ASYNCHRONE EN SYNCHRONE GENERATOREN: EEN BREED SPECTRUM

Transcriptie

1 ASYNCHRONE EN SYNCHRONE GENERATOREN: EEN BREED SPECTRUM november 12 Focus In de geïndustrialiseerde wereld verbruiken zowel huishoudens, KMO s als grote ondernemingen grote hoeveelheden elektrische energie. Hoewel bijvoorbeeld PV-panelen de energie in het invallende zonlicht rechtstreeks omzetten in elektrische energie, gebeurt het opwekken van elektrische energie voor een heel groot gedeelte door mechanisch aangedreven elektrische generatoren. Buiten de geïndustrialiseerde wereld zijn verhoudingsgewijs meer verbruikers aangewezen op lokale kleinschalige energieproductie omdat er geen publiek elektrisch net beschikbaar is. Zowel bij deze grootschalige als bij deze kleinschalige energieproductie worden diverse types asynchrone en synchrone generatoren gebruikt. Deze generatoren injecteren niet alleen actief vermogen in het net, ze zorgen ook voor een uitwisseling van reactief vermogen. Afhankelijk van de situatie verbruikt of levert de generator reactief vermogen. Elektrische energieopwekking via generatoren Bij hernieuwbare energieopwekking vervullen elektrische generatoren vaak een centrale rol. Bij hydraulische centrales wordt, via een leiding, water vanuit een hooggelegen stuwmeer naar een hydraulische turbine in de centrale gebracht. De potentiële energie van het water in het stuwmeer wordt omgezet in kinetische energie wat toelaat de turbine aan te drijven zodat ook de elektrische generator aangedreven wordt. Deze situatie is schematisch weergegeven in Figuur 1. Op een gelijkaardige manier wordt ook bij een getijdencentrale, bij een centrale met golfslagenergie of bij een windturbine een generator mechanisch aangedreven. Figuur 1: Structuur van een hydraulische centrale Figuur 2 toont een mogelijke uitvoeringsvorm van een geothermische installatie. In een primaire kring vloeit pekel die via een warmtewisselaar warmte afgeeft aan een fluïdum (bijvoorbeeld pentaan of butaan) waardoor deze dampvormig wordt en zo een turbine aandrijft. Het fluïdum dat de turbine verlaat wordt gecondenseerd in een condensor en teruggestuurd naar de warmtewisselaar (met behulp van een pomp). De turbine drijft een generator aan die elektrisch vermogen in het net injecteert.

2 Figuur 2: Geothermische centrale Bij niet hernieuwbare energieopwekking wordt bijvoorbeeld aardgas verbrand waarbij de warmte gebruikt wordt om stoom te produceren. Hiermee wordt een stoomturbine aangedreven die op zijn beurt een elektrische generator aandrijft. Een gasturbine drijft een generator aan wanneer hete rookgassen, die vrijkomen bij de verbranding van een fossiele brandstof, door deze gasturbine gestuurd worden. Bij een STEG centrale (stoom- en gascentrale) zijn zowel een stoomturbine als een gasturbine aanwezig die gebruikt worden om een elektrische generator (of generatoren) aan te drijven. Bij bouwwerven of algemeen op verafgelegen locaties waar geen publiek elektrisch net aanwezig is, wordt een elektrische generator vaak aangedreven via een dieselmotor. Zo ontstaat een lokaal net in eilandbedrijf. Er is meer en meer een trend om een dergelijk lokaal net niet enkel met een dieselgenerator-groep te voeden maar ook PV-panelen (met omvormer) en (eerder kleine) windturbines te gebruiken om dit net te voeden. Zeker in combinatie met energieopslag via batterijen, kan op die manier diesel uitgespaard worden (vooral op verafgelegen plaatsen is diesel erg duur omwille van de verplaatsingskosten). Indien de diesel-generator-groep minder energie moet opwekken, is ook de CO 2 - uitstoot en de uitstoot van andere uitlaatgassen geringer. Actief en reactief vermogen Wanneer een elektrisch net een sinusvormige spanning u(t) (met effectieve waarde U) levert en een verbruiker neemt een sinusvormige stroom i(t) (met effectieve waarde I) op die een hoek φ naijlt, dan kan die stroom ontbonden worden in een actieve stroomcomponent in fase met u(t), een reactieve stroomcomponent die 90 verschoven is ten opzichte van u(t). Deze actieve stroomcomponent heeft een effectieve waarde I cosφ en de reactieve stroomcomponent heeft een effectieve waarde I sinφ. In een dergelijke situatie neemt de verbruiker een actief vermogen P = UI cosφ en een reactief vermogen Q = UI sinφ op (hier enkelfasig beschouwd). De verbruiker zal dat actief vermogen omzetten in bijvoorbeeld licht, warmte, mechanische arbeid.

3 Het reactief vermogen kan niet in licht, warmte of mechanische arbeid omgezet worden want reactief vermogen is feitelijk vermogen dat steeds heen en weer uitgewisseld wordt tussen bron/net en verbruiker. Wanneer dezelfde sinusvormige netspanning een ideale zelfinductie voedt, neemt deze een stroom i(t) op die 90 na-ijlt ten opzichte van u(t). Dit betekent dat deze zelfinductie geen actief vermogen verbruikt of levert maar dat deze wel reactief vermogen verbruikt. Wanneer dezelfde sinusvormige netspanning een ideale condensator voedt neemt deze een stroom i(t) op die 90 voorijlt ten opzichte van u(t). Dit betekent dat deze condensator geen actief vermogen verbruikt of levert maar dat deze wel reactief vermogen genereert. In tegenstelling tot een verbruiker, levert een elektrische generator een actief vermogen P. Afhankelijk van de situatie zal deze generator reactief vermogen verbruiken dan wel leveren. In een elektrisch net moet het gegenereerd vermogen steeds gelijk zijn aan het verbruikte vermogen; dit zowel voor het actief als voor het reactief vermogen. Asynchrone generatoren Hoewel asynchrone machines (ook inductiemachines genoemd) meestal als motor gebruikt worden, functioneren ze ook als generator indien een aandrijving er voor zorgt dat de rotorsnelheid groter is dan de synchrone snelheid. Figuur 3: Asynchrone machine Een asynchrone generator injecteert actief vermogen P in het net (daar waar een motor actief vermogen P verbruikt) maar ze verbruikt evenwel reactief vermogen Q. Indien de asynchrone generator met een bestaand net verbonden is, zal dit net het vereiste reactief vermogen (moeten) leveren. Door parallel met de generatorklemmen condensatoren te plaatsen, zijn deze in staat het reactief vermogen (de reactieve stroomcomponent) te leveren zodat dit niet meer door het net moet gebeuren. Dit reduceert (gewoonlijk) de reactieve stroomcomponent in het net en zodoende ook de koperverliezen in dat net. Het plaatsen van condensatoren parallel met de generatorklemmen heeft dan ook een gunstig effect op het net hoewel het strikt genomen niet nodig is vanuit het standpunt van de generator. Netgekoppelde asynchrone generatoren treft men bijvoorbeeld aan bij kleinschalige hydraulische installaties in Vlaanderen. Bijvoorbeeld de Phénix turbine (zie Figuur 4) in de molen Van Doren te Rotselaar drijft een asynchrone generator aan met drie poolparen. Een tandwielkast drijft het toerental van de turbine (28 toeren per minuut) op tot een toerental iets boven de 1000 toeren per minuut (70 kw elektrisch).

4 Figuur 4: Phénix turbine in de molen te Rotselaar Wanneer een asynchrone generator in eilandbedrijf werkt (dus er is geen bestaand net, de generator moet als het ware zelf dat net opbouwen), dan is er geen net dat het vereiste reactief vermogen kan leveren. Het is in een dergelijke situatie absoluut noodzakelijk om condensatoren parallel te plaatsen met de generator. Figuur 5 toont hoe de asynchrone generator mechanisch aangedreven wordt en dat condensatoren parallel met de klemmen geschakeld zijn. Bemerk verder de driefasige belasting van het zelf opgebouwde lokale net. Figuur 5: Asynchrone generator in eilandbedrijf Indien de belasting in Figuur 5 een kleinere impedantiewaarde aanneemt, zal eerst (zie Figuur 6) de effectieve waarde I van de belastingsstroom toenemen en zal de effectieve waarde van de generatorspanning afnemen. Wanneer de impedantie van de belasting evenwel te klein wordt, zal de generatorspanning fors terugvallen (zelfs nul worden) waardoor ook de belastingsstroom kleiner wordt. Bij Figuur 6 geldt curve 1 bij een ohms-inductieve belasting. Het reactief vermogen verbruikt door de belasting zorgt er voor dat de condensatoren moeilijker het vereiste reactief vermogen aan de generator kunnen leveren zodat de generatorspanning afneemt. Bij Figuur 6 geldt curve 2 bij een zuiver ohmse belasting. De asynchrone generator met condensatoren is beter in staat een ohmse stroom dan een ohmsinductieve stroom te leveren.

5 Figuur 6: Generatorspanning in functie van de belastingsstroom Synchrone generatoren Bij de meeste synchrone generatoren wordt in de stator een sinusvormige wisselspanning opgewekt door een rotor, die ten opzichte van die rotor een vast magnetisch veld opwekt, mechanisch aan te drijven. Dat vast magnetisch veld kan afkomstig zijn van permanente magneten die in de rotor gemonteerd zijn, maar de rotor kan ook een elektromagneet bevatten die met een gelijkstroom gevoed wordt. Door de grootte van deze gelijkstroom bij te regelen, kan de sterkte van het roterend (ten opzichte van de stilstaande stator) magnetisch veld bepaald worden (wat dus bij permanente magneten niet mogelijk is). Synchrone generatoren worden veelvuldig gebruikt in grote elektrische centrales (zowel bij nucleaire centrales als bij centrales op basis van fossiele brandstoffen) waarbij ze hun gegenereerd actief vermogen injecteren in het hoogspanningsnet. Synchrone generatoren worden onderverdeeld in turbogeneratoren en vliegwielgeneratoren. Turbogeneratoren zijn sneldraaiend (bijvoorbeeld 1500 tpm of 3000 tpm) en hebben een gladde rotor met een veeleer beperkte diameter. Turbogeneratoren worden hoofdzakelijk gebruikt in thermische centrales waarbij ze aangedreven worden door een stoomturbine. De hoge rotatiesnelheid hangt samen met het beperkt aantal poolparen. Figuur 7: Synchrone turbogenerator in een elektrische centrale Bij een vliegwielgenerator is de rotordiameter groter wat toelaat een groter aantal poolparen te realiseren. De synchrone snelheid is dan ook lager. De traag draaiende vliegwielgeneratoren worden bijvoorbeeld vaak gebruikt in hydraulische centrales (zie Figuur 8 die een maquette van de pompcentrale van Coo met vliegwielgenerator weergeeft) en in windturbines (Enercon windturbine in Figuur 9).

6 Figuur 8: Maquette pompcentrale van Coo met vliegwielgenerator Figuur 9: Synchrone generator in windturbine De gelijkstroom bekrachtiging van de rotorwikkelingen is erg belangrijk. Door de bekrachtigingsstroom door de rotorwikkelingen groter te maken, kan het koppel en dus ook het actief vermogen groter zijn. Maar de bekrachtiging bepaalt ook het reactief vermogen. Door een voldoende grote bekrachtigingsstroom door de rotorwikkelingen te sturen (het overbekrachtigen van de generator) zal deze generator reactief vermogen leveren (en dus niet verbruiken zoals een asynchrone generator). Wanneer de bekrachtigingsstroom door de rotorwikkelingen kleiner is (het onderbekrachtigen van de generator) zal deze generator reactief vermogen verbruiken. De grootte van de bekrachtigingsstroom laat dan ook toe het geleverde of het verbruikte reactief vermogen te regelen. Door een voldoende grote bekrachtigingstroom door de rotorwikkelingen te sturen, kan een synchrone generator vlot reactief vermogen leveren aan de verbruikers; dit in tegenstelling tot een asynchrone generator die moeilijk reactief vermogen kan leveren (zie Figuur 6). Synchrone condensator Door een synchrone motor bij nullast te laten draaien, zal deze slechts een beperkt actief vermogen opnemen uit het voedende net. Wanneer deze motor sterk overbekrachtigd is, zal deze een reactief vermogen leveren zoals een condensator. De synchrone machine gedraagt zich dan ook effectief als een synchrone condensator (met dus een erg lage arbeidsfactor zoals hier gewenst is) en is in staat om de totale arbeidsfactor in het elektrisch net te verbeteren. Het opgewekte reactieve vermogen kan bijgeregeld worden door de bekrachtigingsstroom van de synchrone condensator bij te regelen.

7 Borstelloze synchrone machine De rotor van een klassieke synchrone machine (ongeacht het feit of deze als motor dan wel als generator functioneert) wordt met een bekrachtigingsstroom gevoed. Dit gebeurt evenwel met behulp van sleepringen en borstels wat onderhoudsintensief is. Een mogelijke uitvoeringsvorm zonder sleepringen en borstels is weergegeven in Figuur 10. De aanpak bestaat er in een bekrachtigingsgenerator en een hoofdgenerator in één geheel te bouwen. De bekrachtigingsgenerator bevat in de stator een bekrachtigingswikkeling die zonder problemen met een gelijkstroom gevoed kan worden. Zo wordt een vast magnetisch veld bekomen. De rotor bevat een driefasige wikkeling die roteert in dit vast magnetisch veld zodat daar een wisselspanning in opgewekt wordt. Met behulp van diodes die ingebouwd zijn in de rotor, wordt die wisselspanning gelijkgericht. Via die gelijkgerichte spanning wordt de bekrachtigingswikkeling (in de rotor) van de hoofdgenerator gevoed zodat een synchroon roterend magnetisch veld bekomen wordt. Hierdoor wordt een sinusvormige wisselspanning opgewekt in de driefasige statorwikkeling van de hoofdgenerator. Figuur 10: Borstelloze synchrone generator Dubbelgevoede inductiemachine De grote synchrone generatoren in elektrische centrales injecteren rechtstreeks hun vermogen in het wisselspanningsnet (vaak via een transformator). Daar dit net een vaste frequentie van 50Hz heeft, hebben die synchrone generatoren een vaste rotatiesnelheid. Bij windturbines is die vaste rotatiesnelheid omwille van de luchtstroming rondom de wieken een probleem omdat de windsnelheid varieert. Dit probleem kan opgelost worden door tussen de synchrone generator van de windturbine en het elektrisch net een frequentieomvormer te plaatsen. Wanneer de windsnelheid varieert, varieert ook de rotatiesnelheid van de wieken en dus van de generator. Zo wordt een wisselspanning met een variërende frequentie opgewekt die door de frequentieomvormer omgezet wordt in de vaste gewenste 50 Hz. Het is wel zo dat de frequentieomvormer het volle vermogen van de windturbine moet omzetten.

8 Teneinde een windturbine te bekomen waarbij de rotatiesnelheid van de wieken mee kan variëren met de windsnelheid en waarbij het vermogen van de vereiste frequentieomvormer beperkter is, kan gebruik gemaakt worden van een dubbelgevoede inductiemachine (die als generator functioneert). Figuur 11 toont een windturbine met een dubbelgevoede inductiemachine (B. Chitti Babu, K. B. Mohanty, C. Poongothai: Wind Turbine Driven Double-Fed Induction Generator with Grid Disconnection). Wanneer de frequentieomvormer (bestaande uit PWM Inverter I en PWM inverter II) vermogen onttrekt aan de rotor en naar het net stuurt, dan zal de dubbelgevoede inductiemachine onder de synchrone snelheid als motor werken en boven de synchrone snelheid als generator. Wanneer de frequentieomvormer evenwel vermogen ontrekt aan het net en in de rotor injecteert, dan zal de dubbelgevoede inductiemachine onder de synchrone snelheid als generator werken en boven de synchrone snelheid als motor. Belangrijk is hier dus vooral dat de machine zowel onder als boven de synchrone snelheid als generator kan werken. Hoe groter het vermogen van de frequentieomvormer, hoe groter het snelheidsbereik (onder en boven de synchrone snelheid) waarbinnen de dubbelgevoede inductiemachine als generator kan werken. Figuur 11: Windturbine met dubbelgevoede inductiemachine Door de frequentieomvormer gepast aan te sturen kan er hier trouwens voor gezorgd worden dat de stator in Figuur 11 naar keuze reactief vermogen injecteert in het net of reactief vermogen opneemt. Hetzelfde kan trouwens van de frequentieomvormer zelf gezegd worden. Bij de situatie geschetst in Figuur 11 zijn een tandwielkast, een generator met bewikkelde rotor en een frequentieomvormer vereist. Het is dan ook een typische configuratie die men aantreft bij eerder grote windturbines. Nadeel blijft evenwel de aanwezigheid van drie sleepringen met koolstofborstels wat onderhoudsintensief is. Zeker bij offshore windturbinetoepassingen is dit laatste een belangrijk nadeel. Vanuit dat oogpunt zijn dan ook de borstelloze dubbelgevoede inductiemachines ontwikkeld.

9 Borstelloze dubbelgevoede inductiemachine Figuur 12: Windturbine met borstelloze dubbelgevoede inductiemachine Zoals Figuur 12 (Hicham Serhoud, Djilani Benattous: Maximal Wind Energy Tracing of Brushless Doubly-Fed Generator under Flux Oriented Vector Control) weergeeft, zullen de wieken van de windturbine via een tandwielkast de rotor van de inductiemachine aandrijven. Deze rotor is een aangepaste kooiankerrotor zodat geen sleepringen of koolstofborstels vereist zijn. Bemerk dat de stator twee driefasige wikkelingen heeft. De zogenaamde vermogenwinding is rechtstreeks verbonden met het 50 Hz net terwijl de zogenaamde controlewinding via een frequentieomvormer gevoed is. Door de frequentie aan te passen waarmee de controlewinding gevoed wordt, kan de gepaste rotatiefrequentie van de rotor (en dus van de wieken van de windturbine) gekozen worden. Inderdaad, door de snelheid van de wieken aan te passen aan de windsnelheid, kan een groter vermogen uit de wind gehaald worden. Gelijkaardig aan de klassieke dubbelgevoede inductiemachine, is het ook hier mogelijk dat de vemogenwinding reactief vermogen genereert. Daartoe moet de controlewinding gepast aangestuurd worden (de frequentieomvormer kan nog steeds naar keuze reactief vermogen verbruiken of leveren). Auteur: Joan Peuteman Bron: Katholieke Hogeschool Brugge Oostende