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Induktionsgenerator als Windkraftgenerator
Rotierende elektrische Maschinen werden üblicherweise in Windenergiesystemen verwendet, und die meisten dieser elektrischen Maschinen können je nach ihrer speziellen Anwendung entweder als Motor oder als Generator arbeiten. Aber neben dem Synchrongenerator, den wir uns im vorherigen Tutorial angesehen haben, gibt es auch einen anderen, populäreren Typ einer 3-Phasen-Rotationsmaschine, die wir als Windturbinengenerator verwenden können, den sogenannten Induktionsgenerator.< /p>
Sowohl der Synchrongenerator als auch der Induktionsgenerator haben eine ähnliche feste Statorwicklungsanordnung, die, wenn sie durch ein rotierendes Magnetfeld erregt wird, eine dreiphasige ( oder einphasige ) Spannungsausgabe erzeugt.
Die Rotoren der beiden Maschinen sind jedoch ziemlich unterschiedlich, wobei der Rotor eines Induktionsgenerators typischerweise aus einer von zwei Anordnungsarten besteht: einem „Käfigläufer“ oder einem „gewickelten Rotor“. ;.
Einphasen-Induktionsgenerator
InduktionsgeneratorDie Konstruktion basiert auf der sehr verbreiteten Maschine mit Kurzschlussläufer-Induktionsmotor, da sie billig, zuverlässig und in einer Vielzahl von elektrischen Größen von Kleinleistungsmaschinen bis hin zu Multi-Megawatt-Kapazitäten erhältlich ist, was sie ideal für den Einsatz im Haushalt und in der Industrie macht kommerzielle Windkraftanwendungen für erneuerbare Energien.
Im Gegensatz zum vorherigen Synchrongenerator, der “synchronisiert” mit dem Stromnetz, bevor es Strom erzeugen kann. Der Induktionsgenerator kann direkt an das Versorgungsnetz angeschlossen und von den Rotorblättern der Windkraftanlage mit variablen Windgeschwindigkeiten angetrieben werden, sobald er aus dem Stillstand in Betrieb genommen wird.
Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit verwenden viele Windkraftanlagen Induktionsmotoren als Generator, die über ein mechanisches Getriebe angetrieben werden, um ihre Drehzahl, Leistung und Effizienz zu erhöhen. Asynchrongeneratoren benötigen jedoch Blindleistung, die normalerweise von Shunt-Kondensatoren in den einzelnen Windkraftanlagen bereitgestellt wird.
Asynchronmaschinen werden auch als Asynchronmaschinen bezeichnet, das heißt, sie drehen unter der Synchrondrehzahl, wenn sie als Motor verwendet werden, und über der Synchrondrehzahl, wenn sie als Generator verwendet werden. Wenn also ein Induktionsgenerator schneller als seine normale Betriebs- oder Leerlaufdrehzahl gedreht wird, erzeugt er Wechselstrom. Da sich ein Induktionsgenerator direkt mit dem öffentlichen Stromnetz synchronisiert – das heißt, erzeugt Strom mit der gleichen Frequenz und Spannung – es sind keine Gleich- oder Wechselrichter erforderlich.
Der Induktionsgenerator kann jedoch die erforderliche Leistung direkt an das Versorgungsnetz liefern, er benötigt jedoch auch Blindleistung zu seiner Versorgung, die durch das Versorgungsnetz bereitgestellt wird. Der Asynchrongenerator ist auch autark ("off-grid") möglich, hat aber den Nachteil, dass der Generator zur Selbsterregung zusätzliche Kondensatoren benötigt, die an seine Wicklungen angeschlossen sind.
Drehstrom-Asynchronmaschinen eignen sich sehr gut für die Windenergie und sogar für die Stromerzeugung aus Wasserkraft. Induktionsmaschinen haben, wenn sie als Generatoren arbeiten, einen feststehenden Stator und einen rotierenden Rotor, genau wie der Synchrongenerator. Die Erregung (Erzeugung eines Magnetfelds) des Rotors wird jedoch anders durchgeführt, und eine typische Konstruktion des Rotors ist die Käfigläuferstruktur, bei der leitende Stäbe in den Rotorkörper eingebettet und an ihren Enden durch Kurzschlussringe wie gezeigt miteinander verbunden sind .
Bau des Induktionsgenerators
Wie bereits eingangs erwähnt, ist einer der vielen Vorteile der Asynchronmaschine, dass sie beim Anschluss an ein Drehstromnetz ohne zusätzliche Schaltungen wie Erreger oder Spannungsregler als Generator genutzt werden kann. Wenn ein Asynchrongenerator im Leerlauf an ein Wechselstromnetz angeschlossen wird, wird ähnlich wie bei einem Transformator Spannung in die Rotorwicklung induziert, wobei die Frequenz dieser induzierten Spannung gleich der Frequenz der angelegten Spannung ist.
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Da die leitenden Stäbe der Käfigläufer kurzgeschlossen werden, fließt ein starker Strom um sie herum und im Inneren des Rotors wird ein Magnetfeld erzeugt, das die Maschine zum Drehen bringt.
Da das Magnetfeld des Rotorkäfigs den Statoren folgt Magnetfeld beschleunigt der Rotor auf die durch die Netzfrequenz vorgegebene Synchrondrehzahl. Je schneller sich der Rotor dreht, desto geringer ist die resultierende relative Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem Rotorkäfig und dem rotierenden Statorfeld und damit die in seine Wicklung induzierte Spannung.
Wenn sich der Rotor der Synchrondrehzahl nähert, verlangsamt er sich, da das schwächer werdende Rotormagnetfeld nicht ausreicht, um die Reibungsverluste des Rotors im Leerlauf zu überwinden. Das Ergebnis ist, dass sich der Rotor jetzt langsamer als die Synchrondrehzahl dreht. Das bedeutet dann, dass eine Asynchronmaschine niemals ihre Synchrondrehzahl erreichen kann, da bis dahin kein Strom in den Käfigläufer des Rotors induziert würde, kein Magnetfeld und somit kein Drehmoment.
Die Drehzahldifferenz zwischen dem rotierenden Magnetfeld des Stators und der tatsächlichen Drehzahl des Rotors wird bei Induktionsmaschinen allgemein als „Schlupf“ bezeichnet.
Schlupf
Schlupf
b> muss vorhanden sein, damit ein Drehmoment an der Rotorwelle anliegt. Mit anderen Worten, „Schlupf“, was anschaulich erklärt, wie der Rotor ständig „zurückrutscht“. aus der Synchronisation, ist die Drehzahldifferenz zwischen der Synchrondrehzahl der Statoren, angegeben als: ns = ƒ/Pin U/min, und die tatsächliche Rotordrehzahl nR ebenfalls in U/min und in Prozent ausgedrückt, ( % -slip ).
Dann der gebrochene Schlupf s, einer Induktionsmaschine wird wie folgt angegeben: 106″ height=“56″ class=“img-fluid alignleft“ style=“vertical-align:middle;“ title=“Induction Generator Fractional Slip Equation“ alt=“fractional slip“ />
Dieser Schlupf bedeutet, dass der Betrieb eines Induktionsgenerators somit “asynchron” (ungetaktet) und je schwerer die an einem Asynchrongenerator angebrachte Last ist, desto höher ist der resultierende Schlupf, da höhere Lasten stärkere Magnetfelder erfordern. Mehr Schlupf ist mit mehr induzierter Spannung, mehr Strom und einem stärkeren Magnetfeld verbunden.
Damit eine Induktionsmaschine als Motor arbeitet, ist ihre Betriebsdrehzahl immer kleiner als die Drehzahl des Statorfeldes, nämlich die Synchrondrehzahl. Damit eine Induktionsmaschine als Generator arbeiten kann, muss ihre Betriebsdrehzahl wie gezeigt über der Nennsynchrondrehzahl liegen.
Drehmoment-/Drehzahleigenschaften einer Induktionsmaschine
Im Stillstand hat das rotierende Magnetfeld des Stators die gleiche Drehzahl in Bezug auf den Stator und den Rotor, da die Frequenz der Rotor- und Statorströme gleich sind, daher ist der Schlupf im Stillstand positiv und gleich eins ( s = +1 ).
Bei exakt synchroner Drehzahl ist die Differenz zwischen Drehzahl und Frequenz von Rotor und Stator null, daher wird bei synchroner Drehzahl keine elektrische Energie verbraucht oder erzeugt, und somit ist der Schlupf des Motors gleich null (& #160;s = 0 ).
Wenn die Drehzahl des Generators durch externe Mittel über diese Synchrondrehzahl hinaus getrieben wird, wird der resultierende Effekt sein, dass sich der Rotor schneller dreht als das rotierende Magnetfeld des Stators und die Polarität der induzierten Rotorspannung und des Rotorstroms umgekehrt wird.
Das Ergebnis ist, dass der Schlupf jetzt negativ wird ( < span class="ntxt">s = -1 ), und die Induktionsmaschine erzeugt Strom mit einem führenden Leistungsfaktor zurück in das öffentliche Stromnetz. Die als elektromagnetische Kraft vom Rotor auf den Stator übertragene Leistung kann erhöht werden, indem der Rotor einfach schneller gedreht wird, was dann zu einer Erhöhung der erzeugten Strommenge führt. Die Drehmomentcharakteristik eines Induktionsgenerators ( s = 0 bis -1 ) spiegelt die Charakteristik des Induktionsmotors ( s = +1 bis 0 ) wie gezeigt.
Die Geschwindigkeit des Induktionsgenerators variiert mit der Rotationskraft (Moment oder Drehmoment), die auf ihn durch die Windenergie ausgeübt wird, aber er erzeugt weiterhin Strom, bis seine Rotationsgeschwindigkeit unter den Leerlauf fällt. In der Praxis ist der Unterschied zwischen der Drehzahl bei Spitzenleistung und im Leerlauf (Synchrondrehzahl) sehr gering, nur wenige Prozent der maximalen Synchrondrehzahl.
Beispielsweise kann ein 4-poliger Generator mit einer synchronen Leerlaufdrehzahl von 1500 U/min, der mit einem 50-Hz-Strom an das Versorgungsnetz angeschlossen ist, seine maximal erzeugte Leistung erzeugen, wenn er nur 1 bis 5 % höher dreht (1515 bis 1575 U/min). , leicht mit einem Getriebe zu erreichen.
Dies ist eine sehr nützliche mechanische Eigenschaft, dass der Generator seine Drehzahl leicht erhöht oder verringert, wenn das Drehmoment variiert. Dadurch wird das Getriebe weniger verschleißen, was zu einem geringen Wartungsaufwand und einer langen Lebensdauer führt, was einer der wichtigsten Gründe für den Einsatz eines istInduktionsgenerator anstelle eines Synchrongenerators auf einer Windkraftanlage, die direkt an das elektrische Versorgungsnetz angeschlossen ist.
Off-grid Induction Machine
Wir haben oben gesehen, dass ein Induktionsgenerator erfordert, dass der Stator vom Versorgungsnetz magnetisiert wird, bevor er Strom erzeugen kann. Sie können einen Induktionsgenerator aber auch in einem eigenständigen, netzunabhängigen System betreiben, indem Sie den erforderlichen phasenverschobenen Erreger- oder Magnetisierungsstrom von Erregerkondensatoren liefern, die über die Statorklemmen der Maschine angeschlossen sind.
Dies erfordert auch, dass beim Starten der Turbine ein gewisser Restmagnetismus in den Eisenblechen des Rotors vorhanden ist. Eine typische Schaltung für eine dreiphasige Asynchronmaschine mit Käfigläufer für den netzunabhängigen Einsatz ist unten dargestellt. Die Erregerkondensatoren sind in Sternschaltung (Stern) dargestellt, können aber auch in Dreieckschaltung (Dreieck) geschaltet werden.
Kondensatorstart-Induktionsgenerator
Die Erregungskondensatoren sind Standard-Motorstartkondensatoren, die verwendet werden, um die erforderliche Blindleistung für die Erregung bereitzustellen, die sonst vom öffentlichen Stromnetz geliefert würde. Der Induktionsgenerator wird sich unter Verwendung dieser externen Kondensatoren nur dann selbst erregen, wenn der Rotor über ausreichend Restmagnetismus verfügt.
Im selbsterregten Modus werden die Generatorausgangsfrequenz und -spannung durch die Drehzahl und die Turbinenlast beeinflusst , und den Kapazitätswert in Farad der Kondensatoren. Damit eine Selbsterregung des Generators auftritt, muss dann eine Mindestdrehzahl für den Wert der Kapazität vorhanden sein, die über den Statorwicklungen verwendet wird.
Der „Self-Excited Induction Generator“ (SEIG) ist ein guter Kandidat für windbetriebene Stromerzeugungsanwendungen, insbesondere in variablen Windgeschwindigkeiten und abgelegenen Gebieten, da sie keine externe Stromversorgung benötigen, um das Magnetfeld zu erzeugen. Ein dreiphasiger Induktionsgenerator kann in einen einphasigen Induktionsgenerator mit variabler Drehzahl umgewandelt werden, indem zwei Erregerkondensatoren über die dreiphasigen Wicklungen geschaltet werden. Einer hat den Kapazitätswert C auf einer Phase und der andere den Kapazitätswert 2C auf der anderen Phase, wie gezeigt.
Einphasiger Ausgang von einem 3-Phasen-Induktionsgenerator
Dadurch läuft der Generator reibungsloser und arbeitet näher am Leistungsfaktor (PF) von Eins (100 %). Im einphasigen Betrieb ist es möglich, einen nahezu dreiphasigen Wirkungsgrad zu erzielen, der ungefähr 80 % der maximalen Nennleistung der Maschine erzeugt. Bei der Umwandlung einer dreiphasigen Versorgung in eine einphasige Versorgung ist jedoch Vorsicht geboten, da die einphasige verkettete Ausgangsspannung doppelt so hoch ist wie die Nennwicklung.
Induktionsgeneratoren funktionieren gut mit einphasigen oder dreiphasigen Systemen, die mit dem Versorgungsunternehmen verbunden sind, oder als selbsterregter eigenständiger Generator für kleine Windkraftanwendungen, die einen Betrieb mit variabler Drehzahl ermöglichen. Induktionsgeneratoren benötigen jedoch eine reaktive Erregung, um mit voller Leistung zu arbeiten, daher sind sie ideal für die Verbindung mit dem Versorgungsnetz als Teil eines netzgebundenen Windkraftsystems geeignet.
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