Synchronní a asynchronní elektrické generátory: princip činnosti, rozdíly

Princip činnosti jakéhokoli generátoru, bez ohledu na spotřebované palivo a další parametry, je založen na skutečnosti výskytu elektrického proudu v uzavřeném vodiči, který se nachází v měnícím se magnetickém poli. Tedy na jevu elektromagnetické indukce. Změny magnetického toku se dosáhne pohybem buď magnetu nebo vodiče – v obou případech se objeví elektrický proud.

Proud získaný tímto způsobem se nazývá indukce, abychom jej odlišili od proudu získaného z jiných zdrojů a jinými metodami.

Aby tedy vznikl indukovaný proud, lze magnetem i vodičem pohybovat. Stacionární část motoru se nazývá stator a pohyblivá část se nazývá rotor. Charakteristiky elektrické jednotky závisí na poměru frekvence otáčení (RP) magnetického pole statoru a rotoru SR.

Na základě poměru těchto frekvencí se elektrárny dělí na dvě skupiny: synchronní a asynchronní. U synchronního zařízení je frekvenční frekvence magnetického pole statoru rovna frekvenční frekvenci rotoru. V asynchronním se směr otáčení rotoru a magnetické pole statoru shodují, ale CV je jiné – rotor pracuje předem.

Výhody synchronních plynových generátorů

Mezi výhody synchronních zdrojů patří stabilita výstupního napětí a vysoká odolnost proti špičkovým přetížením. To platí zejména, pokud plánujete připojit spotřebiče elektřiny s reaktivní zátěží: mají vysoké startovací proudy a v době spuštění může požadovaný výkon překročit jmenovitý výkon 1,5-7krát.

Takové generátory jsou schopny odolat trojnásobnému přetížení, což vám umožňuje vybrat si model s nižším výkonem (bez zohlednění počátečního přetížení zařízení s reaktivním zatížením), aby sloužil všem plánovaným spotřebitelům elektřiny. Nevýhodou je relativní složitost údržby: mají kartáčovou sestavu, která pravidelně vyžaduje pozornost odborníka.

Při přetížení se kartáče jednotky zahřívají a v důsledku toho postupně vyhoří – je třeba je pravidelně čistit nebo vyměňovat. Další nevýhodou takových zařízení je cena: jsou drahé.

Výhody asynchronních generátorů

Asynchronní generátory jsou levnější, jednodušší na údržbu a prakticky necitlivé na zkraty. Protože nemají kartáčovou sestavu, jsou konstrukčně spolehlivější než synchronní. Navíc nemají vinutí na rotoru, a proto je není třeba chladit (vinutí rotoru synchronního generátoru chlazení potřebují).

Přes všechny tyto výhody se však asynchronní elektrárny pro organizování autonomního napájení používají velmi zřídka. Jde o to, že nemohou odolat krátkodobému přetížení, ke kterému dochází při připojení spotřebičů s vysokými zapínacími proudy. V důsledku toho, abyste mohli použít asynchronní generátor k vytvoření systému napájení, měli byste věnovat velkou pozornost jeho výkonu: musíte vzít v úvahu jalovou složku výkonu a vybrat generátor, jehož výkon odpovídá nejen celkovému jmenovitému výkonu všech plánovaných spotřebičů elektřiny, ale také krátkodobému přetížení, ke kterému dochází při spouštění zařízení, která mají jalovou zátěž. Navíc asynchronní motory nejsou příliš spolehlivé při provozu v extrémních podmínkách a jejich stabilita výstupního napětí je horší než u synchronních motorů.

Pro boj s těmito nedostatky jsou moderní modely vybaveny regulátory napětí a startovacími zesilovači. Bohužel to přináší nejen výhody, ale i nové nevýhody: konstrukce generátoru se komplikuje a v důsledku toho klesá spolehlivost (čím jednodušší, tím spolehlivější). Ale právě jednoduchost a spolehlivost jsou hlavními výhodami asynchronních generátorů.

S přihlédnutím ke všem pro a proti je doporučeno použít k vytvoření autonomního napájecího systému synchronní generátory i přes jejich vyšší cenu a relativní náročnost na údržbu. V současné době se vyrábějí synchronní elektrárny bez kartáčové sestavy. Takové modely jsou nejvýhodnější, protože se snadněji udržují a nemají další nevýhody spojené s přítomností sestavy kartáče.

Elektrické stroje jsou ve svém jádru měniče energie. Přeměňují mechanickou energii, jako je rotační energie rotoru turbíny, na elektrickou energii. Elektrické stroje se mohou lišit svým typem spotřeby energie a principy konstrukce.

Základním zákonem každého elektrického stroje je zákon indukce.

Indukční zákon říká, že v kovovém obvodu, který je v měnícím se magnetickém poli, vzniká elektrický proud, indukční napětí. Indukční napětí způsobuje, že do tohoto obvodu protéká elektrický proud.

Nezbytnou podmínkou indukce je změna magnetického toku v čase, tzn. magnetické pole se v čase mění. Například změny magnetického toku lze dosáhnout pohybem smyčky.

Pro fungování elektrických strojů je kromě indukčního zákona důležitá i síla působící na elektrický vodič v magnetickém poli. Tato síla, která je kolmá na vodič, je základem síly nebo točivého momentu elektrického stroje a nazývá se elektromagnetická nebo Lorentzova síla. Jedinou nutnou podmínkou je, aby vodič vedl elektrický proud.

Generátorový efekt je založen na zákonu indukce; účinek motoru je založen na Lorentzově síle na vodič s proudem v magnetickém poli.

S využitím principů elektromagnetické síly nebo Lorentzovy síly k sestavení elektromotoru by bylo nejjednodušší použít permanentní magnet, rotor, cívku a stator. Když je na cívku statoru přivedeno napětí a proudí do ní proud, působí na rotor síla, která způsobí jeho pohyb, tzn. rotace se provádí.

Třífázový asynchronní generátor s rotorem nakrátko

V dnešní době se elektrická energie vyrábí, přenáší a předává spotřebiteli ve formě třífázového proudu. Důvodem je zachování materiálu vodiče, snadná konstrukce a dostupnost dvou napěťových úrovní.

Třífázový systém se skládá ze tří sinusových napětí se stejnou frekvencí a úrovní napětí, ale posunutých o 120°.

Je-li třífázový systém připojen ke třem cívkám umístěným vůči sobě o 120°, tyto cívky způsobí rotaci magnetického pole.

Třífázový asynchronní generátor se skládá hlavně z rotoru a statoru.

Stator se skládá ze tří cívek namontovaných pod úhlem odsazení 120°. Každá cívka nebo vinutí má tedy dva magnetické póly. Tomu se říká bipolární stroj.

Moderní asynchronní generátory mají obvykle čtyři póly. To znamená, že stator se skládá ze šesti vinutí instalovaných pod úhlem odsazení 60°.

Dnes se rotor s klecovým rotorem používá jako rotor moderních standardních asynchronních generátorů. Je vyrobena z elektricky vodivých kovových desek, které jsou na koncích navzájem spojeny, tzn. jsou zkratované. Rotor má tedy tvar klece.

Počet pólů určuje synchronní rychlost n₁ elektrické stroje jako funkce síťové frekvence f:

Kde f= 50Hz a výše uvedený generátor, póly = 4, je:

Když je aplikován třífázový proud, každá cívka způsobí rotaci dvou magnetických polí s frekvencí třífázového systému. Magnetické pole statoru způsobuje napětí v rotoru a v důsledku toho vzniká proud. Lorentzova síla působí na rotorové desky a způsobuje točivý moment ve stejném směru jako rotující pole. Asynchronní stroj funguje jako motor.

Indukční stroj je tak pojmenován, protože nikdy neběží synchronní rychlostí. Rozdíl mezi synchronní rychlostí n₁a dané rychlosti nstroj zvaný směna sa měří se v %:

Provozní charakteristika asynchronního stroje je řízena momentem M, závislý na rychlosti n. Tento vztah se odráží v křivce otáček versus točivý moment.

Z této křivky je vidět, že indukční stroj může pracovat jak při subsynchronních, tak i supersynchronních otáčkách.

Poměr: (příklad pro kvadripolární stroj)

• Subsynchronní chod: řazení s > 0 – chod motoru, n_N= 1,480 ot./min

Princip činnosti asynchronního generátoru s dvojitým napájením

Indukční generátor s dvojitým podáváním má stejný stator jako standardní indukční generátor, ale místo běžného rotoru používá vinutý rotor. Vinutí vinutí rotoru je připojeno k rozvodné skříni pomocí sběrných kroužků rotorového proudu a uhlíkových kartáčů. Tímto způsobem lze vinutí rotoru získat zvenčí.

Je možné použít samostatné napájení pro vinutí rotoru a statoru (duální napájení). Rotor není připojen přímo k síti, je napájen přes invertor. Při použití měniče lze řídit výkon rotoru.

Principy dvounapájeného asynchronního generátoru i systému s proměnnými otáčkami uplatňují větrné turbíny. To umožnilo využít charakteristické principy dvouposuvného asynchronního stroje s odděleným napájením statoru a rotoru ze dvou na sobě nezávislých třífázových soustav.

Uplatněním základního principu asynchronních generátorů s přímým připojením části vyrobeného výkonu na vedení se nevyužívá skluzový výkon. Tato nevyužitá energie, generovaná v rotoru, ale nepřenášená, je k dispozici pro síťovou aplikaci prostřednictvím indukčního generátoru s duálním napájením. Rotor lze také napájet ze sítě přes měnič. Tímto způsobem bude měnič řídit proud rotoru a bude schopen regulovat činný a jalový výkon a v případě potřeby také účiník (cosϕ).

Řízení účiníku je dosaženo superponováním frekvence rotoru a provozní frekvence střídače. Výsledná frekvence přiváděná do sítě ponechává konstantní konstantu s ohledem na otáčky rotoru. To znamená, že otáčky rotoru se mohou měnit v rozsahu ±30 %. Lze tedy použít rychlost, která je nejvíce závislá na výkonu větrné turbíny při změně rychlosti větru.

Střídač je umístěn mezi rotorem a bodem připojení k síti. Stator je přímo připojen k síti. Z tohoto důvodu se přes střídač přenáší pouze část výkonu (cca 35 %) a střídač nemusí být dimenzován na celý výkon generátoru. Tím je dosaženo snížení nákladů ve srovnání se systémy přímých invertorů a synchronních generátorů.

Duální indukční generátor kombinuje výhody synchronních a asynchronních strojů.

• Pracujte různými rychlostmi,
• Oddělené řízení činného a jalového výkonu.

Pomocí principu dual-feed lze generátor plynule řídit při subsynchronních i supersynchronních otáčkách.

• Subsynchronní chod: posun s > 0 – chod motoru a generátoru (spotřeba jalového výkonu)

Výhodyиnedostatkydvouhsystémů

Při porovnání toku výkonu obou systémů je zřejmá výhoda indukčního generátoru s duálním napájením oproti převedenému výkonu.

Třífázový asynchronní generátor je díky své konstrukci spolehlivý a vyžaduje minimální údržbu. To je velká výhoda této technologie. Navíc jde o standardně vyráběný, cenově dostupný a levný motor či generátor.

Asynchronní generátor s dvojitým napájením má ve srovnání se standardním asynchronním strojem velké množství technických výhod. Při plánování systému je však třeba vzít v úvahu vysoké náklady na generátor a střídač.

Kompromisem z ekonomického a technického hlediska je použití asynchronního generátoru s dvojitým napájením ve vysokovýkonných větrných turbínách. Asynchronní generátory s dvojitým napájením již byly použity v různých větrných elektrárnách. A tyto pracovní zkušenosti lze využít v dalších projektech.