Сравнение трех основных видов электрогенераторов

1. Синхронный электрогенератор

Электрогенераторы со смешанным самовозбуждением также называют синхронными и гибридными. Такие генераторы, чаще всего, употребляют меньше топлива, легче в управлении и вырабатывают ток надёжнее генераторов других типов. Это происходит из-за того, что количество оборотов в минуту при внешнем возбуждении находится на постоянной и очень высокой отметке, тогда как синхронный электрогенератор может снижать обороты, или практически совсем выключаться, если спадает потребность в вырабатываемом им электричестве. Чаще всего, такой аппарат состоит из регулятора, источника энергии, устройства по выработке постоянного тока, преобразователя, переводящего постоянный ток в переменный и батареек. Батарейки заряжаются от источника энергии, затем постоянный ток сохраняется в них, и, в случае необходимости, при включении преобразователя, переходит в переменный. Также, наличие батареек позволяет с большей надёжностью устранять те или иные неполадки, которые могут возникнуть в ходе работы генератора.

Синхронные генераторы являются наиболее распространенными генераторами для питания автономных потребителей на базе ВЭУ. Отличительная особенность синхронного генератора заключается в том, что они не нуждаются в дополнительном источнике реактивной мощности для создания рабочего магнитного потока. В зависимости от конструкции синхронные генераторы возбуждаются с помощью специальной обмотки, подключаемой к источнику постоянного тока, или от постоянных магнитов. Мощность возбуждения синхронного генератора не превышает нескольких процентов от мощности генератора.

В автономном режиме работы синхронный генератор возбуждается от выходного напряжения якорной обмотки через выпрямитель. Начальное самовозбуждение синхронного генератора осуществляется по той же цепи за счет остаточного магнитного потока машины.

По сравнению с асинхронными, синхронные генераторы способны переносить 3-кратные мгновенные перегрузки, а также отличаются более высоким качеством электроэнергии. Синхронный генератор может обеспечивать электроэнергией все типы приборов без ограничений.

Как известно, в обмотках статора для возбуждения напряжения необходимо создать переменное магнитное поле. Достигается это путем вращением намагниченного ротора. На роторе синхронного генератора имеются обмотки, на них подается электрический ток. Изменяя величину тока посредством специального регулятора, можно изменять напряжение на выходе обмоток статора. Не вдаваясь в технические детали, повторим, что синхронные генераторы без проблем переносят кратковременные пусковые перегрузки. Но на обмотки вращающегося ротора ток возбуждения подается через традиционный щеточный узел. Естественно, щетки требуют периодического обслуживания и замены. Но главная проблема не в этом — необходимость охлаждения обмоток не дает решить задачу обеспечения высокой степени защиты генератора от внешних воздействий, таких как вода, грязь пыль. Некоторые современные синхронные генераторы снабжены бесщеточными системами возбуждения тока и лишены недостатков, связанных со щеточным узлом.

В профессиональных и стационарных электростанциях устанавливаются только синхронные и бесщеточные необслуживаемые генераторы.

2. Асинхронный электрогенератор

Асинхронный генератор — это работающая в генераторном режиме асинхронная электрическая машина. При помощи приводного двигателя ротор асинхронного электрогенератора вращается в одном направлении с магнитным полем, но с большей скоростью. Скольжение ротора при этом становится отрицательным, на валу асинхронной машины появляется тормозящий момент, и генератор передает энергию в сеть.

Несмотря на надежность конструкции и простоту обслуживания, асинхронные генераторы применяются в основном как тормозные устройства и вспомогательные источники не очень большой мощности.

Асинхронный генератор способен обеспечивать электроэнергией только резистивные приборы. При пуске рабочие характеристики генератора меняются: повышенный пусковой ток, сочетающийся с падением напряжения при включении индуктивных приборов и немалым смещением фаз, может повредить генератор. Именно поэтому даже при имеющейся пусковой защите необходимо использовать генератор со значительным запасом мощности, которая должна быть в 3-3,5 раза больше мощности подключаемой нагрузки.

Асинхронный генератор устроен проще синхронного: если у последнего на роторе помещаются катушки индуктивности, то ротор асинхронного генератора похож на обычный маховик. Такой генератор лучше защищен от попадания грязи и влаги, более устойчив к короткому замыканию и перегрузкам, а выходное напряжение асинхронного электрогенератора отличается меньшей степенью нелинейных искажений. Это позволяет использовать асинхронные генераторы не только для питания промышленных устройств, которые не критичны к форме входного напряжения, но подключать электронную технику.

Именно асинхронный электрогенератор является идеальным источником тока для приборов, имеющих активную (омическую) нагрузку: электронагревателей, сварочных преобразователей, ламп накаливания, электронных устройств, компьютерную и радиотехнику.

Но, как уже было сказано выше, перегрузка этих генераторов недопустима, при подключении электромоторов и прочих устройств с индуктивными нагрузками требуется запас по мощности в 3-3,5 раза. При использовании опции стартового усиления запас можно сократить до 1,5-2 раз. Эта опция реализована благодаря специальному блоку, автоматически увеличивающему возбуждение генератора при резком увеличении выходного тока. В некоторых случаях, таких как проведение сварочных работ, блок стартового усиления должен быть включен в обязательном порядке.

Преимущества асинхронного генератора

К таким преимуществам относят низкий клирфактор (коэффициент гармоник), характеризующий количественное наличие в выходном напряжении генератора высших гармоник. Высшие гармоники вызывают неравномерность вращения и бесполезный нагрев электромоторов. У синхронных генераторов может наблюдаться величина клирфактора до 15%, а клирфактор асинхронного электрогенератора не превышает 2%. Таким образом, асинхронный электрогенератор вырабатывает практически только полезную энергию.

Еще одним преимуществом асинхронного электрогенератора является то, что в нем полностью отсутствуют вращающиеся обмотки и электронные детали, которые чувствительны к внешним воздействиям и довольно часто подвержены повреждениям. Поэтому асинхронный генератор мало подвержен износу и может служить очень долго.

Один из недостатков АД — это то, что они являются потребителями значительной реактивной мощности (50% и более от полной мощности), необходимой для создания магнитного поля в машине, которая должна поступать из сети при параллельной работе асинхронного двигателя в генераторном режиме с сетью или от другого источника реактивной мощности (батарея конденсаторов (БК) или синхронный компенсатор (СК)) при автономной работе АГ. В последнем случае наиболее эффективно включение батареи конденсаторов в цепь статора параллельно нагрузке, хотя возможно, ее включение в цепь ротора. Для улучшения эксплуатационных свойств асинхронного режима генератора в цепь статора дополнительно могут включаться конденсаторы последовательно или параллельно с нагрузкой.

Во всех случаях автономной работы асинхронного двигателя в генераторном режиме источники реактивной мощности (БК или СК) должны обеспечивать реактивной мощностью как АГ, так и нагрузку, имеющую, как правило, реактивную (индуктивную) составляющую (соsφн < 1, соsφн> 0).

Масса и размеры конденсаторной батареи или синхронного компенсатора могут превосходить массу асинхронного генератора и только при соsφн =1 (чисто активная нагрузка) размеры СК и масса БК сопоставимы с размером и массой АГ.

Другой, наиболее сложной проблемой является проблема стабилизации напряжения и частоты автономно работающего АГ, имеющего «мягкую» внешнюю характеристику.

При использовании асинхронного режима генератора в составе автономной ВЭУ эта проблема осложняется еще и нестабильностью частоты вращения ротора. Возможные и применяемые в настоящее время способы регулирования напряжения асинхронном режиме генератора.

При проектировании АГ для ВЭУ оптимизационные расчеты следует вести по максимуму КПД в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузки, а также по минимуму затрат с учетом всей схемы управления и регулирования. Конструкция генераторов должна учитывать климатические условия работы ВЭУ, постоянно действующие механические усилия на элементы конструкции и особенно — мощные электродинамические и термические воздействия при переходных процессах, которые возникают при пусках, перерывах питания, выпадении из синхронизма, коротких замыканиях и других, а также при значительных порывах ветра.

Альтернативой двум выше приведенным генераторам является генератор на основе машины двойного питания или асинхронный генератор с фазным ротором, который сочетает в себе все плюсы СГ и АГ и лишен их недостатков.

3. Генератор на основе машины двойного питания (МДП)

Обеспечение качества электроэнергии для потребителей, запитываемых от автономных систем электроснабжения (АСЭ) промышленной частоты, имеет существенное значение. Получение стабильной частоты при переменной скорости вращения является одной из важных задач для АСЭ. Существует проблема обеспечения стабильных параметров электрической энергии, получаемой преобразованием энергии механической от нестабильного ее источника, например ветряного двигателя. Та же проблема существует и при работе от стабильного источника механической энергии, но при нестабильной нагрузке электрической. Эффективным способом решения этой проблемы является преобразование механической энергии в электрическую машиной двойного питания, в связи с чем последние годы характеризуются усилением интереса инженеров и исследователей к МДП, которые в полной мере могут решить поставленные задачи для АСЭ. Прежде всего, это относится к автономным генераторам электрической энергии, которые работают при изменяющихся в заданных диапазонах и при заданных законах изменения частоты вращения ω, частоты ω₀ и напряжения U.

Наиболее целесообразно применять МДП в автономных системах в случае, когда нужно генерировать напряжения постоянной частоты при переменной частоте вращения, а также в случае, когда придается значение качеству переходных процессов генератора при включении и отключении нагрузки независимо от того, с постоянной или с переменной частотой вращения работает генератор.

Генераторный комплекс (ГК) на базе МДП имеет два канала генерирования мощности – через статор и ротор. При этом ПЧ рассчитан на передачу только энергии скольжения МДП, т. е. его мощность пропорциональна отклонению частоты вращения вала генератора от синхронной.

Вариант ГК по схеме СГ-ПЧ в статоре имеет один канал генерирования энергии – через статор СГ. Поэтому мощность ПЧ в статоре альтернативного ГК на базе СГ рассчитана на передачу всей мощности генератора, что увеличивает капитальные затраты.

Для стабилизации параметров вырабатываемой электроэнергии (fc, Uc) ГК, работающего в автономном режиме необходимо обеспечить баланс активной и реактивной мощностей между ГК и нагрузкой. Баланс активной мощности поддерживается в МДП-генераторе с помощью ПЧ. Баланс реактивной мощности обеспечивается как за счет управления ПЧ, так и с помощью дополнительных источников реактивной мощности (ИРМ).

Возможность использования асинхронной машины с фазным ротором в режиме генератора обоснована в работах Чернопятова Н.Н., Петрова Г.А., Емеца В.Ф., Частовского А.В.. В режиме генератора две фазы обмотки ротора используются в качестве обмотки возбуждения генератора

Системы возбуждения важная составляющая автономного генератора и должна отвечать таким требованиям как: минимальная масса, надежность, дешевизна.

Стабилизацию напряжения асинхронного генератора можно добиться двумя способами - по частоте вращения ротора или по магнитному потоку генератора.

Регулирование напряжения по первому способу технический сложная операция, особенно при резкой перемене нагрузки, поэтому этот способ почти не применяется; Второй способ, регулирования напряжения по величине основного магнитного потока может осуществляться как при постоянной, так и при переменной частоте вращения ротора, поэтому является основным.

На рис. 2.14 представлена общая диаграмма ВЭУ на основе асинхронного генератора с двойным питанием. В этой концепции применяется асинхронный генератор с токосъемными кольцами. Трехфазная обмотка статора генератора связана непосредственно или использует трансформатор на выходе в сеть, в то время как сеть ротора включена в сеть при помощи электронного силового преобразователя. Устройство преобразователя позволяет изменять угловую скорость в определенном интервале. Этот диапазон ограничен как механическими параметрами ВЭУ (например, максимальное значение механического напряжения), так и техническими характеристиками устройства преобразователя. Кроме того, коэффициент мощности и, в то же время, реактивная мощность ВЭУ могут регулироваться в пределах некоторого определенного диапазона. Большинство ВЭУ с DFIG (МДП) содержат редуктор, который позволяет соединить тихоходный вал ВЭУ с быстроходным валом генератора.

Рис. 2.14: Общая диаграмма ВЭУ с асинхронным генератором двойного питания (DFIG) .

На рис. 2.15 представлена общая диаграмма применения концепции синхронного генератора. В этой концепции генератор обычно непосредственно связан с турбиной и редуктор отсутсвует в цепи привода. Статор генератора подключен к сети при помощи преобразователей. Это позволяет турбине функционировать с регулируемой угловой скоростью генератора. Если угловая скорость турбины изменяется от номинального значения из-за изменения скорости ветра, частота индуцированного напряжения на генераторе ВЭУ не постоянна и не равна 50 Гц. По этой причине индуцированное напряжение должно быть с начало преобразовано при помощи выпрямителя в напряжение постоянного тока, и потом при помощи инвертора в напряжение переменного тока с постоянной частотой сети. Для такой концепции ВЭУ необходима такая система преобразователей, которая предназначена для всех номинальных мощностей генератора. Может применяться как синхронный генератор на постоянных магнитах, так и синхронный генератор со специальным фазным ротором. В настоящее время наиболее популярным типом ВЭУ высокого класса мощности является синхронный генератор с фазным ротором, который содержит конструкцию многополюсных колец .. Благодаря большому числу полюсов этот генератор способен работать при более низкой угловой скорости и не содержать редуктор, таким образом подключая генератор непосредственно к валу аэродинамического ротора.

Рис. 2.15: Общая диаграмма ВЭУ с синхронным генератором непосредственной передачи вращения.

На рис. 2.16 представлена общая диаграмма постоянной по скорости ВЭУ с асинхронным генератором с короткозамкнутой обмоткой ротора.

Рис. 2.16: Общая диаграмма ВЭУ с асинхронным генератором с короткозамкнутой обмоткой.

Сравнительный анализ основных характеристик генераторов на основе выше описанных машинах, представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Сравнительные характеристики	Синхронный генератор	Асинхронный генератор	МДП-генератор
Применение	Все виды омических и индуктивных потребителей	Только омические потребители без ограничении	Все виды омических и индуктивных потребителей
Класс защиты	IP 23 или IP 54	IP 54	IP 54
Основные достоинства	Не нуждаются в дополнительном источнике реактивной мощности для создания рабочего магнитного потока. Способность переносить 3-кратные мгновенные перегрузки.	Отличаются простотой эксплуатации и обслуживания, легко включаются на параллельную работу, а форма кривой выходного напряжения у них ближе к синусоидальной, чем у СГ при работе на одну и ту же нагрузку. Кроме того, масса АГ мощностью 5-100 кВт примерно в 1,3 — 1,5 раза меньше массы СГ такой же мощности и они несут меньший объем обмоточных материалов.	Два канала генерирования мощности – через статор и ротор. При этом ПЧ рассчитан на передачу только энергии скольжения МДП, т. е. его мощность пропорциональна отклонению частоты вращения вала генератора от синхронной. Регулирования напряжения по величине основного магнитного потока может осуществляться как при постоянной, так и при переменной частоте вращения ротора.
Основные недостатки	Низкая степень защиты от внешних воздействий таких как: пыль, грязь, вода, т.к. синхронный генератор охлаждается «протягивая» через себя воздух, соответственно все что находится в воздухе может попадать в генератор. Контактные кольца	Низкое качество вырабатываемой электроэнергии Способность «проглатывать» пусковые перегрузки ниже, чем у синхронных генераторов.	Контактные кольца