Асинхронный генератор или асинхронный генератор — это тип электрического генератора переменного тока (AC) , который использует принципы асинхронных двигателей для выработки электроэнергии. Асинхронные генераторы работают, механически вращая свои роторы быстрее синхронной скорости. Обычный асинхронный двигатель переменного тока обычно может использоваться в качестве генератора без каких-либо внутренних модификаций. Поскольку они могут восстанавливать энергию с помощью относительно простого управления, асинхронные генераторы полезны в таких приложениях, как мини- гидроэлектростанции, ветряные турбины или для снижения давления газовых потоков высокого давления.
Асинхронный генератор потребляет реактивный ток возбуждения от внешнего источника. Асинхронные генераторы имеют ротор переменного тока и не могут осуществлять самозапуск с использованием остаточного намагничивания для черного пуска обесточенной распределительной системы, как это делают синхронные машины. Конденсаторы коррекции коэффициента мощности могут быть добавлены извне для нейтрализации постоянного количества переменного реактивного тока возбуждения. После запуска асинхронный генератор может использовать конденсаторную батарею для выработки реактивного тока возбуждения, но напряжение и частота изолированной энергосистемы не являются саморегулирующимися и легко дестабилизируются.
Асинхронный генератор вырабатывает электроэнергию, когда его ротор вращается быстрее синхронной скорости . Для четырехполюсного двигателя (две пары полюсов на статоре), работающего от источника 60 Гц, синхронная скорость составляет 1800 оборотов в минуту (об/мин) и 1500 об/мин при питании от 50 Гц. Двигатель всегда вращается немного медленнее синхронной скорости. Разница между синхронной и рабочей скоростью называется «скольжением» и часто выражается в процентах от синхронной скорости. Например, двигатель, работающий на 1450 об/мин, имеющий синхронную скорость 1500 об/мин, работает со скольжением +3,3%.
При работе в качестве двигателя вращение потока статора происходит с синхронной скоростью, которая выше скорости ротора. Это заставляет поток статора циклически вращаться с частотой скольжения, индуцируя ток ротора через взаимную индуктивность между статором и ротором. Индуцированный ток создает поток ротора с магнитной полярностью , противоположной статору. Таким образом, ротор увлекается за потоком статора, при этом токи в роторе индуцируются с частотой скольжения. Двигатель работает со скоростью, при которой индуцированный ток ротора создает крутящий момент, равный нагрузке на валу.
При работе генератора первичный двигатель (турбина или двигатель) приводит в движение ротор со скоростью выше синхронной (отрицательное скольжение). Поток статора индуцирует ток в роторе, но противоположный поток ротора теперь разрезает катушки статора, ток индуцируется в катушках статора на 270° позади тока намагничивания, в фазе с напряжением намагничивания. Двигатель подает реальную (синфазную) мощность в энергосистему.
Асинхронный двигатель требует внешнего тока, подаваемого на обмотки статора, чтобы индуцировать ток в роторе. Поскольку ток в индукторе является интегралом напряжения по времени, для синусоидальной формы напряжения ток отстает от напряжения на 90°, и асинхронный двигатель всегда потребляет реактивную мощность , независимо от того, потребляет ли он электрическую мощность и выдает механическую мощность как двигатель или потребляет механическую мощность и выдает электрическую мощность в систему.
Источник тока возбуждения для намагничивающего потока (реактивной мощности) для статора все еще требуется, чтобы индуцировать ток ротора. Он может подаваться из электрической сети или, как только он начнет вырабатывать мощность, из емкостного реактивного сопротивления. Режим генерации для асинхронных двигателей осложняется необходимостью возбуждения ротора, который, будучи индуцированным переменным током, размагничивается при выключении без остаточного намагничивания для бутстрапа холодного пуска. Необходимо подключить внешний источник намагничивающего тока для инициализации производства. Частота и напряжение сети не являются саморегулирующимися. Генератор способен подавать ток в противофазе с напряжением, требуя большего внешнего оборудования для построения функциональной изолированной энергосистемы. Подобным образом работает асинхронный двигатель параллельно с синхронным двигателем, служащим компенсатором коэффициента мощности. Особенностью режима генератора параллельно с сетью является то, что скорость ротора выше, чем в режиме движения. Затем активная энергия отдается в сеть. [1] Другим недостатком асинхронного двигателя-генератора является то, что он потребляет значительный ток намагничивания I0 = (20-35)%.
Активная мощность, подаваемая в линию, пропорциональна скольжению выше синхронной скорости. Полная номинальная мощность генератора достигается при очень малых значениях скольжения (зависит от двигателя, обычно 3%). При синхронной скорости 1800 об/мин генератор не будет вырабатывать мощность. Когда скорость движения увеличивается до 1860 об/мин (типичный пример), вырабатывается полная выходная мощность. Если первичный двигатель не может вырабатывать достаточно мощности для полного привода генератора, скорость останется где-то между 1800 и 1860 об/мин.
Конденсаторная батарея должна поставлять реактивную мощность двигателю при использовании в автономном режиме. Поставляемая реактивная мощность должна быть равна или превышать реактивную мощность, которую генератор обычно потребляет при работе в качестве двигателя.
Основной принцип индукционных генераторов заключается в преобразовании механической энергии в электрическую. Для этого требуется внешний крутящий момент, приложенный к ротору, чтобы вращать его быстрее синхронной скорости. Однако неограниченно увеличивающийся крутящий момент не приводит к неограниченному увеличению выработки электроэнергии. Вращающийся крутящий момент магнитного поля, возбуждаемый якорем, работает для противодействия движению ротора и предотвращения превышения скорости из-за индуцированного движения в противоположном направлении. По мере увеличения скорости двигателя противодействующий крутящий момент достигает максимального значения крутящего момента (критического крутящего момента), при котором он может работать до тех пор, пока рабочие условия не станут нестабильными. В идеале индукционные генераторы лучше всего работают в стабильной области между состоянием холостого хода и областью максимального крутящего момента.
Максимальная мощность, которую может вырабатывать асинхронный двигатель, работающий в режиме генератора, ограничивается номинальным током обмоток генератора.
В индукционных генераторах реактивная мощность, необходимая для установления магнитного потока воздушного зазора, обеспечивается конденсаторной батареей , подключенной к машине в случае автономной системы, а в случае подключения к сети она потребляет реактивную мощность из сети для поддержания своего потока воздушного зазора. Для системы, подключенной к сети, частота и напряжение на машине будут определяться электрической сетью, поскольку они очень малы по сравнению со всей системой. Для автономных систем частота и напряжение являются сложной функцией параметров машины, емкости, используемой для возбуждения, а также значения и типа нагрузки.
Асинхронные генераторы часто используются в ветряных турбинах и некоторых микрогидроустановках из-за их способности производить полезную мощность при различных скоростях вращения ротора. Асинхронные генераторы механически и электрически проще, чем другие типы генераторов. Они также более прочные, не требуют щеток или коммутаторов .
Асинхронный генератор, подключенный к конденсаторной системе, может генерировать достаточную реактивную мощность для автономной работы. Когда ток нагрузки превышает способность генератора поставлять как реактивную мощность намагничивания, так и мощность нагрузки, генератор немедленно прекращает выработку энергии. Нагрузку необходимо снять, а асинхронный генератор перезапустить либо с помощью внешнего двигателя постоянного тока, либо, если он присутствует, с помощью остаточного магнетизма в сердечнике. [2]
Асинхронные генераторы особенно подходят для ветровых электростанций, поскольку в этом случае скорость всегда является переменным фактором. В отличие от синхронных двигателей, асинхронные генераторы зависят от нагрузки и не могут использоваться в одиночку для управления частотой сети.
В качестве примера рассмотрим использование трехфазного индукционного двигателя мощностью 10 л.с., 1760 об/мин, 440 В (также известного как индукционная электрическая машина в режиме асинхронного генератора) в качестве асинхронного генератора. Ток полной нагрузки двигателя составляет 10 А, а коэффициент мощности полной нагрузки — 0,8.
Требуемая емкость на фазу при соединении конденсаторов в треугольник:
Чтобы машина работала как асинхронный генератор, конденсаторная батарея должна обеспечивать минимум 4567 / 3 фазы = 1523 ВАР на фазу. Напряжение на конденсатор составляет 440 В, поскольку конденсаторы соединены в треугольник.
Минимальная емкость на фазу:
Если нагрузка также потребляет реактивную мощность, для компенсации необходимо увеличить размер конденсаторной батареи.
Для генерации частоты 60 Гц следует использовать скорость первичного двигателя:
Обычно скольжение должно быть аналогично значению полной нагрузки, когда машина работает в режиме двигателя, но отрицательное (работа генератора):
