STABILIZATOR DE TENSIUNE A GENERATORULUI ASINCRON CU TURATII JOASE

STABILIZATOR DE TENSIUNE A GENERATORULUI ASINCRON CU TURATII JOASE

Rezumat. S-a propus un procedeu nou de stabilizare a tensiunii generatorului asincron cu excitatie capacitiva. Se regleaza valoarea fluxului fundamental al masinii cu trei faze prin conectarea consecutiva a iesirilor fazelor infasurarii de excitatie la nulul infasurarii. Ca urmare se obtine o reglare rapida si mult mai fina a tensiunii de iesire indiferent de cauza abaterii de la valoarea prescrisa. Testarea experimentala a confirmat eficienta solutiei propuse si posibilitatea utilizarii generatorului asincron cu rotorul in scurtcircuit in componenta instalatiilor eoliene.

Voltage stabilizer of the asynchronous low-frequency generator

V.Berzan, M. Tirsu, S.Postoronca

Abstract. The new method of output voltage stabilization of the asynchronous generator with capacitor excitation is offered. Value of the basic magnetic stream of the three-phase generator is adjusted by consecutive connection of excitation winding outputs to a zero point. In result it is received more high-speed and exact system of stabilization of voltage in independence of the reason of a preset value deviation. Experimental check has confirmed efficiency of the offered way of asynchronous generator voltage stabilization and an opportunity of its use in independent wind power installations.

1. Introducere

Utilizarea energie vantului este o directie prioritara a domeniului valorificarii potentialului energetic al surselor regenerabile. Conversia energiei cinetice a fluxurilor de vant in energie electrica se face de convertoare electromecanice - generatoare electrice. Caracterul aleator al vitezei vantului creaza probleme privind functionarea instalatiilor eoliene si asigurarea calitatii energiei, inclusiv si stabilitatea puterii electrice in timp[1-3].

Cea mai extinsa utilizare in tehnologiile de conversie a energiei vantului o au pana in prezent generatoarele sincrone. Neajunsul lor principal consta in existenta inelelor si a sistemului de perii necesare pentru alimentarea infasurarii rotorului cu curent continuu. Acest neajuns in prezent se poate exclude prin utilizarea magnetilor permanenti in calitate de sistem de excitare. Generatoarele cu magneti permanenti de asemenea au tensiunea de iesire si frecventa variabila.

O alternativa a acestei probleme poate fi utilizarea generatoarelor asincrone cu excitatie capacitiva. Varierea tensiunii de iesire a generatoarelor la schimbarea vitezei vantului si a sarcinii, este un neajuns al acestor generatoare [4-10].

Folosirea solutiilor constructive de realizare a generatoarelor asincrone cu multe infasurari pe stato confectionate din conductoare cu diferite diametre conduce la inrautatirea indicilor tehnico-economici ale acestor masini [11].

Analiza comparativa a diferitor scheme de obtinere a energiei din fluxurile de vant a condus la urmatoarele concluzii [12]:

• Generatoarele asincrone cu puterea nominala pana la 2 MW au avantaje in comparatie cu generatoarele asincrone cu magneti permanenti utilizate in instalatiile eoliene.
• Sistemele de conversie cu viteze constante (excitare capacitiva a generatorului asincron) de functionare sunt simple, se caracterizeaza prin costuri reduse, dar au limitari privind conversia energiei mecanice pa care o poate produce turbina la varierea vitezei vantului.
• Generatoarele asincrone cu rotorul bobinat la vitezele variabile ale vantului, deci si la turatii variabile ale aeromotorului permit o majorare a coeficientului de conversie a energiei din fluxurile de vant ca urmare a racordarii caracteristicilor mecanice ale aeromotorului si a generatorului cu rotorul bobinat, ceea ce nu este posibil la generatorul asincron cu rotorul in scurtcircuit.

Totodata generatoarele asincrone cu rotorul in scurtcircuit sunt mai fiabile ca cele cu rotorul bobinat si in caz de aplicare a unor procedee de stabilizare a tensiunii si frecventei la viteze variabile ale vantului aceste masini vor avea mai multe prioritati, inclusiv privind cheltuielile de exploatare.

Scopul acestei lucrari consta in largirea domeniului de functionare stabila a generatoarelor asincrone cu rotorul in scurtcircuit la utilizarea lor in componenta instalatiilor eoliene prin dotarea cu un sistem original de reglare a fluxului magnetic fundamental al masinii.

2. Stabilizarea tensiunii generatorului asincron

2.1 Solutie de realizare a sistemului de stabilizare

Generatorul asincron cu excitatie capacitiva se utilizeaza in prezent in componenta diferitor surse de generare a energiei electrice de capacitate mica: hidrocentrale, instalatii eoliene, surse cu motoare cu ardere interna. Regimul de functionare a generatorului depinde de asemenea si de caracterul de variere a sarcinii. Din aceste considerente sistemul de generare necesita obligatoriu un regulator pentru stabilizarea numarului de rotatii a rotorului in caz de perturbatii exterioare. De exemplu este cunoscut dispozitivul de dirijare cu regimul de functionare al generatorului asincron cu excitatie capacitiva utilizat in microhidrocentrale si instalatii eoliene [13]. Neajunsul acestei solutiei tehnice consta in complexitatea tehnica ridicata privind realizarea constructiva a dispozitivului, domeniul redus de reglare si instabilitatea frecventei tensiunii si curentului generatorului la varierea vitezei vantului. O alta solutie de excitatie si stabilizare a tensiunii generatorului asincron cu rotorul in scurtcircuit este propusa pentru instalatii eoliene autonome de alimentare cu energie electrica a consumatorilor in lucrarea [14].

In fig.1 este prezentata schema echivalenta a sistemului de reglare si stabilizare a tensiunii generatorului asincron cu doua infasurari pe stator si excitatie capacitiva [15].

Esenta solutiei tehnice propuse consta in stabilizarea tensiunii de iesire a generatorului prin reglarea in timp si spatiu a fluxului magnetic fundamental al masinii prin conectarea consecutiva si concomitenta de scurta durata a bornelor de iesire a infasurarii de excitare si a condensatoarelor la nulul infasurarii de catre un sistem de chei electronice comandate fiecare separat in functie de valoarea curenta a amplitudinii tensiunii fazei respective. Conexiunea la nulul infasurarii se poate executa printr-o rezistenta activa, cea ce conduce la o schimbare mai lenta a fluxului la reglarea prin impuls si la imbunatatirea indicilor de calitate a tensiunii de iesire a generatorului.

Scopul solutiei propuse se atinge prin modificarea schemei de conexiune a celor doua baterii de condensatoare, dintre care una este permanent in conexiune cu bornele de iesire a generatorului, iar bateria a doua de condensatoare se conecteaza la bornele generatorului dupa excitarea lui si atingerea unei valori prescrise a tensiunii de iesire a generatorului cu ajutorul unui comutator cu contactele normal deschise. La atingerea valorii prescrise a tensiunii are loc schimbarea prin salt a capacitatii bateriei de condensatoare si trecerea la frecventa de lucru. Prin aceasta se asigura largirea domeniului de functionare stabila a generatorului.

Fig.1. Schema echivalenta de stabilizare a tensiunii generatorului asincron

prin reglarea prin impuls a fluxului fundamental a masinii

La devierea tensiunii generatorului in urma varierii vitezei fluxului de vant sau a sarcinii sistemul de reglare automata urmareste devierea amplitudinii tensiunii de la valoarea nominala pe prima jumatate a semiundei pozitive sau negative si dupa valoarea erorii formeaza comanda de deschidere a cheii electronice pentru a comuta punctul comun de conexiune a bornei de iesire a infasurarii de excitatie si a bateriei de condensatoare la nulul infasurarii statorului. Pentru generatorul cu trei faze obtinem posibilitatea de a regla valoarea fluxului magnetic fundamental al masinii cel putin de sase ori pe parcursul perioadei tensiunii generate. Unghiul de deschidere φ=nπ-α este o functie a depasirii de la valoarea prescrisa a amplitudinii tensiunii pe alternanta, de exemplu valoarea tensiunii nominale, unde:

φ- unghiul de deschidere a cheii electronice apropiat de valoarea π sau 2π;

n=1 pentru alternanta pozitiva si n=2 pentru alternanta negativa a tensiunii in punctul comun de conexiune a bornelor infasurarii de excitatie a generatorului cu bateria de condensatoare;

α- unghiul decalajului de faza sau de conductivitate a cheilor electronice este o functie a valorii devierii amplitudinii tensiunii generatorului de la valoarea prescrisa. Unghiul α nu poate depasi valoarea de π/2.

Ca urmare obtinem o flexibilitate ridicata de reglare a fluxului fundamental al masinii si timpul acestei actiuni nu depaseste timpul de T/2, unde T- perioada tensiunii generatorului. Formarea unghiului de conductivitate a cheilor electronice se poate face in baza devierii amplitudinii tensiunii infasurarii de excitatie, a tensiunii de iesire a generatorului, derivatei tensiunii la trecerea prin nul, iar sistemul de comanda poate asigura comutarea oricarei chei pentru care este aproape regimul de trecere prin nul in timpul micsorarii amplitudinii tensiunii in circuitul dat. Aceasta de asemenea majoreaza flexibilitatea sistemului de stabilizare a fluxului fundamental al masinii si a tensiunii de iesire a generatorului. Comutarea rapida a fazelor infasurarii de excitatie a generatorului cel putin de sase ori pe perioada in functie de amplitudinea curenta a tensiunii asigura excluderea modulatiei tensiunii generatorului la varierea vitezei unghiulare a aeromotorului instalatiei eoliene.

In fig. 1 sunt utilizate urmatoarele notari ale componentelor constructive: infasurarea statorului generatorului asincron cu excitatie capacitiva include doua infasurari 1 si 2 conectate in schema de autotransformator. Elementul 1 este infasurarea de lucru a generatorului, iar elementul 2 infasurarea de excitatie. La bornele infasurarii de excitatie 2 in conexiune permanenta se cupleaza bateria de condensatoare 3 si prin contactele normal deschise 4 ale releului 10 este cuplata bateria de condensatoare 5. Cheile electronice 6 conectate intre bornele de iesire a infasurarii de excitatie 2 si cu intrarile blocului 7 format din impedantele Z_A, Z_B, Z_C , iesirile carora sunt conectate cu nulul infasurarii generatorului. Traductorul de tensiune 8 asigura actionarea cheilor CEA, CEB, CEC a comutatorului 6 la depasirea tensiunii generatorului peste valoarea prescrisa. Traducatorul de tensiune 9 asigura trecerea de la regimul de excitatie la frecventa ridicata la regimul de functionare in regim excitat cu frecventa de lucru prin comandarea cu releul 10 si comutarea bateriei de condensatoare 5 in paralel cu bateria de condensatoare 3 prin inchiderea contactelor 4. Sarcina generatorului 11 este conectata la bornele de iesire ale infasurarii de lucru 1 a generatorului care au conexiune galvanica si cu infasurarea de excitatie.

Subansamblurile de elemente 3,4,5, 9 si 10 formeaza blocul de excitare capacitiva a generatorului. Subansamblurile de elemente 6,7, si 8 formeaza stabilizatorul tensiunii de iesire a generatorului.

In fig.2 este prezentata diagrama de lucru a cheilor electronice in functie de comanda formata de traductorul 8 de tensiune.

Fig.2. Diagrama de timp a functionarii regulatorului de tensiune a

generatorului asincron

Fig.2a prezinta succesivitatea in timp a intervalelor de conductivitate a cheilor electronice si a impulsurilor de comanda generate de catre stabilizator pentru fiecare circuit aparte. Repartitia in timp a impulsurilor de comanda si a intervalelor de conductivitate este urmatoarea: α_A→α_B→α_C→α_B→α_A→α_C , daca primul impuls de comanda a fost format pentru alternanta pozitiva a fazei A. In fig.2b sunt prezentate curbele sinusoidale de tensiune a fazelor A,B, C si indicate intervalele de comutare a bornelor de iesire a infasurarii de excitatie 2 si a bateriilor de condensatoare 3 si 5 la nulul infasurarii prin impedantele Z_A, Z_B, si Z_C, unde α- unghiul de conductivitate a cheilor electronice; φ=π-α unghiul de deschidere a cheii electronice a fazei A pentru alternanta pozitiva a tensiunii; _{_}-U_aC , +U_aC amplitudinea alternantei negative si a alternantei pozitive a tensiunii fazei C.

Dispozitivul functioneaza in modul urmator.     In stare ne excitata tensiunea generatorului este aproape de zero. Bateria de condensatoare 5 este deconectata de contactele 4 ale comutatorului 10 de la generator. La cresterea numarului de rotatii a rotorului in scurtcircuit a generatorului, de exemplu actionat de un aeromotor, ca urmare a cresterii vitezei vantului, generatorul va trece in regim de excitatie produs de fluxul remanent magnetic al masinii asincrone. Frecventa de excitatie a generatorului este determinata in acest caz de inductanta fazelor infasurarilor de lucru 1 si de excitatie 2 conectate in schema de autotransformator si capacitatea fazei bateriei de condensatoare 3.

La atingerea valorii prescrise a tensiunii, de exemplu nominale U_nom, traductorul de tensiune 9, care are o caracteristica de reactie tip histerezis, genereaza semnalul de iesire care activeaza releul 10 si contactele 4 ale releului asigura conexiunea bateriei de condensatoare 5 in paralel cu bateria de condensatoare 3. Prin aceasta s-a pus in functiune subansamblul constructiv al dispozitivului care asigura regimul de excitare si de trecere la frecventa de lucru a generatorului. Comutarea bateriei de condensatoare 5 in paralel cu bateria de condensatoare 3 asigura formarea conditiilor pentru functionarea sistemului 6,7,9 de stabilizare a tensiunii generatorului, ca urmare a cresterii alunecarii rotorului in regim de generare fata de rotirea sincrona a campului invartitor al statorului si cresterea tensiunii peste valoarea nominala. La atingerea de catre tensiune a valorii de prag a amplitudinii pe fiecare alternanta U_pr.c>U_nom traductorul de tensiune 8 formeaza semnale de comanda ( fig.2a) pentru deschiderea cheilor electronice 6 (CEA, CEB, si CEC), unde U_pr.a.- valoarea de prag a amplitudinii fazei respective care este semnalul de referinta pentru sistemul de stabilizare; U_nom- tensiunea nominala a generatorului. Traductorul de tensiune 8 are o caracteristica de tip histerezis, ceea ce permite asigurarea unei functionari mai stabile a sistemului de reglare si diminuarea adancimii modulatiei tensiunii de iesire. Bucla de histerezis a traductorului 8 este mai ingusta ca bucla de histerezis a traductorului 9. Cheile formeaza un nou circuit pentru curentul din infasurarea de excitatie, care asigura scurgerea lui directa in nulul infasurarii de lucru 1 prin impedantele 7. Impedantele 7 pot avea si valoarea egala cu zero. Aceasta conectare a bornelor infasurarii 2 conduce la aparitia unui regim de sarcina mica s-au scurtcircuit in infasurarea statorului masinii pe perioada intervalului de conductivitate a cheii electronice deschise (fig.2b) si dezmagnetizarea masinii. Ca urmare are loc micsorarea fluxului magnetic fundamental al generatorului si micsorarea tensiunii. Deoarece intervalul de comutare este relativ mic pentru fiecare faza si acest regim de scurtcircuit pentru faza respectiva are loc la tensiuni joase, in apropierea punctului de trecere prin nul a tensiunii fazei conectate si repetate pe perioada de cel putin sase ori obtinem o reactie lenta de reglare a valorii fluxului magnetic fundamental si diminuarea fenomenului de modulatie a tensiunii de iesire in infasurarea de lucru 1 a generatorului. La trecerea prin nul a tensiunii fazei conectate de una din cheiele electronice 6 aceasta tensiune isi schimba semnul si ca urmare cheia electronica automat se inchide deconectand borna fazei infasurarii de excitatie 2 de la nulul infasurarii 1. Utilizarea acestui principiu de dirijare cu cheile electronice ale stabilizatorului simplifica realizarea lui constructiva.

Acelasi fenomen are loc si la varierea aleatoare atat a valorii sarcinii electrice a generatorului, cat si in cazul devierii concomitente a sarcinii si a vitezei vantului.

2.2.Rezultate ale testarii experimentale a sistemului de stabilizare

Rezultatul tehnic al solutiei propuse consta in largirea domeniului de functionare stabila a generatorului si majorarea indicilor de calitate a energiei electrice produse de instalatia eoliana la viteze variabile ale vantului si la varierea aleatoare a sarcinii alimentate, inclusiv minimizarea modulatiei de amplitudine a tensiunii generatorului.

Eficienta solutiei tehnice si a dispozitivului propus s-a verificat in conditii de laborator pentru mostra generatorului asincron cu puterea electrica nominala de 0,3 si 1,5 kW in regimuri echivalente pentru viteza vantului de 3-8 m/s.

S-a stabilit experimental, ca bateria condensatoarelor de excitatie este util de divizat in raportul , unde C - capacitatea totala a bateriei. Prin aceasta frecventa de excitatie si de lucru se afla in raportul , iar puterea activa nominala generata la viteza minimala a vantului va constitui (7-10)% din puterea nominala instalata. Prin aceasta se asigura functionarea stabila in regim de generare a generatorului asincron la toate vitezele vantului in diapazonul de lucru prescris. Pentru dispozitivele cunoscute de reglare rezerva de putere apta de generare la viteza minimala a vantului este egala cu zero.

Stabilizatorul de tensiune a fost realizat ca mostra de laborator in baza cheilor electronice confectionate din tiristoare pentru efectuarea cercetarilor robustetii principiului de stabilizare in conditii de laborator.

3. Concluzii

1. Dispozitivele de reglare a tensiunii generatoarelor asincrone cu excitatie capacitiva cunoscute in prezent nu solutioneaza in complex problema stabilizarii concomitente a tensiunii si frecventei si largirea diapazonului de stabilizare, precum si a sigurantei de functionare a instalatiilor eoliene la vitezele variabile ale vantului si la varierea concomitenta si aleatoare atat a vitezei vantului, cat si a sarcinii electrice alimentate.

2. Utilizarea conceptiei de reglare a fluxului magnetic fundamental prin impuls al generatorului asincron cu excitatie capacitiva permite imbunatatirea regimului de functionare, inclusiv minimizarea modulatiei amplitudinii tensiunii de iesire la varierea aleatoare a vitezei vantului si a sarcinii.

Lucrarea a fost realizata in cadrul Programului de stat nr.1. "Asigurarea competitivitatii produselor industriale in constructia de masini in baza inovatiilor Know-How, materialelor noi s a tehnologiilor avansate", conducator Ion Bostan, acdemician, la indeplinirea lucrarilor de cercetare -dezvoltare ' Elaborarea si incercarea generatorului asincron trifazat cu turatii joase si cu excitatie capacitiva'

Bibliografia

E.F.Fuchs, A.A.Fardoun, P.W.Carlin and R.W.Erichson. Permanent Magnet Machines for Operation with Large Speed Variations. Proceedings of wind Power '92, AWEA, 1992.

D.Yildiman, E.F.Fuchs, T.Batan. Test results of a 20 kW Variable Speed Direct Drive Wind Power Plant, Int. Conf. Electrical Machines, ICEM '98, 2-4 September, Istambul.

A.G.Kaldas, M.P.Papadopoulos, J.A.Tegopoulos. Multiple Permanent Magnet Generator Design for Gearless Wind Power Applications, Int. Conf. Electrical Machines, ICEM '98, 2-4 September, Istambul.

Vladimir Berzan. Particularitati privind confectionarea generatorului asincron cu turatii joase. Conferinta Tehnico-stiintifica Jubiliara a Colaboratorilor, Doctoranzilor si studentilor, Universitatea Tehnica a Moldovei. 8-9 octombrie 2004. Vol 3. Chisinau: 2004.- pp.291-292.

Lumer Inna, Berzan Vladimir, Barladeanu Alexandru. Conditiile privind eficienta economica a utilizarii instalatiilor energetice eoliene in conditiile climaterice ale R.Moldova. / Conferinta stiintifica republicana " Valorificarea rezultatelor stiintifice - baza dezvoltarii durabile a economiei nationale", 16 iunie 2004, Cisinau.pp.185-186.

Лумер И.И., Берзан В.П., Бырладян А.С.О перспективах практического использования энергии ветра в Республике Молдова/ Сб. трудов третьей Всероссийской научно-технической конференции с международным участием " ЭНЕРГЕТИКА: Управление, качество и эффективность использования энергоресурсов ", 14-16 мая 2003. Благовещенск, 2003. Том II.-сс.374-377.

Alternateur    asynchrone à excitation capacitive./ Auteurs: Berzan Vladimir, Barladeanu Alexandru, Tirsu Mihai, Lumer Inna. Дополнение к каталогу III Московский международный салон инноваций и инвестиций, 4-7 февраля 2003г.,

Berzan V., Chitian A., Rimschi V. Mathematical Modelling Of Transients In An Adjustable Capacitor Bank./ 4th International Conference on Electromecanical and Power Systems SIELMEN 2003. Chisinau 26th-27th September 2003. Volume II. .

Berzan V., Birladeanu A., Tirsu M., Postoronca Sv Investigatii experimentale ale generatorului asincron cu excitatie capacitiva./ 4th International Conference on Electromecanical and Power Systems SIELMEN 2003. Chisinau 26th-27th September 2003. Volume I.

Berzan V., Barladeanu A., Tirsu M.., Lumer Inna. Generator asincron cu excitatie capacitiva. MD 2089 C2, Int⁷ :H 02 K 17/28.2003.01.31, BOPI nr.1/203.

возбуждением для автономных энергоустановок./ Техническая электродинамика, 1995, № 4, с.42-45.

Datta R., Ranganathan V.T. Variable-Speed Wind Power Generation Using Double Wound Rotor Induction Machine: A Comparasion with Alternative Schemes. /IEEE Transactions Conversion, Vol 17 No. 3 , 2002. -pp. 414-421.

Dispozitiv de excitare si stabilizare a tensiunii generatorului asincron actionat de aeromotor./ Cerere de brevet a 2003 0234. Cl.Int. H 02 P9/46; F 03 D7/00 Autori: Berzan V., Barladeanu A., Tirsu M., Lumer Inna, Postoronca Sv., Ermurachi Iu.

Stabilizator de tensiune a generatorului asincron cu turatii joase. Cl.Int. H 02 P9/46; F 03 D11/00. Berzan V., Tirsu M. Hotarare de eliberare a brevetului de inventie nr.5846 din 2008.03.21

Informatii despre autori.

V.Berzan. Dr. hab. in tehnica, director adjunct pe probleme de stiinta a Institutului de Energetica al ASM. Domeniul intereselor stiintifice: diagnoza indistructiva a echipamentului electroenergetic, procese nestationare in circuite electrice neomogene, modelarea matematica, transportul energiei electrice la distante mari, surse regenerabile de energie. Autor a peste 160 lucrari stiintifice, inclusiv monografii 10.

M.Tirsu. Dr. in tehnica, sef de laborator. Domeniul intereselor stiintifice: diagnoza indistructiva a echipamentului electroenergetic, procese nestationare in circuite electrice neomogene, modelarea matematica, surse regenerabile de energie. Autor a 45 lucrari stiintifice, inclusiv monografii 5.

S. Postoronca. Cercetator stiintific la institutul de Energetica al ASM. Domeniul intereselor stiintifice. Diagnoza echipamentului energetic cu metode indistructive de control, sisteme a electronicii de putere pentru conversia energiei electrice, valorificarea surselor regenerabile de energie. Autor a cca. 18 publicatii stiintifice, mentionat cu medalii de bronz a Expozitiei Internationale IFOINVENT (Chisinau)