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 -
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 10- krotnie. 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: ν ω = 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 -
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 -
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 -
a) P 1 b) P 1 P cu1 P Ψ =Tωo P cu1 P Ψg=T gωo P m P m=p Ψ (1-s) P mu P Ψ s P 2 P cu2 P m P m=p Ψg(1+s g) P mu P Ψg s g P 2 Rys 3 Rozpływ mocy w maszynie indukcyjnej pierścieniowej przy pracy a) silnikowej i b) generatorowej z pominięciem strat w żelazie P cu2 Moc pola wirującego maszyny pierścieniowej pracującej generatorowa wyraża się wzorem: P Ψg = T g ω = P o Ψ = ( T ω ) o Natomiast moc poślizgu: P Ψ g s g = T ω s g o g = P Ψ s = T ω s o 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 -
Wyniki pomiarów pracy generatorowej kaskady zaworowej T=const 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 Moc P/Pn 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 2n s ). 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 2n s i prądu I d = 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 -
0,6 0,5 Współczynnik mocy cos fi 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 1,90 2,00 Prędkość obrotowa n/nn Id = 5A Id = 10A Id = 15A Id = 20A Id = 25A Id = 30A Id = 35A 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 -
1,00 0,90 0,80 0,70 Sprawność [0-1] 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 -
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 -
Wyniki pomiarów pracy generatorowej maszyny dwustronnie zasilanej 1,60 1,40 1,20 Moc sumaryczna P/Pn 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 = 40%, Iwn T = 20%, Iwn T = 80%, Iw min T = 60%, Iw min T = 40%, Iw min T = 20%, 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 -
1,00 0,90 0,80 0,70 Sprawność Pe/Pm 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 = 20%, Iwn T = 80%, Iw min T = 60%, Iw min T = 40%, Iw min T = 20%, 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 -