG s bG ω1 Rr R a (14) –ben az utolsó átalakítás az sbG = r helyettesítés volt. Látható hogy ΔMG ω1 Lr fordított arányban változik Rr-rel és a kimenő teljesítmény is kevésbé fog lüktetni adott ΔωE esetén. Sajnos a forgórészköri Pr = sP1 teljesítmény ekkor nem nyerhető vissza, és így Rr növelése jelentős többletveszteségeket okoz. Az elmondottak alapján olyan szabályozásra van szükség, amely megengedi a szilp és a fordulatszám rugalmas változását nyomatéklökések alkalmával, ugyanakkor állandósult állapotban – különösen kis terhelésen – viszonylag alacsony értéken tartja a veszteségi teljesítményt. Három megoldás terjedt el a forgórész köri ellenállás szabályozására, amelyeket a teljesség igénye nélkül csak felsorolok: 1. forgórész ellenállásának impulzusvezérlése egy oltható elemmel (IGBT-vel) 2. forgórész ellenállásának

impulzusvezérlése háromfázisú IGBT-s híddal 3. háromfázisú ellenállás impulzus vezérlése egy IGBT-vel, diódás hídon keresztül Az eddig említett megoldások mind feltételezték csúszógyűrűs aszinkron gép alkalmazását. Sajnos a nagy éves óraszámban működő generátorok csúszó súrlódásnak kitett alkatrészei hamar elhasználódnak, ezért felügyeletet és sűrű karbantartást igényelnek. Az elmondottak miatt a gyártóknak a kefenélküli megoldások természetes törekvései. A VESTAS-cég „Opti Slip” szabályozása szerint a „külső” ellenállások, a teljesítményelektronika és az áramszabályozás is a forgórészen van elhelyezve. Az áramszabályozó és a szabályozás további, külső részei között optikai jelátvivő tartja a kapcsolatot. 22 2.3 Frekvenciaváltón keresztül hálózatra csatlakozó generátorok A közvetlenül hálózatra csatlakozó generátorok számos hátrányos tulajdonsága van. A generátor és a

hálózat frekvenciájának azonossága (fG = fH) és állandósága rögzíti a szinkron fordulatszámot, ami változó szélsebesség esetén erősen leronthatja az aktuális teljesítménytényezőt (Cp < Cpmax) és a turbinából kinyerhető energiát. A rendszer merevsége miatt – különösen szinkron generátor esetén – a széllökések szinte gyengítetlen nyomatéklökések formájában továbbterjednek a mechanikai rendszeren és felesleges igénybevételeket valamint többletveszteséget okoznak. Frekvenciaváltó közbeiktatásával megszűnik a generátor frekvencia kényszere. Alkalmas szabályozással a turbina fordulatszáma követi a szélsebesség változását, ami lehetővé teszi Cpmax megközelítését. Ugyanakkor a nyomatéklökések alkalmával a nagy tehetetlenségi nyomatékú szélturbina lendítőkerékként viselkedik, átmenetileg tárolva az energia lengő részét, csökkentve a tengelyek és az áttételek igénybevételeit. Ideális esetben a

váltakozó sebességű turbinák a következő előnyökkel rendelkeznek a hálózathoz mereven kapcsolt társaival szemben: - több energia nyerhető ki a turbinából az adott szélsebesség eloszlás esetében (jobb Cp) - kissebek a mechanikai igénybevételek a teljes rendszerben - könnyebb az indítás, és kisseb szélsebességeken is el tud indulni a turbina - alacsony sebességeken a rendszer eredő hatásfoka a generátor veszteségeinek csökkentésével is javítható - kisebb sebességeken csökken a zajszint - szinkron generátor esetén nincs szükség szinkronozás műveletére, aszinkron generátor esetében nincs szükség a mágnesező áramot biztosító kondenzátorokra - jobb „minőségű” a termelt villamos energia (rövid időszakokra nézve állandóbb a teljesítmény) A továbbiakban a szélerőművek speciális követelményeit kielégítő szabályozásokra helyezzem a hangsúlyt. Részletesebben a gépoldali áramirányítók frekvencia

szabályozását ismertetem, mert ez teszi lehetővé a legjobb aerodinamikai hatásfok (Cpmax) elérését. A gépoldali áramirányító feszültség szabályozásával (fluxus szabályozásával) a generátor veszteségei csökkenthetők. A hálózati áramirányítóval általában a meddő teljesítményt (QH-t) és cosφH-t állítjuk be a kívánt értékre (általában QH = 0). ω1G P szürö P-I ωa v 1 1 + sT ω a+b/s ωr ω U1G ω1n ω1G 2.31 ábra: PWM vezérlésű feszültséginverteres kapcsolás gépoldali áramirányítójának legegyszerűbb szabályozási módja A 2.31 ábrán a PWM vezérlésű feszültség inverteres kapcsolás gépoldali áramirányítójának szabályozása látható a legegyszerűbb esetben. A „szűrt” szélsebesség-jel korlátozáson keresztül szolgáltatja a turbina-generátor szögsebességének alapjelét. A P-I 23 kompenzáló elemeket tartalmazó sebességszabályozó kimenőjele határozza meg (a póluspár számmal

való szorzás után) az aszinkron generátor forgórész frekvenciáját. Összegzés után a (ω+ωr)p jel adja az aszinkron gép állórész körfrekvenciáját. ωr – felülről korlátozni kell, hogy az aszinkron gép ne mehessen át motoros üzembe, alulról pedig azért, hogy az áram illetve a nyomaték ne léphessen túl egy adott határt (pl. 12 In-et) Állandósult állapotban ωr és MG arányosak egymással, ha a fluxus állandó (ezt biztosítsa jó közelítéssel U U az 1 = const. illetve G1 = const arány) ω1n f1 A 2.32 ábrán tirisztoros áraminverterről táplált aszinkron gép „mezőorientált” szabályozása látható. Ez ma az aszinkron gépek legjobb dinamikájú és legjobban kézbentartható szabályozása. A bonyolultabb részletek mellőzésével ez a módszer forgó síkvektorként kezeli a gépben kialakuló gerjesztést (áramot) és fluxust, és a fluxushoz rögzített koordinátarendszerben vektorként szabályozza az áramot. Ez jelentheti az

áram két derékszögű összetevőjének (Id, Iq) vagy amplitúdójának (Ie) és fluxussal bezárt szögének (θ) előírását. Az említett vektorok a térbeli maximum irányába mutatnak, amelyek állandósult szinuszos táplálás esetében egyenletes sebességgel körbeforognak a kerület mentén. (Ismeretes, hogy egy egyenletes körforgó síkvektor egy adott tengelyre szinuszos időfüggvényt eredményez, míg a különböző tengelyekre vett vetületek felfoghatók a mező szinuszos kerület menti eloszlásának is.) A gépoldali (egyenirányító üzemben működő) áramirányító gyújtásvezérlése (GV) az állórész feszültség integráljáról (az állórész fluxusról) történik, amelyik fázisreferenciakánt szolgál a fáziszárt áramkör számára. (Másrészről az integrál egyenirányítás után a fluxus visszacsatolás (ψ1) célját is szolgálja.) Az integrálás kiküszöböli az állórész feszültség gyors változásainak és felharmonikusainak

zavaró hatását. A teljesítmény alapjelet (PGa-t) egy fölérendelt szabályozókör szolgáltatja, míg a visszacsatolt jelet (PG-t) az Ue1Ie szorzattal állítjuk elő. A két jel különbsége – PI típusú szabályozón keresztül – szolgáltatja az Iqa ún. nyomatékképző áram alapjelet (ma ~ Iqa) Alacsony frekvencián (névleges szélsebesség alatt) a ψ1 állórész alapjel állandó, nagyobb frekvencián pedig az állórész feszültség korlátozása céljából, ω1-gyel fordított arányban változik. Mivel a gépoldali kényszerkommutációs áramirányító fedezi az aszinkron generátor meddő teljesítmény igényét. A gyújtási pillanatokat αGa és a fáziszárt hurok kimenőjelének összehasonlításával határozzák meg. Végső soron a generátor áramvektorának fázisszögét (és frekvenciáját) az önvezérlésű gépoldali áramirányító szabja meg, míg az áram abszolút értékét Ie-t a hálózatoldali áramirányító. Az Ue1

előrecsatolt jel (zavarkompanzáció), az Ie áramszabályozás helyzetét könnyíti meg. A generátorfrekvencia szabályozása a 2.33 ábrán látható, amelyek ideális esetben egy Δt mintavételezési perióduson belül korrigálnia kellene a teljesítményhibát. Ez gyakran lehetetlen feladat a tehetetlen tömegekben tárolt energia miatt. Ezt veszi figyelembe kis változásokra előjelhelyesen a 2.33 ébrén vázolt szabályozás a következő módon: dETG ΔETG θ TG ωT2 (t ) ± ωT2 (t ± Δt ) Pi = ≈ = (15) dt Δt 2Δt (Itt ETG-vel, illetve θTG-vel a turbina-generátor együttes mozgási energiáját, illetve a turbina tengelyre redukált eredő tehetetlenségi nyomatékát jelöltem.) A második ok ami megakadályozza az egy lépésen belüli korrekciót az az , hogy egy erősen nemlineáris [ ] 24 U e1a K3 GV. αH hálózat digitáis szürõ I ea αG mezöorientált szabályozás GV. Ie I ga Ida AG αG fáziszárt á.k } U e1 ma ω1 PG PGa

teljesítmény alapjel Ψ1 fluxus alapjel Ψ1a 2.32 ábra: tirisztoros áraminverterről táplált aszinkron gép mezőorientált szabályozása 25 rendszert lineáris közelítésekkel próbálunk korrigálni. (A z-1-gyel való szorzás az ωT szögsebesség egy mintavétellel korábbi ωT(k-1) értékét állítja elő a blokk vázlatban.) A Δω körfrekvencia változást általában korlátozni kell ahhoz, hogy a ΔETG és ΔωT változások ne legyenek túl nagyok. v ΔP PGa 1 K v korlátozasok P0 Δω1a szélturbina J TG 2 PG ωT PG ωT x2 x2 aszinkron generátor z −1 PG frekvenciaváltó f H PG 2.33 ábra: a szélturbina frekvenciaváltójának optimális szabályozása a szélsebesség mérése nélkül Megállapíthatjuk, hogy a szélsebességgel változó paraméterű rendszerről van szó. Az egzakt számításhoz és szabályozáshoz identifikációs algoritmusra van szükség. Általános esetben az identifikációs eljárás komplex és

költséges hardverre vezet. Egyszerű kivitelezést tesz lehetővé az ún. maximum (optimum) kereső szabályozás, amelynek az utóbbi években a legdivatosabb megoldása fuzzy logikára alapozott. Minthogy a szél sebessége ismeretlen, a szabályozás kis lépésekben változtatja a generátor szögsebességét, és figyeli a PH teljesítmény változását. Ha pl ΔPH pozitív az utolsó pozitív ΔωGa változásra akkor a keresés ugyanebben az irányban folytatódik. Ha azonban +ΔωGa egy –ΔPH-okoz, akkor a lépések irányát meg kell fordítani. Amikor a szabályozás rátalál az optimumra akkor kis lépésekkel oszcillál ekörül. 26 Összefoglaló Dolgozatom során igyekeztem bemutatni a szélerőművekben használatos generátorokat és azok jellemzőit. Az iparág fejlődésével várható hogy a kiállópólusú, állandómegneses, áttétel nélküli szinkron generátor és a kétoldalról táplált, szinkron feletti kaszkádos üzemű aszinkron generátorok

lesznek egyedúralkodóak, valamint a néhány kW állandómágneses mini erőművek elterjedése várható a mindenapi életben. 27 Felhasznált irodalom 1. Dr Tóth László, Dr Horváth Gábor: Alternatív energia szélmotorok, szélgenerátorok, Szaktudás Kiadó Ház, 2003 2. Dr Varga József, SISTEMI ZA KORIŠTENJE ENERGIJE VJETRA – Elektroenergetski podsistemi u vjetroelektranam, Radnički Univerzitet „Đure Đaković“ SARAJEVO 1988 3. Dr Varga József, Villamos gépek jegyzetek az előadáskról 4. Pintér Ferenc A villamos gépek 28