Приложение на индукционните генератори в мини ВЕЦ

Между 1882г. и 1887г. Никола Тесла изобретява асинхронната машина. Малко по-късно, в резултат от модификации в дизайна, ротора с кафезна намотка се превръща в неразделна част от повечето асинхронни машини. Асинхронните двигатели са найчесто използваните машини за задвижване. Днес те се срещат в различно промишлено и търговско оборудване, включително помпи, вентилатори и транспортьори. Популярността на асинхронния двигател с кафезен ротор е в резултат от неговата здрава и проста конструкция, надеждна работа и минимална поддръжка. Тъй като възбуждането на машината се постига чрез индукция, не са необходими възбудителни намотки, четки и свързаното с тях управление, като по този начин се увеличава надеждността и се намалява поддръжката. Липсата на възбудителни намотки означава също, че електрическата мрежа трябва да осигури намагнитването.

Текст: списание Енергия

Индукционният генератор е подобен на всеки друг генератор, който преобразува механичната енергия в електрическа енергия. Не се изисква възбудител или регулатор на напрежение. Индукционната машина (двигател или генератор), свързана към източник на захранване (възбуждане), е в състояние да работи и в двата режима. Ако вала може да се върти със скорост под синхронната, устройството ще работи като двигател. Ако валът е принуден да се върти със скорост, по-висока от синхронната, се извършва промяна в машината и тя преминава в режим на генератор. При синхронна скорост линията доставя реактивна мощност и покрива загубите в машината, но не се генерира въртящ момент или мощност. Съществува практическа горна граница на скоростта, при която индукционният генератор може да работи над синхронната и все пак ефективно да генерира активна мощност.

Асинхронният генератор е проста индукционна машина, задвижвана от първичен двигател със скорост на въртене на ротора малко по-голяма от синхронната скорост на машината. Разликата в скоростта между ротора и въртящото се поле на статора се означава като отрицателно хлъзгане. Когато съществува такова отрицателно хлъзгане, механичната енергия се пренася от първичния двигател към електрическата система. За да се увеличи мощността от асинхронния генератор, първичният двигател трябва да се върти по-бързо, увеличавайки скоростта на ротора на асинхронния генератор и съответно отрицателното хлъзгане. При максимална мощност хлъзгането най-вероятно ще бъде в диапазона от 1% до 3% по-високо от това при синхронна скорост. Колкото са по-големи пусковите възможности и въртящият момент на асинхронната машина, толкова по-голямо ще е хлъзгането при номинално натоварване.

Както при асинхронния двигател, действителната промяна в скоростта на ротора от празен ход до пълен товар не е от значение. В допълнение, асинхронните машини с по-малко хлъзгане са по-ефективни при номинално натоварване, тъй като развитата механична мощност е по-голяма. Загубите в медта също са по-малки, тъй като генераторът следва да произведе номинална мощност. Принципът на работа на индукционния генератор е същият като този на асинхронен двигател, като единствената разлика е в скоростта на въртене на вала по отношение на синхронната скорост. Когато машината работи като двигател, скоростта на вала е малко по-ниска от синхронната скорост (положително хлъзгане), докато в генераторен режим скоростта на вала е малко по-висока (отрицателно хлъзгане). Тъй като електрическата схема и физическата конструкция на един индукционен двигател и генератор са идентични, е възможно да се използва стандартен асинхронен двигател с кафезна роторна намотка като индукционен генератор.

Единственото ограничение е способността на асинхронния двигател да може да издържи надсинхронната скорост и да може да се справи със свръхоборотите при изключване на машината от паралел във ВЕЦ. Широкото използване на асинхронните двигатели е довело до намаляване на разходите и подобрения в дизайна и надеждността. Тъй като същите машини могат да работят като генератори, първоначалните икономии на разходи, както и намаляване на разходите за поддръжка, правят асинхронния генератор активна алтернатива при проектирането на мини ВЕЦ, работещи в паралел с електрическата мрежа. И все пак, преди взимането на решение между синхронен или индукционен генератор, трябва внимателно да се разгледат предимствата и недостатъците им.

Как работят индукционните генератори?

При случай с променливотоково захранване, свързано към клемите на статора на индукционна машина, въртящото се магнитно поле, произведено в статора, кара ротора да се върти след него (машината работи като двигател). Ако ротора се ускори с помощта на първичен двигател до синхронна скорост, хлъзгането ще бъде нула, а следователно тока и нетния въртящ момент също ще бъдат нула. Ако роторът се завърти със скорост по-голяма от синхронната, хлъзгането ще стане отрицателно. Токът в ротора ще се генерира в обратна посока поради пресичане на магнитното поле на статора от кафезната намотка на ротора. Този генериран ток създава въртящо се магнитно поле в ротора, което изтласква (силите са насочени в обратна посока) полето на статора.

Това предизвиква напрежение в статора, което кара тока да преминава извън статорната намотка срещу приложеното напрежение. По този начин машината вече работи като индукционен (асинхронен) генератор. Индукционният генератор не може да се възбуди самостоятелно. За производството на въртящото се магнитно поле е необходима реактивна мощност. Ето защо, когато работи като генератор, машината отнема реактивна мощност от променливотоковата мрежа и подава активна мощност обратно в линията. Подаваната обратно активната мощност е пропорционална на хлъзгането при надсинхронна скорост.

Индукционен генератор със самовъзбуждане

Индукционната машина се нуждае от реактивна мощност за възбуждане, независимо дали тя работи като генератор или двигател. Когато един асинхронен генератор е свързан към мрежата, той отнема от нея реактивна мощност. Ако искаме да използваме индукционен генератор за захранване на товара, без да черпи реактивна мощност от мрежата, трябва между клемите на статора да бъде свързана кондензаторна банка. Когато роторът се завърти с достатъчна скорост, между клемите на статора се генерира напрежение с малка стойност поради остатъчния магнетизъм. Благодарение на генерирането на това напрежение, през кондензаторите протича ток, който осигурява допълнителната реактивна мощност за намагнитване.

Синхронизация на индукционен генератор с мрежата

Индукционният генератор може напълно самостоятелно да се синхронизира с мрежата, към която ще отдава мощност. Генераторът остава в синхрон и произвежда енергия, стига да се задвижва със скорост от 2% до 5% по-висока от неговата синхронна скорост. Синхронната скорост се изчислява по формулата 120 x честота/брой полюси, като по този начин при 4 полюсна машина и захранване с честота 50Hz, ротора следва да се върти с 1500 оборота в минута плюс минимум 30min-1 и максимум 75min-1. Обхватът на скоростта се получава от 1530min-1 до 1575min-1. Когато роторът се развърти до синхронна скорост и генераторът се включи към мрежата, ще се появи голям пусков ток и последващо спадане на напрежението. Някои стандарти изискват да е налице ограничаване на пусковия ток. Има два основни метода за синхронизация.

При първия, за развъртане на генератора до синхронната скорост в режим на двигател се използва електронен софтстартер, който ограничава пусковия ток. Може да се използва и стандартен моторен контролер, който след това се шунтира чрез контактор. Другият метод е директно механично задвижване на генератора до синхронната скорост чрез вала на турбината (с регулиращ вентил и много леко отваряне). След като е достигнал синхронната скорост, генераторът може да бъде свързан към мрежата. Най-добре е, ако скоростта на въртене на ротора на генератора е малко над синхронната скорост, тъй като той ще произвежда електрическа енергия. Мощността на индукционния генератор ще остане заключена точно към мрежата, която захранва, и в тази диапазон от скорости, т.е. синхронизацията е независима от скоростта.

Защита на индукционния генератор

Защитните устройства, които трябва да бъдат използвани в приложения с индукционен генератор, включват контактори, сензори за претоварване и прекъсвачи. Тези устройства се използват при индукционния генератор по същия начин, както при двигателите. Може да бъде осигурена допълнителна защита чрез използването на сензори за претоварване, дисбаланс на напрежението, повишено/понижено напрежение и за температура, както и свързване на измервателни уреди за следене на работата на генератора и състоянието на електрическата мрежа, към която е свързан. За да се предотврати достигането на свръхобороти от ротора на индукционния генератор, на вала на турбината трябва да бъде поставена защита, която може да бъде под формата на хидравличен регулатор, ключове за скорост и др. В електроцентралите се използват обратноватови релета за улавяне посоката на мощността и изключване на индукционния генератор от мрежата, когато той започне да работи като двигател. Всички защитни устройства, които се използват в цялата система, трябва да бъдат координирани.

Предимства и недостатъци на индукционните генератори

Индукционните генератори имат много предимства, които включват по-ниска цена за покупка и по-ниски разходи за поддръжка. Също така устройствата за контрол и защита са основно като на асинхронен двигател със същата мощност. Те са по-малко сложни и по-малко скъпи, отколкото тези за синхронна машина. Индукционните генератори са лесни за експлоатация, тъй като нямат възбуждане или оборудване за синхронизация и не се изисква регулатор на напрежение. Те имат обикновена конструкция: без четки, диоди или колекторни пръстени. Накъсо съединеният ротор има най-простата и най-здравата конструкция от всички електрически машини. Индукционния генератор не влияе на честотата на системата и не може да захрани устойчиво късо съединение при неизправност в системата. Големи колебания в захранването не могат да изведат генератора извън синхронизация със системата, като той не произвежда хармоници. Предлагат се също стандартни машини с малки мощности.

Индукционният генератор има и недостатъци. Базовият индукционен генератор не може да функционира като самостоятелна единица, защото му е необходимо голямо количество реактивна мощност. Ефективността на индукционния генератор е по-малка от еквивалентен по размер синхронен генератор, особено при по-малките мощности. За възбуждане на машината се изисква намагнитване, което трябва да бъде предоставено от мрежата, водещо до изоставане на фактора на мощността на товара. Факторът на мощността на индукционния генератор е винаги по-малък от единица и постепенно става по-лош, когато реалното натоварване падне под номинално. Индукционният генератор не разполага със способност да поддържа напрежението и/или честотата на системата.

Синхронен генератор в сравнение с индукционен генератор  

Променливотоковите машини могат да бъдат класифицирани допълнително като индукционни и синхронни машини. Следователно генераторите за променлив ток са синхронни генератори (алтернатори) и индукционни (асинхронни) генератори. Разликата между синхронен и индукционен генератор е, че формата на генерираното от синхронния генератор напрежение е синхронизирано (кореспондира пряко) със скоростта на ротора. При индукционният генератор честотата на изходното напрежение се регулира от електроенергийната система, към която е свързан. Ако индукционният генератор захранва самостоятелен товар, изходната честота ще бъде малко по-ниска, от 2% или 3%.

За работата на синхронния генератор се изисква отделна система за възбуждане с постоянен ток. За своето възбуждане индукционният генератор взима реактивна мощност от електроенергийната система. Ако той има за цел да захранва самостоятелен товар, към изводите му трябва да бъде свързана кондензаторна банка, за да го захранва с реактивна мощност. Конструкцията на индукционния генератор е по-малко сложна, тъй като няма нужда от четки и контактни пръстени. Четките са необходими на синхронния генератор за подаване на постоянен ток към ротора за възбуждане. Какъв тип електрически генератор ще се използва в една мини ВЕЦ зависи главно от скоростта на въртене на турбината. В мини ВЕЦ могат да бъдат използвани различни видове турбини, например турбината тип Каплан е с голям дебит, малък напор и ниска скорост на въртене на вала, или турбина тип Пелтон, която работи с малък воден поток, голям напор и по-висока скорост на въртене на вала.

Съображения за приложение на индукционни генератори

При избора на индукционен генератор трябва да се вземат предвид следните съображения, а именно дали става въпрос за трифазен или монофазен ток, номинално напрежение, стойностите на синхронните обороти, максималната изходна мощност при определено покачване на температурата, характеристиките на първичния двигател (ДВГ или турбина), температура на околната среда, надморската височина, както и дали някога ще работи като двигател. От значение са също координирането с ЕРП за наличния капацитет за задоволяване на възбуждането, което се изисква от индукционния генератор, дали машината ще бъде подложена на неблагоприятни условия на околната среда, специални изисквания към скоростта при максимален товар, специални ефективност и/или фактор на мощността, специални изисквания при покачване на температурата, директно задвижване или такова с ремък, други специални електрически или механични изисквания. Индукционният генератор не може да осигури реактивна мощност за пускане на асинхронни двигатели.

При преразглеждането на предимствата и недостатъците на индукционните генератори е очевидно, че те са частично подходящи за мини ВЕЦ, свързани в паралел към електрическата мрежа, които имат достъп до относително постоянен приток на вода, до дългосрочно съхранение или до част от потока. Непрекъснатото наличие на достатъчно механична енергия и използването на наличния на разположение поток, за да работи генератора при номинална мощност, гарантират максимална ефективност и висок фактор на мощността. Ако потокът на разположение е променлив, могат да бъдат монтирани няколко машини, за да се обхваща общият капацитет. Броят на работещите машини може да варира в зависимост от състоянието на водите, но всяка машина работи с номинална мощност. При разглеждане на инсталация на индукционен генератор в мини ВЕЦ, проектантът трябва внимателно да прецени как той ще работи при нормални натоварвания, по време на къси съединения и при свръхобороти.