stringtranslate.com

Электрическая машина с двойной подачей

Электрические машины с двойным питанием , также генераторы с контактными кольцами , представляют собой электродвигатели или электрические генераторы , в которых как обмотки магнита возбуждения , так и обмотки якоря отдельно подключены к оборудованию вне машины.

Подавая переменный ток регулируемой частоты на обмотки возбуждения , магнитное поле можно заставить вращаться, позволяя изменять скорость двигателя или генератора. Это полезно, например, для генераторов, используемых в ветряных турбинах . [1] Кроме того, ветряные турбины на базе DFIG позволяют контролировать активную и реактивную мощность . [2] [3]

Введение

Генератор с двойным питанием для ветряной турбины.

Электрические генераторы с двойным питанием аналогичны электрическим генераторам переменного тока , но имеют дополнительные функции, которые позволяют им работать на скоростях, немного превышающих или ниже их естественной синхронной скорости. Это полезно для больших ветряных турбин с регулируемой скоростью , поскольку скорость ветра может внезапно измениться. Когда порыв ветра попадает в ветряную турбину, лопасти пытаются ускориться, но синхронный генератор привязан к скорости электросети и не может ускориться. Столь большие силы возникают в ступице, коробке передач и генераторе, когда энергосистема отталкивается назад. Это приводит к износу и повреждению механизма. Если турбине позволить немедленно увеличить скорость при ударе порыва ветра, напряжения будут ниже, поскольку мощность порыва ветра все равно преобразуется в полезную электроэнергию.

Один из подходов к изменению скорости ветряной турбины состоит в том, чтобы принять любую частоту, вырабатываемую генератором, преобразовать ее в постоянный ток, а затем преобразовать в переменный ток желаемой выходной частоты с помощью инвертора . Это обычное явление для небольших домашних и фермерских ветряных турбин. Но инверторы, необходимые для мегаваттных ветряных турбин, большие и дорогие.

Генераторы с двойным питанием — еще одно решение этой проблемы. Вместо обычной обмотки возбуждения , питаемой постоянным током, и обмотки якоря , куда выходит генерируемое электричество, имеются две трехфазные обмотки, одна стационарная и одна вращающаяся, обе отдельно подключенные к оборудованию вне генератора. Таким образом, для этого типа машин используется термин « двойная подача» .

Одна обмотка напрямую подключена к выходу и вырабатывает трехфазный переменный ток желаемой частоты сети. Другая обмотка (традиционно называемая полевой, но здесь обе обмотки могут быть выходными) подключена к трехфазному источнику переменного тока переменной частоты. Эта входная мощность регулируется по частоте и фазе, чтобы компенсировать изменения скорости турбины. [4]

Для регулировки частоты и фазы требуется преобразователь переменного тока в постоянный. Обычно он изготавливается из очень больших полупроводников IGBT . Преобразователь является двунаправленным и может передавать мощность в любом направлении. Мощность может течь как из этой обмотки, так и из выходной обмотки. [5]

История

Начиная с асинхронных двигателей с фазным ротором с многофазными наборами обмоток на роторе и статоре соответственно, которые были изобретены Николой Теслой в 1888 году, [6] комплект обмоток ротора электрической машины с двойным питанием подключается к набору резисторов через многофазные контактные кольца для запуска. Однако мощность скольжения терялась в резисторах. Таким образом, были разработаны средства повышения эффективности работы с регулируемой скоростью за счет восстановления мощности скольжения. В приводах Кремера (или Кремера) ротор был подключен к машине переменного и постоянного тока, которая питала машину постоянного тока, подключенную к валу машины с контактными кольцами. [7] Таким образом, мощность скольжения возвращалась в виде механической энергии, и приводом можно было управлять с помощью токов возбуждения машин постоянного тока. Недостаток привода Кремера заключается в том, что машины должны иметь завышенные размеры, чтобы справиться с дополнительной циркуляционной мощностью. Этот недостаток был исправлен в приводе Шербиуса , в котором мощность скольжения передается обратно в сеть переменного тока двигателями-генераторами. [8] [9]

Вращающееся оборудование, используемое для питания ротора, было тяжелым и дорогим. Усовершенствованием в этом отношении стал статический привод Шербиуса, в котором ротор был соединен с выпрямительно-инверторной установкой, построенной сначала на ртутно-дуговых устройствах, а затем на полупроводниковых диодах и тиристорах. В схемах с выпрямителем поток мощности был возможен только вне ротора из-за неуправляемого выпрямителя. Причём возможна была только субсинхронная работа в качестве двигателя.

Другая концепция использования статического преобразователя частоты включала циклоконвертер , подключенный между ротором и сетью переменного тока. Циклоконвертер может подавать мощность в обоих направлениях, поэтому машина может работать как на суб-, так и на сверхсинхронной скорости. Большие машины с двойным питанием, управляемые циклоконвертерами, использовались для запуска однофазных генераторов, питающих 16+Железнодорожная сеть 2 ⁄ Гц  в Европе. [10] Машины с циклоконвертерным приводом также могут запускать турбины гидроаккумулирующих электростанций. [11]

Сегодня преобразователь частоты, используемый в устройствах мощностью до нескольких десятков мегаватт, состоит из двух последовательно соединенных инверторов IGBT .

Также было разработано несколько бесщеточных концепций, позволяющих избавиться от контактных колец, требующих обслуживания.

Асинхронный генератор с двойным питанием

Асинхронный генератор с двойным питанием (DFIG) — принцип генерации, широко используемый в ветряных турбинах . В его основе лежит асинхронный генератор с многофазным ротором и многофазным контактным кольцом со щетками для доступа к обмоткам ротора. Можно избежать сборки многофазных контактных колец, но возникают проблемы с эффективностью, стоимостью и размером. Лучшей альтернативой является бесщеточная электрическая машина с фазным ротором и двойным питанием. [12]

Принцип работы асинхронного генератора с двойным питанием, подключенного к ветряной турбине.

Принцип DFIG заключается в том, что обмотки статора подключены к сети, а обмотка ротора подключена к преобразователю через контактные кольца и преобразователь источника встречного напряжения , который управляет токами как ротора, так и сети. При этом частота ротора может свободно отличаться от частоты сети (50 или 60 Гц). Используя преобразователь для управления токами ротора, можно регулировать активную и реактивную мощность, подаваемую в сеть от статора, независимо от скорости вращения генератора. Используемым принципом управления является либо двухосное векторное управление током , либо прямое управление крутящим моментом (DTC). [13] DTC оказался более стабильным, чем управление вектором тока, особенно когда от генератора требуются высокие реактивные токи. [14]

Роторы генератора с двойным питанием обычно наматываются с числом витков, в 2–3 раза превышающим количество витков статора. Это означает, что напряжения ротора будут выше, а токи соответственно ниже. Таким образом, в типичном диапазоне рабочих скоростей ±30% от синхронной скорости номинальный ток преобразователя соответственно ниже, что приводит к снижению стоимости преобразователя. Недостаток заключается в том, что управляемая работа за пределами рабочего диапазона скоростей невозможна из-за напряжения ротора, превышающего номинальное. Кроме того, также будут увеличиваться переходные процессы напряжения из-за помех в сети (особенно трех- и двухфазных провалов напряжения). Чтобы предотвратить разрушение биполярных транзисторов с изолированным затвором и диодов преобразователя высоким напряжением ротора (и высокими токами, возникающими в результате этих напряжений), используется схема защиты (называемая ломом ). [15]

Лом закоротит обмотки ротора через небольшое сопротивление при обнаружении чрезмерных токов или напряжений. Чтобы продолжить работу как можно быстрее, необходимо использовать активный лом [16] . Активный лом может контролируемым образом устранить короткое замыкание ротора, и, таким образом, преобразователь на стороне ротора может быть запущен только через 20–60  мс после начала нарушения в сети, когда остаточное напряжение остается выше 15% от номинального напряжения. Таким образом, можно генерировать реактивный ток в сети во время остальной части падения напряжения и таким образом помочь сети восстановиться после повреждения. При прохождении нулевого напряжения обычно приходится ждать, пока провал не закончится, поскольку в противном случае невозможно узнать фазовый угол, в который следует подавать реактивный ток. [17]

Подводя итог, можно сказать, что асинхронная машина с двойным питанием представляет собой электрическую машину с двойным питанием с фазным ротором и имеет ряд преимуществ перед обычной асинхронной машиной в ветроэнергетических установках. Во-первых, поскольку цепь ротора управляется преобразователем силовой электроники, асинхронный генератор может как импортировать, так и экспортировать реактивную мощность . Это имеет важные последствия для стабильности энергосистемы и позволяет машине поддерживать сеть во время серьезных нарушений напряжения ( проезд при низком напряжении ; LVRT). [15] Во-вторых, контроль напряжений и токов ротора позволяет асинхронной машине оставаться синхронизированной с сетью при изменении скорости ветряной турбины. Ветряная турбина с регулируемой скоростью использует доступный ветровой ресурс более эффективно, чем ветряная турбина с фиксированной скоростью, особенно в условиях слабого ветра. В-третьих, стоимость преобразователя невелика по сравнению с другими решениями с регулируемой скоростью, поскольку только часть механической мощности, обычно 25–30%, подается в сеть через преобразователь, а остальная часть подается в сеть непосредственно от статора. . По той же причине эффективность DFIG очень высока.

Рекомендации

  1. ^ «Генераторы для ветряных турбин. Стандартная серия генераторов с контактными кольцами для концепции двойного питания мощностью от 1,5 до 3,5 МВт» (PDF) . АББ . 2014 . Проверено 24 апреля 2018 г.
  2. ^ М.Дж. Харанди, С.Г. Лиаси и М.Т. Бина, «Компенсация переходного потока статора во время симметричных и асимметричных замыканий с использованием виртуального потока на основе тока размагничивания в ветряных турбинах DFIG», Международная конференция энергетических систем (PSC), 2019 г., Тегеран, Иран, 2019 г., стр. 181-187, номер документа : 10.1109/PSC49016.2019.9081565.
  3. ^ М. Нираула и Л. Махарджан, «Регулирование частоты статора автономного DFIG с диодным выпрямленным выходом», 5-й Международный симпозиум по экологически чистым источникам энергии и приложениям (EFEA), 2018.
  4. ^ С. МЮЛЛЕР; С.; и другие. (2002). «Системы индукционных генераторов с двойной подачей для ветряных турбин» (PDF) . Журнал отраслевых приложений IEEE . 8 (3). ИИЭР: 26–33. дои : 10.1109/2943.999610.
  5. ^ Л. Вэй, Р. Дж. Керкман, Р. А. Лукашевски, Х. Лу и З. Юань, «Анализ возможностей циклического включения питания IGBT, используемых в ветроэнергетической системе с индукционным генератором с двойной подачей», Конгресс и выставка IEEE Energy Conversion, 2010 г., Атланта, Джорджия, 2010 г. , стр. 3076-3083, номер документа : 10.1109/ECCE.2010.5618396.
  6. ^ "Силовая электроника - Wiki по истории техники и технологий" . ethw.org .
  7. ^ Леонхард, В.: Управление электроприводами. 2-е изд. Springer 1996, 420 страниц. ISBN 3-540-59380-2 . 
  8. ^ Шивели, ЕК; Уитлоу, Гео. С. (1932). «Автоматическое управление преобразователями частоты с переменным передаточным числом». Труды Американского института инженеров-электриков . 51 : 121–127. дои : 10.1109/T-AIEE.1932.5056029. S2CID  51636516.
  9. ^ Лившиц, ММ; Килгор, Луизиана (1942). «Исследование модифицированного привода Крамера или асинхронно-синхронного каскадного регулируемого привода». Труды Американского института инженеров-электриков . 61 (5): 255–260. дои : 10.1109/T-AIEE.1942.5058524. S2CID  51642497.
  10. ^ Пфайффер, А.; Шейдль, В.; Эйцманн, М.; Ларсен, Э. (1997). «Современные ротационные преобразователи для железнодорожного транспорта». Материалы совместной железнодорожной конференции IEEE/ASME 1997 года . стр. 29–33. дои : 10.1109/RRCON.1997.581349. ISBN 0-7803-3854-5. S2CID  110505314.
  11. ^ А. Бокель, Дж. Яннинг: привод с регулируемой скоростью 4 * 300 МВт для насосно-аккумулирующих электростанций. Конференция EPE 2003, Тулуза.
  12. ^ «Обзор состояния исследований и разработок бесщеточной системы машин с двойной подачей» . Китайский журнал электротехники . 2 (2). Китайское общество электротехники . Декабрь 2016.
  13. ^ Патент США 6 448 735.
  14. ^ Нииранен, Йоуко (2008). «Об измерениях активной и реактивной мощности при испытаниях на выдерживание несимметричного провала напряжения». Ветряная энергия . 11 (1): 121–131. Бибкод : 2008WiEn...11..121N. дои : 10.1002/ср.254.
  15. ^ ab М.Дж. Харанди, С. Гасеминежад Лиаси, Э. Никравеш и М.Т. Бина, «Улучшенная стратегия управления для прохождения низкого напряжения DFIG с использованием метода оптимального размагничивания», 10-я Международная конференция по силовой электронике, приводным системам и технологиям (PEDSTC), 2019 г., Шираз, Иран, 2019 г., стр. 464–469, номер документа : 10.1109/PEDSTC.2019.8697267.
  16. ^ активный лом : например, патент США 7 164 562.
  17. ^ Семан, Славомир; Нииранен, Йоуко; Виртанен, Рейо; Мацинен, Яри-Пекка (2008). «Анализ прохождения низкого напряжения ветряной турбины DFIG мощностью 2 МВт - проверка соответствия сетевым нормам». 2008 г. Общее собрание Общества энергетики и энергетики IEEE - Преобразование и доставка электрической энергии в 21 веке . стр. 1–6. дои : 10.1109/PES.2008.4596687. ISBN 978-1-4244-1905-0. S2CID  41973249.

Внешние ссылки