Электрическая машина с двойным питанием
Электродвигатель

Электрические машины с двойным питанием , также называемые генераторами с контактными кольцами , представляют собой электродвигатели или электрогенераторы , в которых обмотки возбуждения и обмотки якоря по отдельности подключены к оборудованию вне машины.

Подавая переменный ток регулируемой частоты на обмотки возбуждения , можно заставить магнитное поле вращаться, что позволяет изменять скорость двигателя или генератора. Это полезно, например, для генераторов, используемых в ветряных турбинах . [1] Кроме того, ветряные турбины на основе DFIG предлагают возможность управления активной и реактивной мощностью . [2] [3]

Введение

Генератор двойного питания для ветряной турбины.

Электрогенераторы с двойным питанием похожи на электрогенераторы переменного тока , но имеют дополнительные функции, которые позволяют им работать на скоростях немного выше или ниже их естественной синхронной скорости. Это полезно для больших ветровых турбин с переменной скоростью , поскольку скорость ветра может внезапно измениться. Когда порыв ветра ударяет в ветровую турбину, лопасти пытаются ускориться, но синхронный генератор привязан к скорости электросети и не может ускориться. Поэтому большие силы развиваются в ступице, коробке передач и генераторе, когда электросеть отталкивает их. Это приводит к износу и повреждению механизма. Если турбине позволить ускориться немедленно при ударе порыва ветра, напряжения будут ниже, а мощность от порыва ветра все еще преобразуется в полезное электричество.

Один из подходов к изменению скорости ветряной турбины заключается в том, чтобы принять любую частоту, которую вырабатывает генератор, преобразовать ее в постоянный ток, а затем преобразовать ее в переменный ток с желаемой выходной частотой с помощью инвертора . Это распространено для небольших домашних и фермерских ветряных турбин. Но инверторы, необходимые для ветряных турбин мегаваттного масштаба, большие и дорогие.

Генераторы с двойным питанием являются еще одним решением этой проблемы. Вместо обычной обмотки возбуждения , питаемой постоянным током, и обмотки якоря , из которой выходит вырабатываемое электричество, есть две трехфазные обмотки, одна неподвижная и одна вращающаяся, обе по отдельности подключены к оборудованию вне генератора. Таким образом, термин «двойное питание» используется для этого типа машин.

Одна обмотка напрямую подключена к выходу и вырабатывает 3-фазную переменную мощность на желаемой частоте сети. Другая обмотка (традиционно называемая полевой, но здесь обе обмотки могут быть выходами) подключена к 3-фазной переменной мощности на переменной частоте. Эта входная мощность регулируется по частоте и фазе для компенсации изменений скорости турбины. [4]

Регулировка частоты и фазы требует преобразователя переменного тока в постоянный ток в переменный ток. Обычно он изготавливается из очень больших полупроводников IGBT . Преобразователь двунаправленный и может передавать мощность в любом направлении. Мощность может течь как из этой обмотки, так и из выходной обмотки. [5]

История

Имея истоки в асинхронных двигателях с фазным ротором с многофазными обмотками на роторе и статоре, соответственно, которые были изобретены Николой Теслой в 1888 году, [6] обмотка 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 для повышения эффективности работы с переменной скоростью путем восстановления мощности скольжения. В приводах Крамера (или Крамера) ротор подключался к набору машин переменного и постоянного тока, которые питали машину постоянного тока, подключенную к валу машины с контактными кольцами. [7] Таким образом, мощность скольжения возвращалась в виде механической мощности, и привод мог управляться токами возбуждения машин постоянного тока. Недостатком привода Крамера является то, что машины должны быть избыточными по размеру, чтобы справиться с дополнительной циркулирующей мощностью. Этот недостаток был исправлен в приводе Шербиуса , где мощность скольжения возвращается в сеть переменного тока с помощью мотор-генераторных установок. [8] [9]

Вращающиеся машины, используемые для питания ротора, были тяжелыми и дорогими. Усовершенствованием в этом отношении стал статический привод Шербиуса, в котором ротор был подключен к выпрямительно-инверторному комплекту, построенному сначала на основе ртутных дуговых приборов, а затем на полупроводниковых диодах и тиристорах. В схемах с выпрямителем поток мощности был возможен только из ротора из-за неуправляемого выпрямителя. Более того, была возможна только субсинхронная работа в качестве двигателя.

Другая концепция, использующая статический преобразователь частоты, имела циклоконвертор, подключенный между ротором и сетью переменного тока. Циклоконвертор может подавать мощность в обоих направлениях, и, таким образом, машина может работать как на суб-, так и на сверхсинхронных скоростях. Большие циклоконверторно-управляемые машины с двойным питанием использовались для запуска однофазных генераторов, питающих 16+2 ⁄ 3  Гц железнодорожная сеть в Европе. [10] Машины с приводом от циклоконвертора также могут приводить в действие турбины в гидроаккумулирующих электростанциях. [11]

Сегодня преобразователь частоты, используемый в устройствах мощностью до нескольких десятков мегаватт, состоит из двух соединенных спин-к-спине инверторов IGBT .

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

Асинхронный генератор с двойным питанием

Генератор индукции с двойным питанием (DFIG), принцип генерации, широко используемый в ветряных турбинах . Он основан на индукционном генераторе с многофазным ротором и многофазным узлом контактных колец со щетками для доступа к обмоткам ротора. Можно избежать многофазного узла контактных колец, но есть проблемы с эффективностью, стоимостью и размером. Лучшей альтернативой является бесщеточная электрическая машина с двойным питанием и ротором. [12]

Принцип работы индукционного генератора двойного питания, подключенного к ветровой турбине

Принцип DFIG заключается в том, что обмотки статора подключены к сети, а обмотки ротора подключены к преобразователю через контактные кольца и встречно-встречный преобразователь источника напряжения , который управляет как ротором, так и токами сети. Таким образом, 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. Используемый принцип управления - это либо двухосное векторное управление током , либо прямое управление крутящим моментом (DTC). [13] DTC оказалось более стабильным, чем векторное управление током, особенно когда от генератора требуются высокие реактивные токи. [14]

Двойное питание роторов генератора обычно наматывается с 2-3-кратным числом витков статора. Это означает, что напряжения ротора будут выше, а токи соответственно ниже. Таким образом, в типичном диапазоне рабочих скоростей ±30% вокруг синхронной скорости номинальный ток преобразователя соответственно ниже, что приводит к более низкой стоимости преобразователя. Недостатком является то, что контролируемая работа за пределами рабочего диапазона скоростей невозможна из-за более высокого, чем номинальное, напряжения ротора. Кроме того, переходные процессы напряжения из-за возмущений сети (особенно трех- и двухфазные провалы напряжения) также будут увеличены. Чтобы предотвратить разрушение биполярных транзисторов с изолированным затвором и диодов преобразователя высокими напряжениями ротора (и большими токами, возникающими из-за этих напряжений), используется защитная схема (называемая ломовой схемой ). [15]

Короткозамкнутый лом закоротит обмотки ротора через небольшое сопротивление, когда будут обнаружены чрезмерные токи или напряжения. Для того, чтобы иметь возможность продолжить работу как можно быстрее, необходимо использовать активный лом [16]  . Активный лом может устранить короткое замыкание ротора контролируемым образом, и, таким образом, преобразователь на стороне ротора может быть запущен только через 20–60 мс с начала возмущения сети, когда оставшееся напряжение остается выше 15% от номинального напряжения. Таким образом, можно генерировать реактивный ток в сети во время оставшейся части провала напряжения и таким образом помочь сети восстановиться после сбоя. Для прохождения нулевого напряжения обычно ждут, пока провал не закончится, потому что в противном случае невозможно узнать фазовый угол, где должен быть введен реактивный ток. [17]

Подводя итог, можно сказать, что асинхронная машина с двойным питанием — это электрическая машина с фазным ротором и двойным питанием, которая имеет ряд преимуществ по сравнению с обычной асинхронной машиной в ветроэнергетических приложениях. 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 ( проход низкого напряжения ; LVRT). [15] Во-вторых, управление напряжениями и токами ротора позволяет асинхронной машине оставаться синхронизированной с сетью, в то время как скорость ветряной турбины меняется. Ветряная турбина с переменной скоростью использует доступный ветровой ресурс более эффективно, чем ветряная турбина с фиксированной скоростью, особенно в условиях слабого ветра. В-третьих, стоимость преобразователя низкая по сравнению с другими решениями с переменной скоростью, поскольку только часть механической мощности, обычно 25–30%, подается в сеть через преобразователь, а остальная часть подается в сеть напрямую со статора. Эффективность DFIG очень хороша по той же причине.

Ссылки

  1. ^ "Генераторы для ветряных турбин. Стандартная серия генераторов с контактными кольцами для концепции двойного питания от 1,5 до 3,5 МВт" (PDF) . ABB . 2014 . Получено 24 апреля 2018 г. .
  2. ^ MJ Harandi, SG Liasi и MT Bina, «Компенсация переходного потока статора во время симметричных и асимметричных неисправностей с использованием виртуального потока на основе размагничивающего тока в ветровых турбинах DFIG», Международная конференция по энергосистемам (PSC) 2019 г., Тегеран, Иран, 2019 г., стр. 181–187, doi : 10.1109/PSC49016.2019.9081565.
  3. ^ М. Нираула и Л. Махарджан, «Регулирование частоты статора автономного DFIG с диодным выпрямителем на выходе», 5-й Международный симпозиум по экологически чистым источникам энергии и их применению (EFEA), 2018.
  4. ^ S. MÜLLER; S.; et al. (2002). "Системы генераторов с двойной подачей индукции для ветровых турбин" (PDF) . Журнал IEEE Industry Applications . 8 (3). IEEE: 26–33. doi :10.1109/2943.999610.
  5. ^ L. Wei, RJ Kerkman, RA Lukaszewski, H. Lu и Z. Yuan, «Анализ возможностей циклического изменения мощности IGBT, используемых в ветроэнергетической системе с двойным питанием», Конгресс и выставка IEEE по преобразованию энергии 2010 г., Атланта, Джорджия, 2010 г., стр. 3076–3083, doi : 10.1109/ECCE.2010.5618396.
  6. ^ "Силовая электроника - История техники и технологий вики". ethw.org .
  7. ^ Леонхард, В.: Управление электроприводами. 2-е изд. Springer 1996, 420 страниц. ISBN 3-540-59380-2 . 
  8. ^ Shively, EK; Whitlow, Geo. S. (1932). «Автоматическое управление преобразователями частоты с переменным отношением». Труды Американского института инженеров-электриков . 51 : 121–127. doi :10.1109/T-AIEE.1932.5056029. S2CID  51636516.
  9. ^ Liwschitz, MM; Kilgore, LA (1942). «Исследование модифицированного привода Крамера или асинхронно-синхронного каскадного привода с переменной скоростью». Труды Американского института инженеров-электриков . 61 (5): 255–260. doi :10.1109/T-AIEE.1942.5058524. S2CID  51642497.
  10. ^ Пфайффер, А.; Шайдл, В.; Эйцманн, М.; Ларсен, Э. (1997). «Современные вращающиеся преобразователи для железнодорожных приложений». Труды Совместной железнодорожной конференции IEEE/ASME 1997 г. С. 29–33. doi :10.1109/RRCON.1997.581349. ISBN 0-7803-3854-5. S2CID  110505314.
  11. ^ A. Bocquel, J. Janning: 4*300 МВт частотно-регулируемый привод для применения в насосно-аккумулирующих установках. 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 г.
  13. ^ Патент США 6,448,735
  14. ^ Нийранен, Йоуко (2008). «Об измерениях активной и реактивной мощности при испытании на прохождение несимметричного провала напряжения». Wind Energy . 11 (1): 121–131. Bibcode : 2008WiEn...11..121N. doi : 10.1002/we.254.
  15. ^ ab MJ Harandi, S. Ghaseminejad Liasi, E. Nikravesh и MT Bina, «Улучшенная стратегия управления для низковольтного DFIG-пропускания с использованием метода оптимального размагничивания», 10-я Международная конференция по силовой электронике, системам приводов и технологиям (PEDSTC) 2019 г., Шираз, Иран, 2019 г., стр. 464–469, doi : 10.1109/PEDSTC.2019.8697267.
  16. ^ активный лом : например , патент США 7,164,562
  17. ^ Семан, Славомир; Нииранен, Йоуко; Виртанен, Рейо; Матсинен, Яри-Пекка (2008). «Анализ прохождения низкого напряжения ветровой турбины DFIG мощностью 2 МВт — проверка соответствия сетевому кодексу». 2008 IEEE Power and Energy Society General Meeting — Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century . pp. 1–6. doi :10.1109/PES.2008.4596687. ISBN 978-1-4244-1905-0. S2CID  41973249.
  • Дюфур, Кристиан; Беланже, Жан (2004). "Моделирование в реальном времени индукционного генератора с двойной подачей для ветровых турбин" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2011-01-05 . Получено 2011-02-17 . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  • Робертс, Пол К. (2004). «Исследование бесщеточных машин с двойной подачей (индукционных); вклад в анализ, проектирование и управление машинами» (PDF) . Колледж Эммануэля, Кембриджский университет. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-03-19. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Doubly_fed_electric_machine&oldid=1220926276"