Asynchrone generator
draait niet synchroon met het net
Generator
De meeste generatoren (alternatoren) werken synchroon met het net. Ze draaien bijvoorbeeld aan 1500 toeren bij een netfrekwentie van 50Hz. Maar er bestaat ook generatoren die niet synchroon met het net draaien.

Asynchrone generatoren worden gebruikt bij electriciteitsproduktie door windmolens en waterkrachtcentrales. Het voordeel is dat deze generatoren niet synchroon met het net moeten werken, en dus het beschikbaar windvermogen beter kunnen benutten.

Ook synchrone generatoren (vaak van het type PMSG of Permanent Magnet Synchronous Generator) kunnen gebruikt worden als de variabele frekwentie omgezet wordt in een avste frekwentie door middel van een omvormer. Dit is de beste opossing voor kleine vermogens. De werking van de omzetter is vergelijkbaar met de omzetter van een zonnepaneel.


Universele motor en dynamo

De eerste asynchrone generator is natuurlijk de dynamo, die gebaseerd is op de universele motor. Met "universeel" wilt men niet zeggen dat de motor ook als generator gebruikt kan worden, maar dat de motor zowel op gelijkspanning als op wisselspanning werkt.

Dynamo's worden niet meer gebruikt voor de electriciteitsproduktie, en dit door verschillende redenen:

  • De koolborstels en delamellen van de collector moeten regelmatig onderhouden en desnoods vervangen worden
  • De gelijkstroom is niet stabiel maar bevat een storende ondulatie
  • De collector produceert vonken en dus storingen
  • De ankerreaktie moet tegengewerkt worden door compensatiewekkelingen die het geheel complexer maken.

Waar nodig wordt er gelijkspanning gebroduceerd op een eenvoudige en bedrijfszekere manier door electronische modules. De universele motor wordt hier verder besproken.


De asynchrone motoren die veel gebruikt worden vanwege hun eenvoud kunnen ook gebruikt worden als generator.


6 — Koppel volgens de omwentelingssnelheid
Asynchrone motor/generator



Motor met gewilleld anker


Koppel van een machine met kortsluitanker en gewikkeld anker met weerstand




A en B — Monofasige asynchrone motor en generator

De asynchrone generator (hypersynchroon)

Als men de motor sneller laat draaien dan zijn synchrone snelheid, dan gaat de motor vermogen op het net steken (zowel driefasige als monofasige motoren).

Een asynchrone generator werkt best als die op het net aangesloten is (geen eilandbedrijf) aangezien er netspanning aanwezig moet zijn zodat de generator reaktief vermogen kan opnemen om het magnetisch veld op te bouwen en de ankerreaktie op gang te brengen.

In eilandbedrijf moet de generator opgestart worden zonder electrische belasting (enkel met de condensatoren in parallel met de wikkelingen). Eenmaal de spanning opgebouwd wordt de belasting door midden van een contactor ingeschakeld. Om een min of meer stabiele werking te garanderen moet de belasting hoofdzakeling resistief zijn (gloeilampen en verwarming). Zowel de spanning als de frekwentie zijn niet stabiel en veranderen met de belasting.

Dergelijke generatoren worden bij waterkrachtcentrales gebruikt, waar de waterstroom niet altijd perfekt constant is. De elastische koppeling op het net vangt de waterstoten op. Ook oudere windmolens gebruikten een asynchrone generator. Gasturbines (thermische- en kerncentrales) werken met synchrone alternatoren want de soortelijke massa van stoom is veel lager.

Het koppel dat geleverd of opgenomen wordt hangt af van de rotatiesnelheid (Afbeelding 6). Een stabiele werking is enkel mogelijk in een beperkt werkingsgebied. Krijgt de generator een te hoog koppel te verwerken, dan "breekt" de slipkoppeling: het vermogen dat overgedragen wordt, wordt kleiner, terwijl het anker minder en minder afgeremd wordt. Er moeten mechanische maatregelen genomen worden om overspeed te vermijden. De slip bedraagt ongeveer 5% (minder voor groetere generatoren, meer voor kleine generatoren).

Dankzij de slip is de koppeling aan het net elastisch, wat niet het geval is met een klassieke alternator waarvan de draaisnelheid heel precies moet zijn. De asynchrone generator kan plotse koppelveranderingen probleemloos opvangen.

Het vermogen dat op het net gestoken wordt hangt af van het koppel dat de generator krijgt, zoals een klassieke synchrone alternator.

Een andere belangrijke parameter is de uitgangsspanning van de generator. Bij een klassieke alternator is dit gemakkelijk in te stellen, namelijk door de stroom door de veldwikkeling te veranderen. Bij een hypersynchone generator liggen de zaken veel moeilijker. Verschillende parameters spelen een rol, waaronder de motorconstructie. Hypersynchrone generatoren hebben altijd condensatoren in parallel op de statorwikkelingen nodig om de arbeidsfaktor te verbeteren en een stabiele werking te geranderen.

Een electrisch net met diverse verbruikers kan niet bestaan uit enkel hypersynchrone generatoren (waterkrachtcentrales en windmolens). Er moeten ook synchrone generatoren aanwezig zijn (thermische centrales). De synchrone generatoren fungeren als vliegwiel om het net te stabiliseren. Vanwege de electrische slipkoppeling heeft een asynchrone generator geen vliegwielwerking.

Asynchrone generatoren werden vroeger in windmolens op zee gebruikt waar de wind redelijk constant is. Door zijn eenvoudige constructie en hoge betrouwbaarheid werd de asynchrone generator soms ook gebruikt bij kleine particuliere installaties. Bij een vermogen van minder dan een kW worden er meestal geen driefasige motoren of generatoren gebruikt, maar ook een monofasige asynchrone motor kan als generator gebruikt worden.

Grote asynchrone motoren hebben een beperkte slip die weinig verandert naargelang de belasting. Hetzelfde gebeurt met asynchrone generatoren waarbij de snelheidsvariatie beperkt is tot ongeveer 1%. Als de rotatatiesnelheid van de generator te laag wordt, wordt die van het net ontkoppeld om te vermijden dat die als motor zou werken (reuze ventilator). Als de rotatiesnelheid hoog genoeg is wordt de generator met het net gekoppeld via tijdelijke weerstanden. Met deze weerstanden is het mogelijk het magnetisch veld op te bouwen (gaat gepaard met een hoge "aanloop"stroom). Eenmaal aan het net gekoppeld is de slip beperkt en is de rotatiesnelheid in de praktijk constant.

Een grotere snelheidsvariatie is mogelijk door een kooianker met weerstand te gebruiken, maar die heeft een lager rendement en produceert meer warmte. Een andere mogelijkheid is een asynchrone generator met gewikkeld anker en externe, uitschakelbare weerstanden te gebruiken. Deze generator is minder betrouwbaar wegens de sleepcontacten.

Alle asynchrone motoren en generatoren hebben geen rotorpolen: de polen worden opgewekt door de stator. Het is dus mogelijk de stator anders te schakelen en dus de rotor op een andere snelheid te laten draaien (zoals bijvoorbeeld een Dahlandermotor). Andere windmolens hebben een gearbox met meerdere snelheden.

Afbeelding A en B toont ons achereenvolgens een motor (die twee wikkelingen in kwadratuur heeft waarbij de stroom door één wikkeling voorloopt dankzij de condensator) en dezelfde motor geschakeld als generator, waarbij de condensator nu de kwadratuurwikkeling kortsluit en de stroom afgetapt wordt van de hoofdwikkeling.

Intern is er trouwens geen verschil tussen de hoofd- en de kwadratuurwikkeling. Motoren kan men in de éne of andere richting laten draaien door de motor anders te schakelen waarbij de hoofdwikkeling de kwadratuurwikkeling wordt en omgekeerd.

Het gebruik van een asynchrone motor als generator is niet aangeraden voor de particulier wegens de weinig stabile uitgansspanning. Er zijn betere alternatieven voor kleine vermogens.



Asynchrone motor met gewikkeld anker (sleepankermotor)
als basis voor een Double Fed Induction Motor



8 — Alternator die in asynchrone modus werkt
Hypo et hypersynchroon



9 — Opgenomen en afgegeven vermogen volgens het toerental

DFIG: Double Fed Induction Generator

Er bestonden vroeger asynchrone motoren motoren met een gewikkeld anker. De spoelen worden in ster geschakeld en er is een uitgang via sleepringen. Fotos (en uitleg werking) van een sleepankermotor zijn hier te vinden.
  • Bij werking als motor worden de instelbare weerstanden gebruiken om de kortsluitstroom te beperken bij het starten.

  • Bij gebruik als generator gebruikt men een omvormer om een draaiveld in de rotor op te wekken, zodat men de generator (eigenlijk een enkeltraps alternator) kan laten werken als hypo- of hypersynchrone generator.
Men gebruikt eigenlijk een oude type motor in een volledig nieuwe toepassing.

Het voordeel van de gelijkrichter en omvormer in het ankercircuit is dat het vermogen dat geleverd moet worden veel lager is dan indien men de gelijkrichter en omvormer na de statorwikkelingen zou plaatsen (al het geleverd vermogen loopt immers via de statorwikkelingen). Voor een windmolen die een grote werkingsgebied heeft (snelheid) moet het vermogen van de omvormer ongeveer 1/3 van het hoofdvermogen bedragen.

Een nadeel van deze motoren zijn de sleepringen waarop electrische contacten rusten. Deze moeten regelmatig vervangen worden, maar het onderhoud moet minder vaak gebeuren dan met dynamo's die een collector bestaande uit lamellen hebben. Zo'n generator vraagt dus meer onderhoud dan een dubbeltraps alternator zonder sleepcontacten, en dat is natuurlijk een minpunt voor offshore installaties.

Hoe kan men de generator in hyposynchrome modus laten werken? Veronderstel dat de rotatiesnelheid van de motor 30Hz zou produceren. Door een driefasige wisselspanning van 20Hz in het anker te injecteren (dezelfde richting als de mechanische draaing) dan worden beide draaiingen opgeteld en ziet de stator een wisselend veld van 50Hz. Zie afbeelding 8, eerste tekening.

Figuur 9: generator met een nominaal vermogen van 10kW
Statorvermogen
Rotorvermogen
Totaal vermogen opgenomen of geleverd door de generator
De curve is typisch voor een generator van 10kW en kan verschillen naargelang de motor en de omzetter. Het maximaal rendement van 90% wordt behaald bij een snelheid van 1875 toeren en het maximaal vermogen van 11.5kW bij 2250 toeren. Het werkingsgebied is gedefinieerd tussen 750 en 3000 toeren (indikatie 1.0 is nominaal toerental, dus bijvoorbeeld 1500 toeren per minuut bij een netfrekwentie van 50Hz en 4 polen. Om de generator op een lager toerental te laten werken, kan men een motor/generator met meer polen gebruiken (synchroontoerental = 1000 toeren/minuut bij 6 polen en een netfrekwentie van 50Hz).

De werking van zo'n generator vertoont veel overeenkomsten met de werking van een synchrone generator (klassieke alternator met gelijkspanning op de veldwikkeling). De electronika zorgt ervoor dat de generator kan werken in een breed gebied en toch de juiste netfrekwentie produceert. Hier ook is de netspanning enkel nog bepaald door de ankerstroom, die gemakkelijk gewijzigd kan worden. Deze generator heeft geen slip, de electronika past de frekwentie van de rotorstroom constant aan.

Het rendement van de generator ligt hoger als die hypersynchroon draait. Vanaf een bepaalde rotatiesnelheid boven de synchrone snelheid levert het anker ook vermogen af, die eventueel naar het net gestoken kan worden, als men een dubbelzijdige omvormer-gelijkrichter gebruikt met 4-kwadrantenwerking.

De lijst met alle soorten generatoren staat hier.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's