generatorer för Vindturbinapplikationer – del 2: Hur man väljer en

olika typer av generatorer

det finns flera typer av generatorer som kan kopplas till små vindkraftverk: viktigast DC eller AC typer och synkron eller asynkron som arbetar med permanentmagneter eller elektriska fält excitation respektive. Valet beror på olika faktorer, såsom applikation (fristående eller nätansluten), typ av belastning, tillverkningsförmåga, nominell effekt, turbinhastighet och kostnad. Ändå är alla dessa elektriska maskiner elektromekaniska anordningar som arbetar med Faradays lag om elektromagnetisk induktion.

synkron vs. asynkron

som förklaras i prequel till denna artikel innehåller den roterande delen av en generator någon form av komponent som skapar ett magnetfält. Därför utgör den roterande poler. Det finns två typer av komponenter som kan uppfylla denna uppgift.

i så kallade synkrona generatorer hittar vienkla permanenta magneter. De liknar hästsko magneter eller till den typ avmagnet som du kan hålla fast vid ett kylskåp. Den typ av generator som använderpermanenta magneter kallas synkron eftersom rotorn ochmagnetiska fältet roterar med samma hastighet. Synkrona generatorer typiskthar en hög effekttäthet och låg massa, det är därför de används alltmer i vindkraftverk. Utmaningar som dessa generatorer ställer är att under extrem värmeutveckling kan de permanenta magneterna avmagnetisera, vilket gör generatorn värdelös och att de inte kan producera el med en fast frekvens. Detta beror på variationen i vindhastigheterna ochsamma hastighetsrotation. Därför kräver dessa generatorer likriktningseffektomvandlare.

motsvarigheten till synkron är asynkrongeneratorer. De skapar ett elektriskt fält som inte använder permanenta magneter men använderextra spolar. Faradays lag föreslår att en elektrisk ström och en magnetiskfält finns alltid tillsammans. Detta gör att vi kan använda ett magnetfält för att induceraen elektrisk ström på det sätt som beskrivs här, men det hjälper oss också attskapa ett magnetfält genom att skicka en ström genom en spole. Detta är exaktvilka asynkrona generatorer gör. Denna typ av generator behöver därför en powersupply specifikt för magneterna, men det är mindre benägna att skada och mightbe mer tillförlitlig än sin motsvarighet. Dessutom har den en högre grad avdämpning så att den kan absorbera rotorhastighetsfluktuationer mycket lättare.

Dynamos vs. Växelströmsgeneratorer

huvudskillnaden mellan dynamos och växelströmsgeneratorer ärden typ av ström de producerar: dynamos producerar en likström (DC) medan växelströmsgeneratorer producerar en växelström (AC) som ständigt ändrar flödesriktning.

för en mycket grundläggande generatorinstallation har vi lärt oss i prequel till den här artikeln att den producerade effekten kommer att vara AC-El. Den del som gör det möjligt för en dynamo att producera likström utan att helt omforma konceptet kallas en kommutator. I sin enklaste form är det i grunden en fast omkopplare som ansluter och kopplar bort till de två olika ändkontakterna på generatorns strömkrets när axeln vrider. Detta gör det möjligt för kommutatorn att ständigt ändra polariteten hos utgångsströmmen så att utgången i slutändan alltid har samma polaritet.

den största fördelen med dynamos som producerar likström äratt de flesta av våra elektriska enheter behöver likström för att fungera. Det betyder att omdu genererar växelström behöver du alltid en strömomvandlare för att användael i ditt hem.

likväl är generatorer som producerar växelström utbredd idag. Anledningen till detta är att AC-el är mycket enklare och effektivare att överföra via stora kraftledningar. Att omvandla växelström till extremthöga spänningar för transport och sedan minska den till användbara nivåer igen är lätt och kan göras utan betydande effektförluster. Detsamma är mycketsvårt att göra med LIKSTRÖMMAR. När den har kommit till önskad platsför konsumtion kan växelströmmen lätt omvandlas till DC igen.

Standard inom vindkraft: Permanent magnet synkrona generatorer

den typ av generator som används mest i vindkraftverk ärpermanent magnet synkrona generatorer. Detta beror på att de senaste årenhar fått attraktivitet på grund av förbättrad prestanda och minskande kostnader.Speciellt för direktdrivna turbiner är de konkurrenskraftiga eftersom de kan ha högre polnummer på 60 eller fler poler jämfört med en konventionellt skullsynkron generator. Detta innebär att trots lägre rotationshastigheter, ärrimlig effektutgångsfrekvens kan uppnås.

under normal drift, permanentmagnet generatorerär stabila och säkra och viktigast av allt behöver de inte ett extra kraftförsörjning för excitationskretsen för att ge ett magnetfält. Detta gör design och elektrisk anslutning mycket enklare och eliminerar rotor excitationförluster som kan utgöra 20-30% av de totala generatorförlusterna. Följaktligen är effekttätheten hög och generatorn förblir liten och effektiv. Detta är attraktivt eftersom med tanke på att risken för avmagnetisering hanteras korrekt lovar den låg livstidskostnad och små problem eller underhåll.

effektkurvan

även om det kan verka enkelt, är anslutningen mellan en vindkraftverk och en generatorinte bara en mekanisk med en axel och en växellåda. För att uppnå tillfredsställande prestanda måste vindturbinens och generatorns kraftkurvor matchas.

generellt sett finns detolika typer av kraft, men de har den fysiska enheten watt. Det finnsmekanisk kraft, först i Vind, sedan i roterande blad och då finns det elektrisk kraft.

å ena sidan beräknas den rotationsmekaniska kraften i ett vindturbins roterande blad som Rotorns rotationshastighet gånger dess rotationsmoment. Hastigheten är i huvudsak hur ofta axeln svänger inom en bestämd tidsperiod medan momentum motsvarar hur mycket ‘motstånd’ eller tröghetsmoment axeln kan vända mot. För att visualisera momentum, föreställ dig att du vrider en penna i dinhand. Om du håller den löst blir det väldigt enkelt att göra det. Om du tar atighter grepp, måste du använda mer ansträngning för att hålla pennan vridningsamma hastighet som tidigare. Vad som händer är att du måste applicera ett högremomentum på det eftersom ditt snäva grepp som stoppar rotationsrörelsen verkarliknar ett högt tröghetsmoment.

så beror vindturbinrotorns kraftutgång på rotationshastigheten och på nuvarande momentum vid vilken given tid som helst. Naturligtvis är uteffekten inte alltid exakt densamma. Det förändras avsevärt när vindhastigheten ökar eller minskar. Dessa chanserutgör en så kallad effektkurva.

å andra sidan elkraftberäknas som en enhets spänning gånger sin ström. Enkelt uttryckt, vad som händeri en generator är att den extraherar en del av kraften i rotationför att omvandla den till elektrisk kraft. Hur mycket kraft kan extraherasuppenbarligen beror på mängden kraft som är närvarande. Problemet är att en generator på egen hand inte vet hur mycket rotationskraft som finns där.Vad det kan göra är dock att få input från en vindsensor för att känna till nuvarande Vindhastighet. Tack vare turbinens kraftkurva kan dess nuvarande rotationskraft direkt härledas från nämnda Vindhastighet. Så nu kan vi bestämma hur mycket kraft generatorn ska extrahera vid varje given vindhastighet och programmera denför att göra det. Genom att göra det ger vi den sin egen kraftkurva.

energi och effekt-Vad är skillnaden?

en vanlig missuppfattning när peopletalk om vindkraftverk är att de förväxlar kraft med energiproduktion. Skillnaden är följande: effektutgången berättar hur mycket energi som producerasjämfört med en viss tidsperiod. Energiproduktionen berättar hur mycket energi som ärfaktiskt producerad. Enheten som används för att indikera energiproduktion är vanligtviskwh – kilo watt timmar. En energiproduktion på ett kilo watt timme kan betydaatt inom en timme har en elektrisk enhet procuced exakt en tusen watt el eller att inom en halv vår har den producerat två tusen watt el.

så om du vill berätta för någon hur mycket energi din vindkraftverk har producerat förra året, kan du säga ” min turbinehar producerat 400 kWh-är det inte coolt?”. I detta sammanhang talar om maktskulle ge liten mening. Typiskt skulle jämförelse av effektutgången vara användbar förexempel när man jämför två olika typer av turbiner som arbetar under samma miljöförhållanden. Oavsett om det är vettigt att prata om ström ellerenergiutgången beror mycket på situationen. Ändå vet dina enheter-användwatt när man talar om makt och kilo watt timmar när man talar om energi.