Come posso fissare la velocità di un generatore?

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Se devo generare energia a una frequenza specificata, devo assicurarmi che il rotore del generatore ruoti a una velocità specificata (giri / min). Ma quando lo sto ruotando con vapore o acqua, come posso controllare questa velocità? Mi sembra che le forze meccaniche che ruotano il generatore debbano in qualche modo bilanciarsi per raggiungere questo obiettivo. Com'è fatto esattamente?

electric-machine

— praveen kr
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Con una sorta di acceleratore sul motore principale, regolato in modo che la potenza in sia uguale a potenza (più perdite interne).

— Dave Tweed

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Sono abbastanza sicuro che i grandi generatori collegati alla rete siano forzati nella sincronicità dall'influenza di tutte le altre cose collegate alla rete; se il generatore rallenta, ci sarebbe una coppia del motore applicata dalla rete elettrica che la riporta indietro alla velocità sincrona, e allo stesso modo se accelera. Questo è di per sé un problema piuttosto che una soluzione, perché se il tuo generatore inizia a funzionare come motore è probabile che si rompa se stesso o le cose attaccate al suo albero; non è fatto per funzionare così.

— Hearth

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Il governatore del flyball sul motore a vapore di Watt non stava essenzialmente facendo questo attraverso un feedback meccanico?

— UuDdLrLrSs

Più velocemente il generatore cerca di girare, più corrente puoi attingere da esso per rallentarlo. Ciò richiede ovviamente un carico variabile.

— user253751

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Questo è terribilmente ampio per una domanda. In breve, le opzioni sono di variare la potenza in ingresso, variare il carico o dimenticare del tutto la regolazione della frequenza e fare qualcos'altro (utilizzare un carico CC, un carico a cui non interessa la frequenza o utilizzare un trasformatore di frequenza). Non credo sia possibile scegliere ragionevolmente un'opzione dato che hai divulgato zero informazioni sul tuo sistema.

— Dmitry Grigoryev il

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elettricamente

Alcuni sistemi lo fanno elettricamente. Il generatore genera CC, oppure la CA a frequenza variabile viene rettificata per produrre CC, quindi un inverter produce la frequenza CA desiderata. Comune su turbine eoliche più moderne.

Meccanicamente

Altri sistemi sono controllati meccanicamente per ottenere la frequenza desiderata. Il meccanismo utilizzato sarebbe chiamato governatore . I regolatori meccanici più semplici non sono molto precisi, quindi questo non sarebbe abbastanza buono per un dispositivo collegato alla rete. È anche possibile creare regolatori più precisi che funzionano meccanicamente in modo simile al paragrafo seguente, che sono comunemente utilizzati sui motori a combustione interna.

Con feedback

Un altro approccio, e probabilmente il più comune, è di avere una qualche forma di feedback. Un microcontrollore monitora la frequenza generata e regola il sistema meccanico tramite una qualche forma di servo per ottenere la frequenza corretta. Ad esempio, potrebbe aprire e chiudere un cancello chiuso per regolare il flusso d'acqua attraverso una turbina. Un sistema più complicato potrebbe regolare sia una saracinesca che le pale della turbina per mantenere la frequenza corretta variando anche la potenza di uscita.

Griglia Funzionamento sincrono

In alcuni casi, potrebbe non essere affatto necessario. Se hai una piccola turbina eolica, collegata alla rete elettrica vicino a una centrale elettrica a carbone, potresti semplicemente collegarla e dimenticartene. Le enormi turbine della centrale elettrica stabilizzeranno la frequenza di rete e fisseranno la velocità di rotazione della turbina eolica. Se il vento soffia più forte, otterrai solo più corrente e un leggero spostamento del fattore di potenza. Si noti che man mano che vengono aggiunte sempre più turbine eoliche, le persone che gestiscono la centrale diventeranno sempre più felici di questo, quindi l'operatore di rete alla fine lo vieterà.

— Jack B
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Vale probabilmente la pena menzionare qui le macchine a induzione a doppia alimentazione. Utilizzano contemporaneamente una macchina a induzione sia come generatore che come convertitore rotante per mantenere costante la frequenza di uscita con frequenze di ingresso variabili.

— Hearth

@Felthry Non li ho inclusi perché non li conosco a sufficienza. Sentiti libero di proporre una modifica però.

— Jack B,

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Vorrei, ma la risposta di Andy si occupa già di questo.

— Hearth

Forse vale la pena notare che in pratica, molti / molti di questi accadranno contemporaneamente. I cambiamenti di rete inizialmente causeranno strani flussi / fattori di potenza, i sistemi di feedback risponderanno dopo qualche ritardo, i regolatori di livello grossolano applicheranno / rimuoveranno i freni se necessario.

— mbrig,

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Se devo generare energia a una frequenza specificata, devo assicurarmi che il rotore del generatore ruoti a una velocità specificata (giri / min).

No, questo non è necessariamente vero. Molti generatori eolici utilizzano un generatore a induzione doppiamente alimentato (DFIG) e che può regolare la frequenza controllando l'avvolgimento del rotore: -

Possono convertire la potenza ad una frequenza in un'altra frequenza, cioè possono produrre 50/60 Hz anche se il rotore potrebbe funzionare troppo lentamente. Questo viene fatto tramite l'iniezione di una corrente CA nelle bobine del rotore. Il sistema di controllo che ne consegue può anche essere in grado di modificare l'angolo di inclinazione della turbina come un altro mezzo per aumentare o diminuire la velocità di rotazione meccanica.

Per ulteriori informazioni, leggere questa risposta EE .

Ma quando lo sto ruotando con vapore o acqua, come posso controllare questa velocità?

Ci possono essere situazioni in cui la velocità di rotazione è eccessiva e sebbene DFIG sia in grado di gestirlo, è meglio avere un approccio combinato come il controllo dell'angolo di inclinazione mostrato nella figura sopra.

Tuttavia, l'inevitabile linea di fondo è che se si dispone di una fonte abbondante di energia meccanica e una richiesta di carico molto ridotta in quel momento, è necessario sganciare il generatore dalla rete. Se non si "possiede" una rete, è necessario disporre di una riserva di backup in grado di soddisfare la richiesta di bassa potenza e questo di solito significa un generatore diesel o energia solare tramite un inverter.

— Andy aka
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Ecco a cosa serve un governatore .

La versione meccanica è un dispositivo che utilizzerà la forza centrifuga o un soffiatore per azionare l'acceleratore / aspirazione per rallentare il motore quando la velocità sale troppo.

Puoi renderlo elettronico con un sensore RPM e una valvola a farfalla / aspirazione controllata elettronicamente.

— maniaco del cricchetto
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La limitazione meccanica dell'ingresso con un freno genera calore e spreca potenza di ingresso ....

— rackandboneman

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@rackandboneman non ne sta parlando, e non è così che funzionano i governatori.

— Harper - Ripristina Monica l'

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Per essere onesti, alcuni governatori lavorano usando la frenata, tuttavia per i generatori dovresti regolare l'energia meccanica generata invece di sprecarla.

— maniaco del cricchetto,

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Nella mia (limitata) esperienza nella progettazione di generatori, devi considerare diversi fattori:

Velocità di input meccanico (turbina, ruota ecc.)
Potenza di input meccanico
Tensione di uscita
Corrente di uscita
Potenza di uscita (che dipende dalla tensione e dalla corrente, ma di solito si desidera massimizzarla, al punto di massima potenza)

In molti casi ciò che si desidera mantenere è un'uscita di tensione costante, che varierà con il carico elettrico; una corrente più elevata farebbe cadere l'uscita.

Nel tuo setup, ti preoccupi solo della velocità dell'albero (per qualsiasi motivo). Ci sono due modi per farlo: controllare la potenza in ingresso o controllare la potenza in uscita.

Se sai che la tua potenza meccanica sarà sempre superiore alla potenza di uscita, potresti utilizzare un regolatore o simile, che limiterà la potenza dell'albero per mantenere costante la velocità. Questo controllerà la potenza in ingresso in modo semplice.

Se non puoi garantire che i tuoi input meccanici siano più alti, dovrai limitare la tua potenza di output in qualche modo. L'ho fatto dove abbiamo controllato la corrente di uscita tramite un controller di feedback PID per mantenere la velocità dell'albero a valori fissi. Ma quello era in un sistema a corrente continua, dove avevamo una batteria di grandi dimensioni per spingere la corrente durante i tempi di approvvigionamento elevati e attingere durante i tempi di rifornimento più bassi.

— Puffafish
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Questo non è il modo in cui viene fatto, ma è un modo in cui potrebbe essere fatto: varia il carico al fine di modulare la velocità.

Potete immaginare un banco di carico ausiliario (potenzialmente molto grande) oltre al carico normale, con la fonte di alimentazione in ingresso dimensionata in modo tale da fornire almeno abbastanza energia per il carico normale in tutte le condizioni. Questo non è del tutto impensabile per gli impianti idraulici, poiché la testa è il solito determinante. Quindi, poiché il carico e l'ingresso variano, la banca ausiliaria viene controllata in modo tale che la domanda totale sul generatore produca un carico meccanico sull'ingresso che mantiene la frequenza di uscita nel punto desiderato.

E no, questo non è un suggerimento serio, ma potrebbe essere fatto.

— WhatRoughBeast
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Quindi la banca ausiliaria potrebbe essere utilizzata per pompare dell'acqua in salita? Sembra stupido, ma non è lo stesso di caricare una batteria?

— Sono l'

@amI: È simile, ma l' idroelettricità ad accumulo è una scelta intelligente perché costa molto meno delle batterie che sarebbero necessarie per immagazzinare la stessa quantità di energia.

— davidcary,

Lo stoccaggio è buono, ma non si dovrebbe mai spegnere un caricabatterie dalla batteria stessa (pompa idroelettrica usando energia idroelettrica). Immagino che il carico ausiliario debba essere un cliente "controllato" (che è disposto ad accettare un dazio <100%).

— sono il