Особеност на работата на синхронен генератор натоварен с изправител във ветроагрегатна система

Мая Мирославова Минкова*, Ренгинар Рамадан Рашид**

*Технически университет – Варна, 9010 Варна, България, ул.„Студентска” №1

За разширяване диапазона на използване на енергията на вятъра във ветро-енергийните уредби се използва схемата „променливо-постоянно-променливо напрежение”. В тази конфигурация електрическата машина е синхронен генератор, променливото напрежение на който се изправя и след това с инвертор се преобразува в трифазно напрежение с честотата на мрежата (фиг.1)

Фиг.1

Фиг.2

Обикновено товарът (на страната за постоянен ток) е със значителна индуктивност, от което токът може да се приеме за изгладен. Преминаването (прехвърлянето) на тока от една фаза на котвената намотка към друга не става мигновено поради индуктивността на тези фази. Затова в определен интервал от време, съответстващ на ъгъла на комутация , токът преминава едновременно през два (три) вентила и две фази, в една той нараства от нула до , а в другата намалява до нула. В резултат на това първият хармоник на тока на фазата изостава от напрежението на генератора на ъгъла приблизително равен на . При включване към изхода на генератора на управляем изправител първият хармоник на тока на фазата изостава от е.д.н. на ъгъл . Ъгълът на комутация може да се определи с формулата:

където: - индуктивно съпротивление на една фаза в режим на комутация (късо съединение); - амплитудна стойност на фазното е.д.н. за съпротивлението .

Фиг.3 Фиг.4

При комутация едновременно са отпушени еднополярни вентили на две фази – фиг.3 (за схемата от фиг.2а), от което тези две фази се оказват дадени на късо и токът от една фаза преминава към другата под действието на разликата на фазните е.д.н. Тъй като времето за комутация е малко (части от полупериода), електромагнитните процеси в генератора протичат така, както при двуфазно късо съединение. Затова за съпротивление трябва да се приеме индуктивното съпротивление за този режим:

, (2)

където: и - свръхпреходни индуктивни съпротивления на котвената намотка.

Физически това означава, че несинусоидалният ток в намотките на котвата създават висши хармонични на МДН и съответно потоци, които индуктират в демпферната и възбудителната намотки ЕДН и токове на висши хармонични. В резултат на това формата и стойността на резултатния магнитен поток на машината остават постоянни.

Преходен процес. Токът на късо съединение в котвата в преходния процес има периодична и апериодична компоненти:

(3)

При късо съединение в генератора амплитудата на периодичната съставна постепенно намалява (фиг.4) и става равна на амплитудата на установения ток на късо съединение.

В първият полупериод амплитудата на периодичния ток е от пъти по-голяма от . Началната стойност на тази амплитуда е:

където: - надлъжно преходно индуктивно съпротивление на котвената намотка;неговата стойност в относителни единици .

Тъй като амплитудата на периодичната компонента на тока на късо съединение намалява постепенно, като се доближава до установената стойност и индуктивното съпротивление на синхронната машина е много по-голямо от активното, т.е. ъгълът , то периодичната съставна е:

(6)

Преходната времеконстанта , която определя спадането на тока зависи не само от параметрите на котвената намотка, но и от параметрите на възбудителната намотка.

Ако машината има демпферна (успокояваща) намотка, в нея също възниква преходен ток, който забавя намаляването на резултантния поток. При това амплитудата на тока на късо съединение ще бъде по-голям отколкото без демпферната намотка:

(7)

където: - свръхпреходно индуктивно съпротивление по надлъжната ос (в относителни единици ).

Спадането на тока на котвата се определя от свръхпреходната времеконстанта , която зависи главно от параметрите на демпферната намотка. С отчитане на записаните съотношения, периодичната компонента на тока на късо съединение е:

(8)

Тъй като ЕДН във фазните намотки на статора са дефазирани във времето, то началния ъгъл за тях е различен, а следователно, различни са и токовете във фазите в преходния процес.

Апериодичните съставни на токовете във фазите на котвата създават неподвижно в пространството магнитно поле, което пресича въртящия ротор. От това, в намотките на ротора се получават периодични ЕДН и токове. Тъй като по надлъжната и напречна оси роторът е несиметричен (поради различната въздушна междина в явнополюсните машини и от това, че по надлъжната ос е възбудителната намотка), то в апериодичната компонента на тока в котвата се появява променлива съставна с двойна честота.

(9)

където: - напречно свръхпреходно индуктивно съпротивление на котвената намотка; - времеконстанта на апериодичния ток на котвата.

В машините с успокоителна намотка малко се различава от и от това:

(9а)

Пълният ток на късо съединение:

Стойността на тока на късо съединение ще бъде максимален в тази фаза, където (приблизително след полупериод след началото на късото съединение). Тази стойност е прието да се казва ударен ток. Ако в (10) се пренебрегне затихването (спадане) на тока, то:

Тъй като времеконстантите и са малки, все пак известно спадане се получава. По норматив, съгласно стандарта, ударният ток е:

където: коефициентите 1,05 и 1,8 отчитат съответно затихването на тока и допустимото увеличаване на напрежението.

Стойността на ударния ток не трябва да е по-голяма от 15 пъти амплитудата на номиналния ток. Тъй като и са значително малки по стойност, за ограничаване на стойността на ударния ток във веригата на котвата трябва да се включва специална индуктивност.

При късо съединения в синхронния генератор се появява знакопроменлив момент на вала на ротора, който се образува в резултат на взаимодействие на постоянното магнитно поле създавано от апериодичната съставка на тока на котвата с М.Д.Н на възбуждането. В най- неблагоприятните случаи моментните стойности на този момент достигат до 10-кратни стойности спрямо номиналния, което също трябва да се отчита при изчисленията на детайлите и механизмите на ветро-агрегата.

където: - номинално индуктивно съпротивление ().

Фиг.5

Както се вижда от векторните диаграми при работа на генератора с товар изправител ролята на ъгъла се изпълнява от ъгъла 0,5. Векторът на първия хармоник на напрежението на диаграмите не е показан, тъй като за генератора, натоварен с изправител, по съществена е средната стойност на изправеното напрежение .

В периода на комутация, например между вентилите на фаза А и В (фиг.3) моментната стойност на изправеното напрежение е и е по-малко отколкото в извън комутационния период. Следователно, реалното съпротивление е причина за намаляване на средната стойност на изправеното напрежение в сравнение с неговата средна стойност без комутация, като се увеличават и пулсациите в кривата на изправеното напрежение (плътната линия на фиг.3).

С отчитане на комутацията на тока при средната стойност на изправеното напрежение е :

където: - средна стойност на падението на напрежение от комутацията на тока; - брой на последователно включени комутационни групи вентили (1-при нулева и 2-при мостова схема).

В общия случай:

(15)

При нулевата схема , а при мостовата .

При трифазната нулева схема (фиг.2а ) мощността на една фаза на генератора е:

При правоъгълна форма на тока неговата ефективна стойност за всяка фаза е , от където мощността на една фаза е:

Тъй като мощността на една фаза на генератора при работа без изправител , тогава коефициента на използване на генератора може да се запише:

Така, при и , мощността на генератора при работа с изправител с нулева точка се намалява приблизително с в сравнение с мощността на генератора когато работи с чисто активен товар. Пояснение за това е, че в тази схема ток през една фаза протича само в течение на част от периода.

По-добро използване на генератора се осигурява при мостовата схема(фиг.2б), при която ток протича в течение на от периода. В този случай мощността на една фаза на генератора е:

(18)

а ефективната стойност на тока на фаза . Следователно:

и коефициентът на използване:

При увеличаване на ъгъла на регулиране използването се влошава, тъй като намалява средната стойност на изправеното напрежение. Едновременно с това първия хармоник на тока на котвата все повече изостава по фаза от напрежението на генератора , от което се увеличава размагнитващото влияние на реакцията на котвата. На векторната диаграма на синхронния генератор работещ с товар управляем изправител, векторът на тока изостава на ъгъл от вектора на Е.Д.Н - и компонентата изпълнява ролята на при работа на генератора с активно-индуктивен товар (без изправител).