zastosowanie maszyny indukcyjnej pierścieniowej w elektrowni

ZASTOSOWANIE MASZYNY INDUKCYJNEJ PIERŚCIENIOWEJ W ELEKTROWNI WIATROWEJ
Tomasz Lerch (V rok)
Koło Naukowe „Magnesik”
Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki
ZASTOSOWANIE MASZYNY INDUKCYJNEJ
PIERŚCIENIOWEJ W ELEKTROWNI WIATROWEJ
Opiekun naukowy referatu:
Dr hab. Inż. Jerzy Skwarczyński
-1-
ZASTOSOWANIE MASZYNY INDUKCYJNEJ PIERŚCIENIOWEJ W ELEKTROWNI WIATROWEJ
Wstęp
Wiatr jako źródło energii odnawialnej znany jest od bardzo dawna. Zaś do produkcji energii
elektrycznej zaczęto go wykorzystywać w połowie XX wieku. W Polsce pierwsza
elektrownia wiatrowa została zbudowana w 1991 roku.
Od początku lat 90-tych XX wieku energetyka wiatrowa zaczęła się bardzo intensywnie
rozwijać. W Polsce głównym bodźcem rozwoju energetyki wiatrowej są wymogi, które
Polska musi spełniać w związku z przystąpieniem do Unii Europejskiej, a które zakładają
udział energii ze źródeł odnawialnych na poziomie 7,5% w roku 2010. W praktyce oznacza
to, że do 2010 roku moc zainstalowana w elektrowniach wiatrowych musi wzrosnąć 10krotnie. Z tych danych wynika, że w ciągu najbliższych kilku lat energetyka wiatrowa będzie
bardzo dynamicznie rozwijającą się gałęzią przemysłu co potwierdza celowość badań na tym
polu.
Celem mojej pracy było zbadanie możliwości zastosowania maszyny indukcyjnej
pierścieniowej z układem przekształtnikowym do pracy w elektrowni wiatrowej. Badaniu
zostały poddane dwa tego typu układy: pierwszym z nich jest kaskada zaworowa pracująca w
nadsynchronizmie, drugim zaś maszyna indukcyjna pracująca w synchronizmie o wzbudzeniu
przemiennoprądowym zasilanym z falownika prądu.
Na początku przedstawię budowę i zasadę działania elektrowni wiatrowej a następnie badane
układy oraz wyniki badań.
Budowa i działanie elektrowni wiatrowych
Elektrownie wiatrowe budowane obecnie na świecie mają moce od kilkudziesięciu kilowatów
do 4,5 megawata. Większość z nich bez względu na moc ma bardzo podobną budowę,
składają się one z trzech podstawowych części: wieży, gondoli i wirnika.
Gondola umieszczona jest na szczycie wieży w taki sposób, że może się obracać, ustawiając
wirnik w kierunku wiatru. We wnętrzu gondoli znajduje się generator połączony poprzez wał
szybkoobrotowy ze skrzynią przekładniową, która z kolei poprzez wał wolnoobrotowy
połączona jest z wirnikiem. Na wale wolnoobrotowym podpartym na dwóch łożyskach
znajduje się hamulec ograniczający obroty wirnika przy silnym wietrze.
Najważniejszym elementem każdej siłowni wiatrowej jest wirnik. Łopaty współczesnych
turbin wiatrowych charakteryzują się aerodynamicznym kształtem i wykonane są z wysoko
przetworzonych komponentów. Najczęściej obecnie spotykanym w profesjonalnych
elektrowniach rozwiązaniem silnika wiatrowego jest turbina z trzema łopatami wykonanymi z
włókna szklanego o długości 20 – 40m. Rozwiązanie z trzema łopatami jest kompromisem
pomiędzy większą wydajnością, a stabilnością i długim okresem funkcjonowania turbiny. W
większości przypadków wirniki mają regulowany kąt natarcia łopat, co umożliwia regulację
prędkości obrotowej i momentu na wale turbiny.
Charakterystycznym parametrem każdej turbiny wiatrowej jest szybkobieżność oznaczana
jako Z. Wartość szybkobieżności wynika z konstrukcyjnych własności wirnika, takich jak
ilość łopat, ich kształt oraz kąt natarcia. Zależność prędkości obrotowej silnika wiatrowego od
prędkości wiatru, długości łopaty oraz szybkobieżności wyraża się wzorem:
ω=
ν
Z
R
Widać zatem, że w turbinach o regulowanym kącie natarcia łopat można nastawiać prędkość
obrotową niezależnie od prędkości wiatru. Typowe turbiny obracają się z prędkością 15 – 30
obr./min, przy czym przedział ten zależy od średnicy wirnika i dla większych jednostek może
wynosić np. 9 – 19 obr./min. Ogólnie można stwierdzić, że zakres prędkości pracy typowych
silników wiatrowych mieści się w zakresie 1 ÷ 2.
-2-
ZASTOSOWANIE MASZYNY INDUKCYJNEJ PIERŚCIENIOWEJ W ELEKTROWNI WIATROWEJ
Rys 1 – Charakterystyka silnika wiatrowego o mocy 1000 kW [1]
Wspólną własnością wszystkich turbin wiatrowych bez względu na średnicę czy liczbę łopat
jest występowanie maksimum mocy przy pewnej prędkości obrotowej. Jak widać na
powyższym rysunku, maksima mocy dla różnych prędkości wiatru występują przy różnych
prędkościach obrotowych wirnika. Z tej własności wynika bardzo ważny wniosek: aby
osiągnąć jak najwyższy uzysk mocy przy różnych prędkościach wiatru silnik wiatrowy
powinien pracować ze zmienną prędkością obrotową, odpowiadającą w każdym punkcie
maksymalnej mocy. Warunek ten można spełnić tylko w turbinie o regulowanym kącie
natarcia łopat.
Kolejnym ważnym elementem siłowni wiatrowej jest generator, którego zadaniem jest
przetwarzanie energii mechanicznej silnika wiatrowego na energię elektryczną w jak
najefektywniejszy sposób. Dlatego też powinien on spełniać następujące wymogi:
• konstrukcja generatora powinna zapewniać długotrwałą pracę bez wymiany i
konserwacji podzespołów
• generator nie powinien pobierać mocy biernej z sieci, czyli współczynnik mocy cosϕ
powinien być bliski jedności
• prąd dostarczany do sieci powinien być jak najmniej odkształcony, czyli udział
wyższych harmonicznych powinien być minimalny
-3-
ZASTOSOWANIE MASZYNY INDUKCYJNEJ PIERŚCIENIOWEJ W ELEKTROWNI WIATROWEJ
Aby spełniać wszystkie te wymagania generator powinien mieć jak najprostszą budowę,
pracować bez przekładni mechanicznej, a moc powinna być oddawana bezpośrednio z
maszyny bez pośrednictwa przekształtników. W praktyce warunki te wykluczają się
wzajemnie i konstruując układy: turbina – generator można jedynie starać się osiągnąć
warunki do nich zbliżone.
Ogólnie generatory w siłowniach wiatrowych można podzielić na dwie grupy: układy
pracujące ze stałą i zmienną prędkością obrotową. Pierwsze z nich cechują się prostą i
stosunkowo tanią konstrukcją. Układy generatorów w elektrowniach pracujących ze zmienną
prędkością obrotową są znacznie droższe i bardziej skomplikowane, ale dają większy uzysk
energii wiatru. Wynika to z faktu, że tego typu generatory współpracują z turbinami
pracującymi ze zmienną prędkością obrotową, które zgodnie z charakterystyką przedstawioną
na rysunku 1 sterowane są zawsze na maksimum mocy.
Poniżej zostaną przedstawione dwie z kilku praktycznych realizacji układu generatora
elektrycznego elektrowni wiatrowej pracującej ze zmienną prędkością obrotową.
Praca generatorowa układu kaskady zaworowej
Rys 2 – Schemat ideowy kaskady zaworowej
Schemat ideowy kaskady zaworowej przedstawia rysunek 2. Głównym elementem tego
układu jest maszyna indukcyjna pierścieniowa, której stojan połączony jest bezpośrednio z
siecią zaś do pierścieni wirnika dołączony jest przekształtnik złożony z prostownika
niesterowalnego i prostownika starowanego wysterowanego do pracy falowniczej.
Przekształtnik ten poprzez transformator dopasowujący połączony jest z siecią.
Właściwości kaskady zaworowej pracującej generatorowo najlepiej obrazuje bilans mocy
tego układu w zestawieniu z takim samym bilansem dla pracy silnikowej przedstawiony na
rys 3.
-4-
ZASTOSOWANIE MASZYNY INDUKCYJNEJ PIERŚCIENIOWEJ W ELEKTROWNI WIATROWEJ
a)
b)
⇓ P1
PΨ=Tωo
⇐
∆Pcu1
⇑ P1
⇐
∆Pcu1
PΨg=Tgωo
⇓
⇑
⇓
⇓
⇑
⇓
Pm=PΨ(1-s)
P Ψs
Pm=PΨg(1+sg)
PΨgsg
⇐
⇐
⇒
∆Pcu2
∆P m
⇒
∆Pcu2
⇓ P2
⇓ Pmu
⇓ P2
⇑ Pmu
Rys 3 – Rozpływ mocy w maszynie indukcyjnej pierścieniowej przy pracy
a) silnikowej i b) generatorowej z pominięciem strat w żelazie
∆Pm
Moc pola wirującego maszyny pierścieniowej pracującej generatorowa wyraża się wzorem:
PΨg = Tg ⋅ ω o = − PΨ = −(T ⋅ ω o )
Natomiast moc poślizgu:
PΨg ⋅ s g = Tg ⋅ ωo ⋅ s g = PΨ ⋅ s = T ⋅ ωo ⋅ s
Z powyższych zależności wynika, że moc pola wirującego przy pracy generatorowej zmienia
swój znak, a więc zmienia się kierunek przepływu energii. Moc poślizgu zaś ma ten sam znak
zarówno dla pracy silnikowej, jak i generatorowej, zatem kierunek przepływu energii nie
zmienia się. Z rozpływu mocy w maszynie widać, że przy pracy generatorowej maszyny
indukcyjnej pierścieniowej istnieją dwie bramy elektryczne: stojanowa i wirnikowa, którymi
można przetwarzać energię mechaniczną dostarczaną do układu na elektryczną. Parametry
bramy stojanowej ściśle zależą od napięcia i częstotliwości sieci. Brama wirnikowa
charakteryzuje się zmiennością w funkcji poślizgu napięcia i częstotliwości, dlatego też w
celu dopasowania tych parametrów do parametrów sieci konieczne jest zastosowanie
przekształtnika energoelektronicznego.
Pomiary pracy generatorowej kaskady zaworowej wykonywane były w siedmiu seriach, dla
różnych nastawionych wartości prądu wirnika. W każdej serii pomiary dokonywane były dla
kolejnych dwunastu nastawionych prędkości obrotowych w zakresie 1 ÷ 2 prędkości
synchronicznych maszyny indukcyjnej. Ze względu na badanie pracy generatorowej kaskady
moc elektryczna oddawana przez układ została oznaczona dodatnio, zaś pobierana ujemnie.
Na podstawie zmierzonych wartości napięć, prądów, mocy oraz prędkości obrotowej
sporządzone zostały wykresy poszczególnych wielkości, które przedstawiają właściwości
kaskady zaworowej pracującej generatorowo.
-5-
ZASTOSOWANIE MASZYNY INDUKCYJNEJ PIERŚCIENIOWEJ W ELEKTROWNI WIATROWEJ
Wyniki pomiarów pracy generatorowej kaskady zaworowej T=const
1,80
1,60
1,40
1,20
Moc P/Pn
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
-0,20
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
1,50
1,60
1,70
1,80
1,90
2,00
Prędkość n/ns
Id=5A
Id=10A
Id=15A
Id=20A
Id=25A
Id=30A
Id=35A
Naturalna
Rys. 4 – Moc sumaryczna kaskady zaworowej z funkcji prędkości obrotowej
Rysunek 4 przedstawia zależność mocy oddawanej do sieci w funkcji prędkości obrotowej dla
różnych wartości prądu wirnika. Z charakterystyki tej widać, że kaskada zaworowa może
pracować generatorowo w szerokim zakresie zmian prędkości obrotowej (1,05 – 2ns). Na
wykresie przedstawiona została także naturalna charakterystyka maszyny indukcyjnej (ze
zwartym wirnikiem). Z porównania tych charakterystyk widać, że układ kaskady zaworowej,
w przeciwieństwie do maszyny indukcyjnej klatkowej, pozwala na pracę generatorową w
bardzo szerokim zakresie prędkości obrotowej, dzięki czemu doskonale nadaje się do
współpracy z turbiną wiatrową pracująca ze zmienną prędkością.
Na charakterystyce tej widać także, że dla prędkości 2ns i prądu Id = 35A sumaryczna moc
oddawana przez układ wynosi około 1,8 mocy znamionowej maszyny indukcyjnej, przy nie
przekroczonych parametrach prądowych stojana i wirnika. Wynika to właśnie z faktu, że
maszyna przetwarza moc dwoma bramami elektrycznymi jak zostało pokazane na bilansie
mocy. Jest to charakterystyczna własność kaskady zaworowej pracującej generatorowo (w
nadsynchronizmie) i stanowi ona jej cenną zaletę.
-6-
ZASTOSOWANIE MASZYNY INDUKCYJNEJ PIERŚCIENIOWEJ W ELEKTROWNI WIATROWEJ
0,6
Współczynnik mocy cos fi
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
1,00
1,10
1,20
1,30
1,40
1,50
1,60
1,70
1,80
Id = 30A
Id = 35A
1,90
2,00
Prędkość obrotowa n/nn
Id = 5A
Id = 10A
Id = 15A
Id = 20A
Id = 25A
Rys. 5 – Współczynnik mocy kaskady zaworowej pracującej generatorowo
w funkcji prędkości obrotowej
Rysunek 5 przestawia obliczeniowo wyznaczoną zależność współczynnika mocy cosφ
kaskady zaworowej pracującej generatorowo w funkcji prędkości obrotowej. Z wyznaczonej
charakterystyki wynika, że współczynnik mocy tego układu jest dosyć niski (nie przekracza
0,5), a ponadto jego wartość jest zmienna w szerokim zakresie. Warto tutaj także zauważyć,
że zmienność współczynnika mocy w tym układzie nie wynika ze zmiennego poboru mocy
biernej przez maszynę a jest efektem przesunięcia fazowego jakie wprowadza prostownik
sterowany w torze stojana.
-7-
ZASTOSOWANIE MASZYNY INDUKCYJNEJ PIERŚCIENIOWEJ W ELEKTROWNI WIATROWEJ
1,00
0,90
0,80
Sprawność [0 - 1]
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
2
Prędkość n/ns
Id=5A
Id=10A
Id=15A
Id=20A
Id=25A
Id=30A
Id=35A
Rys 6 – Sprawność kaskady zaworowej przy pracy generatorowej
w funkcji prędkości obrotowej
Sprawność układu została wyznaczona jako stosunek sumy mocy toru stojanowego i
wirnikowego do mocy mechanicznej na wale generatora indukcyjnego. Jak widać dla
wyższych wartości prądów wirnika sprawność kaskady zaworowej wynosi około 0,8 – 0,85,
co należy uznać za wartość bardzo wysoką ze względu na złożoną budowę układu. Dla
najniższej wartości prądu wirnika sprawność jest znacznie mniejsza co wynika z faktu, że w
tym stanie pracy moc przetwarzana przez układ porównywalna jest ze stratami w układzie.
-8-
ZASTOSOWANIE MASZYNY INDUKCYJNEJ PIERŚCIENIOWEJ W ELEKTROWNI WIATROWEJ
Praca generatorowa maszyny dwustronnie zasilanej
Rys. 7 – Schemat ideowy maszyny dwustronnie zasilanej
Układ maszyny dwustronnie zasilanej, której schemat ideowy przedstawia rysunek 7
zbudowany jest z maszyny indukcyjnej pierścieniowej oraz dołączonego do wirnika
przekształtnika energoelektronicznego dwukierunkowego (umożliwiającego przepływ energii
w obu kierunkach) który wymusza częstotliwość prądu wirnika. Tak zasilana maszyna
indukcyjna pierścieniowa pracuje w synchronizmie, gdyż jej prędkość obrotowa jest
wynikiem różnicy prędkości pola stojana i wirnika przy czym pole stojana wiruje ze stałą
prędkością zależną od częstotliwości sieci natomiast prędkość pola wirnika zależy od
częstotliwości prądu zasilającego wirnik. Ponieważ maszyna zasilana dwustronnie pracuje w
synchronizmie charakter jej pracy (silnikowy lub generatorowy) podobnie jak w maszynie
synchronicznej zależy od kąta mocy.
Pomiary pracy generatorowej maszyny dwustronnie zasilanej wykonywane były w pięciu
seriach, dla różnych nastawionych prędkości obrotowych. W każdej serii pomiary
dokonywane były dla kolejnych pięciu nastawionych wartości momentu przy czym każdy
pomiar wykonywany był dwukrotnie: dla nominalnego i minimalnego prądu wirnika. Za
minimalną uznawana była wartość prądu wirnika poniżej której maszyna dwustronnie
zasilana wypadała z synchronizmu przy danym momencie na wale. Na podstawie
zmierzonych wartości napięć, prądów i mocy sporządzone zostały wykresy poszczególnych
wielkości w funkcji momentu na wale dla kolejnych wartości prędkości obrotowej. Dla
lepszego ukazania właściwości MDZ jako generatora pracującego ze zmienną prędkością
obrotową na podstawie wykresów w funkcji momentu zostały obliczone charakterystyki
przedstawiające poszczególne wielkości w funkcji prędkości obrotowej dla różnych wartości
momentu na wale.
-9-
ZASTOSOWANIE MASZYNY INDUKCYJNEJ PIERŚCIENIOWEJ W ELEKTROWNI WIATROWEJ
Wyniki pomiarów pracy generatorowej maszyny dwustronnie zasilanej
1,60
1,40
Moc sumaryczna P/Pn
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
-0,20
Predkość obrotowa n/nn
T = 100%, Iwn
T = 80%, Iwn
T = 60%, Iwn
T = 60%, Iw min
T = 40%, Iw min
T = 20%, Iw min
T = 40%, Iwn
T = 20%, Iwn
T = 80%, Iw min
Rys. 8 – Moc sumaryczna w funkcji prędkości obrotowej dla różnych wartości
momentu na wale i prądu wirnika
Na powyższej charakterystyce przedstawiona została zależność mocy oddawanej przez układ
w funkcji prędkości obrotowej dla różnych wartości momentu na wale. Charakterystyki
wyznaczone przy nominalnym prądzie oznaczone są kolorem niebieskim zaś dla minimalnego
prądu kolorem czerwonym. Można zauważyć, że w każdym punkcie pracy moc oddawana
przy minimalnym prądzie wirnika jest większa od mocy dla nominalnego prądu wirnika.
Wynika to z faktu, że przy minimalnym prądzie wirnika straty w złożonym torze wirnikowym
są mniejsze. Jak widać maszyna dwustronnie zasilana może pracować generatorowo w
szerokim zakresie prędkości obrotowej. Prędkość ta zależy od częstotliwości prądu wirnika,
zatem zasilając wirnik z częstotliwościami bliskimi 50Hz maszyna mogłaby pracować z
prędkościami porównywalnymi z obrotami silnika wiatrowego współpracując z nim bez
przekładni mechanicznej, co stanowi główną zaletę tego układu.
- 10 -
ZASTOSOWANIE MASZYNY INDUKCYJNEJ PIERŚCIENIOWEJ W ELEKTROWNI WIATROWEJ
1,00
0,90
0,80
Sprawność Pe/Pm
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
1,6
1,7
1,8
1,9
Predkość obrotowa n/nn
T = 100%, Iwn
T = 80%, Iwn
T = 60%, Iwn
T = 40%, Iwn
T = 60%, Iw min T = 40%, Iw min T = 20%, Iw min
T = 20%, Iwn
T = 80%, Iw min
Rys. 9 – Sprawność układu w funkcji prędkości obrotowej dla różnych wartości
momentu na wale i prądu wirnika
Wpływ wartości prądu wirnika na moc bardzo łatwo zauważyć także na wykresie sprawności
maszyny dwustronnie zasilanej. Widać tu wyraźnie, że przy minimalnym prądzie wirnika dla
każdej wartości momentu na wale sprawność układu jest większa. Dowodzi to, że dobór
prądu wirnika do warunków pracy ma w tym układzie duże znaczenie.
Podsumowanie
Oba przedstawione układy badane były pod kątem zastosowania w elektrowni wiatrowej.
Podsumowując można stwierdzić, że kaskada zaworowa na stały moment pracująca w
nadsynchronizmie jest bardzo dobrym rozwiązaniem układu generatora elektrowni wiatrowej
pracującej ze zmienną prędkością obrotową w której turbina wiatrowa napędza generator
poprzez przekładnie. Potwierdza to fakt, że wiodące na rynku siłowni wiatrowych firmy
wykorzystują ten układ w elektrowniach dużej mocy. Jako przykład można podać siłownie
firmy Vastas V80 [2], w której do przetwarzania mocy mechanicznej na elektryczną
wykorzystuje się właśnie kaskadę zaworową na stały moment.
Maszyna dwustronnie zasilana jak na razie nie znalazła zastosowania w energetyce wiatrowej,
niemniej jednak dzięki swoim właściwościom ten właśnie układ wydaje się być szczególnie
obiecujący jako rozwiązanie generatora elektrowni wiatrowej pracującej bez przekładni
mechanicznej. Właściwości tego układu zwłaszcza przy pracy z niskimi prędkościami nie
zostały jeszcze do końca zbadane.
Literatura
[1] ZDZISŁAW BUDZYŃSKI, TADEUSZ GLINKA Generatory w elektrowniach
wiatrowych Europy Wiadomości elektrotechniczne 2002 nr 4 s. 136
[2] Oferta handlowa firmy VESTAS
- 11 -