Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei eoliene ...ep.etc.tuiasi.ro/site/Electronica...

7
1 Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei eoliene în energie electrică, sincron cu rețeaua de curent alternativ În Figura 1 este prezentată cea mai simplă arhitectură de sistem de conversie a energiei eoliene în energie electrică. Ea conţine: pale de vânt, Generator Sincron cu Magneţi Permanenţi (GSMP), redresor necomandat, condensator pentru filtrarea tensiunii, rezistenţă de sarcină şi bloc de control a tensiunii de pe rezistenţa de sarcină. Turbina eoliană este formată din Generatorul Sincron cu Magneţi Permanenţi (GSMP) ce lucrează la viteză variabilă. Sarcina de curent continuu este un rezistor conectat printr-un bloc de control, la redresor. Energia generată de turbina eoliană este alternativă, cu amplitudine şi frecvenţă variabilă. Redresorul este necomandat, astfel încât rata de conversie din energie alternativă în energie continuă este fixă. Blocul de control a fost introdus pentru a deconecta rezistenţa de sarcină în cazurile în care tensiunea de pe rezistenţa de sarcină este prea mare sau prea mică decât nişte valori limită impuse. În Figura 2 este prezentat un sistem complet de conversie a energiei eoliene, ce permite la ieşirea acestuia conectarea consumatorilor de energie alternativă. În Figura 3 se dă schema bloc a sistemului (folosit în Laborator) de conversie a energiei eoliene în energie electrică cu invertor sincron cu rețeaua de curent alternativ. Invertorul sincron este folosit pentru a injecta energie în rețeaua națională de energie electrică. GSMP Trifazata a Alternativ Tensiune NT A V Redresor DC V GSMP = Generator Sincron cu Magneti Permanenti control pentru rezistenta de sarcina Condensator Rezistenta de sarcina Fig. 1 Configuraţia 1, formată din GSMP, Redresor şi sarcină de c.c. GSMP Trifazata a Alternativ Tensiune NT A V Redresor DC V GSMP = Generator Sincron cu Magneti Permanenti control supratensiuni Condensator Rezistenta de balast + - Baterie de acumulatori Rezistenta de sarcina c.c. - c.c. Convertor Invertor controlul incarcarii acumulatorilor Fig. 2 Configuraţia 2, formată din GSMP, Redresor, acumulatori, convertor c.c.-c.c., invertor c.c.-c.a. şi sarcină de c.a.

Transcript of Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei eoliene ...ep.etc.tuiasi.ro/site/Electronica...

Page 1: Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei eoliene ...ep.etc.tuiasi.ro/site/Electronica Industriala/referate laborator/new01... · Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei

1

Laboratorul nr. 2

Sistem de conversie a energiei eoliene în energie electrică,

sincron cu rețeaua de curent alternativ

În Figura 1 este prezentată cea mai simplă arhitectură de sistem de conversie a energiei eoliene în energie electrică. Ea conţine: pale de vânt, Generator Sincron cu Magneţi Permanenţi (GSMP), redresor necomandat, condensator pentru filtrarea tensiunii, rezistenţă de sarcină şi bloc de control a tensiunii de pe rezistenţa de sarcină.

Turbina eoliană este formată din Generatorul Sincron cu Magneţi Permanenţi (GSMP) ce lucrează la viteză variabilă. Sarcina de curent continuu este un rezistor conectat printr-un bloc de control, la redresor. Energia generată de turbina eoliană este alternativă, cu amplitudine şi frecvenţă variabilă. Redresorul este necomandat, astfel încât rata de conversie din energie alternativă în energie continuă este fixă. Blocul de control a fost introdus pentru a deconecta rezistenţa de sarcină în cazurile în care tensiunea de pe rezistenţa de sarcină este prea mare sau prea mică decât nişte valori limită impuse. În Figura 2 este prezentat un sistem complet de conversie a energiei eoliene, ce permite la ieşirea acestuia conectarea consumatorilor de energie alternativă. În Figura 3 se dă schema bloc a sistemului (folosit în Laborator) de conversie a energiei eoliene în energie electrică cu invertor sincron cu rețeaua de curent alternativ. Invertorul sincron este folosit pentru a injecta energie în rețeaua națională de energie electrică.

GSMP

Trifazata

aAlternativ

Tensiune

NTAV∧ Redresor DCV

GSMP = GeneratorSincron cu Magneti

Permanenti

control pentrurezistenta de

sarcina

Condensator

Rezistenta

de sarcina

Fig. 1 Configuraţia 1, formată din GSMP, Redresor şi sarcină de c.c.

GSMP

Trifazata

aAlternativ

Tensiune

NTAV∧ Redresor DCV

GSMP = GeneratorSincron cu Magneti

Permanenti

controlsupratensiuni

Condensator

Rezistentade balast

+

-

Baterie deacumulatori

Rezistentade sarcina

c.c.-c.c.

ConvertorInvertor

controlulincarcarii

acumulatorilor

Fig. 2 Configuraţia 2, formată din GSMP, Redresor, acumulatori, convertor c.c.-c.c., invertor c.c.-c.a. şi sarcină de c.a.

Page 2: Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei eoliene ...ep.etc.tuiasi.ro/site/Electronica Industriala/referate laborator/new01... · Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei

2

Fig. 3 Sistem de conversie a energiei eoliene în energie electrică

Tablou General de

sigurante LaboratorElectronica Industriala

R

S

T

3

MD11

10A

10A

10A

comutator

sigurante

automate

MC6

b3

b4

PORNIT

STOP

W

MW11

Invertor

Trifazat

OMRON

V1000

MotorGSMP

cupla

MC2

comutator

V

R S T

R

S

T

W

MW12

masurare

putereinstantanee

MS3

10A

10A

sigurante

automate

+

-

A

MA5

10A

MV7

+-

+-

-+

+-

-+

+-

288V

276V

252V

228V

204V

156V

96V

MD12

10A

10A

sigurante

automate

comutator

+

-

Invertor

Windy Boy

sincron cu

reteaua de

curent

alternativ

+

-

max. 1700W

FAZA

NULbec

75W

contor

monofazat

cu disc

KWh

retea deacumulatori de 12V

MD13

10A

10A

comutator

A

MA9

4A

V

MV5

220V

prizamonofazata

FAZA

NUL

Legenda: conexiuni caretrebuie facute

conexiuni caresunt deja facute

1

1conexiune care poatefi facuta cu scopul dea renunta la utilizarearetelei de acumulatori

380V

BAT.

MC3

Page 3: Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei eoliene ...ep.etc.tuiasi.ro/site/Electronica Industriala/referate laborator/new01... · Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei

3

Schema bloc din Figura 3 conține următoarele blocuri:

1. Tablou General de siguranțe din Laboratorul de Electronică Industrială. 2. MD11 - Bloc de siguranțe automate de 10A și comutator general. 3. MC6 - Bloc de Pornire / Oprire sistem de conversie. 4. MW11 - Watt-metru trifazat (energie absorbită de la rețea) 5. Invertor Trifazat OMRON V1000 (intrare tensiune trifazată - ieșire tensiune trifazată). 6. Motor Trifazat Asincron de 1,5KW folosit pentru antrenarea mecanică a GSMP-ului. 7. GSMP - Generator Sincron cu Magneți Permanenți (turbina eoliană FORTIS

PASSAAT de 1,4KW). 8. MC2 - Bloc comutator. 9. MV7 - Voltmetru de tensiune alternativă (VRMS). 10. MW12 - Watt-metru trifazat (energie debitată de turbina eoliană). 11. MS3 - Redresor trifazat în punte. 12. MA5 - Ampermetru 10A. 13. BAT - Rețea de acumulatori conectați în serie folosiți în scopul de a stoca energie. 14. MD12 - Bloc de siguranțe automate de 10A și comutator. 15. Invertor Windy Boy sincron cu rețeaua de curent alternativ. 16. Bec - 75W. 17. MC3 - Contor monofazat cu disc (permite rotirea discului în ambele direcții). 18. MD13 - Bloc de siguranțe automate de 10A și comutator. 19. MA9 - Ampermetru 4A. 20. MV5 - Voltmetru de tensiune alternativă (VRMS). 21. Priză monofazată (Fază, Nul). Elementul principal al aceste Lucrări de laborator este Generatorul Sincron cu

Magneți Permanenți - GSMP (turbina eoliană). În Figura 4 se dă o secțiune transversală a unui GSMP iar în Figura 5 este prezentat rotorul cu Magneți Permanenți a unui GSMP.

Fig. 4 Secțiune transversală GSMP Fig. 5 Rotor GSMP cu 4 perechi de poli

Page 4: Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei eoliene ...ep.etc.tuiasi.ro/site/Electronica Industriala/referate laborator/new01... · Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei

4

Un Generator Sincron cu Magneți Permanenți (GSMP) este un generator a cărui câmp de excitație este produs de un magnet permanent (de obicei montat pe rotor). Termenul de sincron se referă la faptul că rotorul și câmpul magnetic se rotesc cu aceeași viteză deoarece câmpul magnetic este generat de rotor pe care este montat un magnet permanent, câmp magnetic care străbate spirele înfășurărilor statorice. Legea lui Faraday Tensiunea v(t) ce este indusă într-o spiră (stator) este proporţională cu variaţia fluxului (produsă de magnetul permanent al rotorului) total Ф(t) ce trece prin acea spiră.

( )( )

( )td

tdtv

Φ=

Pentru un flux uniform distribuit putem scrie: ( ) ( ) cAtBt ⋅=Φ . Înlocuind, avem:

( )( )

dt

tBdAtv c=

Conform legii lui Faraday, pentru fiecare spiră, putem scrie că:

( )( )

dt

tdtvspira

Φ=

Tensiunea totală aplicată este:

( ) ( )( )

dt

tdntvntv spira

Φ⋅=⋅=

Pentru un flux uniform distribuit putem scrie:

( ) ( ) cAtBt ⋅=Φ . Înlocuind, avem:

( )( )

dt

tdBAntv c ⋅⋅=

Generatoarele sincrone sunt de obicei folosite pentru a obține puteri de ieșire mici/medii (până la 10KW) și sunt folosite pentru conversia energiei mecanice produsă de turbine cu aburi, turbine cu gaz, turbine hidroelectrice - în energie electrică. Turbinele eoliene de mare putere folosesc exclusiv generatoare asincrone de tip DFIG (Doubly-Fed Induction Generator) sau SCIG (Squirrel Cage Induction Generator). În cele mai multe cazuri de construcție GSMP, rotorul este partea mobilă și conține magnetul permanent iar statorul este format din bobine ce produc energie. Bobinele statorice sunt aranjate/poziționate (pentru cazul unui generator cu o pereche de poli) între ele la 180°

{( )tfluxul Φ

suprafaţa Ac

( )tv+

( )tiaria circuitului

magnetic

Φ

+

( )tv nspire

material magnetic µmagnetica

tatepermeabili

Page 5: Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei eoliene ...ep.etc.tuiasi.ro/site/Electronica Industriala/referate laborator/new01... · Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei

5

sau 120° pentru a obține tensiune monofazată sau trifazată. Conform Legii lui Faraday mai sus amintite, spirele statorice străbătute de câmp magnetic variabil produc energie cu atât mai mare cu cât viteza de variație a câmpului magnetic este mai mare și numărul de spire este mai mare:

( ) ( )( )

dt

tdntvntv spira

Φ⋅=⋅=

Tensiunea produsă de spirele statorice are o frecvență dependentă de viteza de rotație a rotorului (RPM - rotații pe minut), astfel:

( )120

PF Hz RPM= , unde P = este numărul de perechi de poli pentru înfășurările statorice

120 = 60 [secunde] * 2 [poli ai magnetului: Nord și Sud] Desfășurarea lucrării de laborator:

1) Se cuplează siguranțele automate (1) [vezi Fig. 6] de pe panoul MD11[vezi Fig. 3]. 2) Se cuplează în poziția 1 comutatorul (2) [vezi Fig. 6] de pe panoul MD11[vezi Fig. 3]. 3) Se apasă butonul b3 (START) (3) [vezi Fig. 6] de pe panoul MC6[vezi Fig. 3]. În acest moment are loc alimentarea Invertorului Trifazat OMRON V1000. Apăsând pe butoanele aflate pe panoul de comandă al Invertorului se setează viteza de rotație a Motorului ce antrenează Turbine eoliană. 4) Se apasă butonul LO/RE aflat pe panoul Invertorului OMRON (3) [vezi Fig. 6]. 5) Se apasă butonul ENTER pentru a intra în meniul de modificare a turației motorului. 6) Se apasă butoanele pentru a alege frecvența/viteza de rotație a motorului.

60*[ ]

.

FrecventaViteza motor rpm

nr Perechi Poli motor= unde nr. Perechi Poli motor = 2 (ct. motor)

[rpm] înseamnă rotații pe minut 7) Se apasă butonul ENTER pentru a confirma valoarea selectată a turației motorului. 8) Se apasă butonul pentru a porni rotirea Motorului Asincron Trifazat.

9) Se repetă pasul 6) și 7) pentru a studia comportamentul Turbinei Eoliene la diferite rotații ale acesteia. Rolul Motorului Asincron Trifazat este a antrena Turbina Eoliană, deci de a simula forța vântului - în cazul în care Turbina Eoliană ar fi fost montată afară. Atenție: să nu se depășească pentru Frecvență valoarea 10, deoarece valoarea tensiunii

generată de Turbina Eoliană ar fi mare (peste 200V).

Pentru valori ale Frecvenței de la 1 la 10 se va calcula valoarea [rpm] a Motorului și se va măsura tensiunea generată de Turbina Eoliană (se va folosi voltmetrul MV7 din Fig. 3).

RUN

Page 6: Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei eoliene ...ep.etc.tuiasi.ro/site/Electronica Industriala/referate laborator/new01... · Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei

6

10) Se realizează conexiunile electrice desenate cu albastru în schema din Fig. 3. Se poate realiza conexiunea pentru a nu folosi rețeaua de acumulatori. Sunt necesare fire de conexiune de la blocul MS3 la MD12.

11) Se activează siguranțele automate și se cuplează în poziția 1 comutatorul de pe panoul MD12[vezi Fig. 3]. În acest moment este alimentat Invertorul Sincron Windy Boy. 12) Se introduce în priza monofazată cablul electric prin care se va genera energie în sistem. Se va observa că până Invertorul Sincron Windy Boy este sincron cu rețeaua de energie a sistemului național de electricitate (timp de aprox. 2 minute), becul electric de 75W consumă energie și Contorul Monofazat cu disc MC3[vezi Fig. 3] se va roti în sensul săgeții de pe ecran. 13) După ce se sincronizează cu rețeaua Invvertorul monofazat Windy Boy, acesta va genera în rețea energie produsă de Turbina Eoliană. Se va observa în acest moment că discul contorului MC3 se va roti în sensul invers săgeții de pe panoul contorului. 14) Se vor repeta pașii 6) și 7) pentru a modifica Frecvența de rotație (de la 5 la 10) a motorului pentru a măsura puterea generată în rețea de Invertorul Sincron Windy Boy. Oprirea lucrării de Laborator: 15) Se apasă butonul pentru a opri rotirea Motorului Asincron Trifazat.

16) Se apasă butonul b4 (STOP) (5) [vezi Fig. 6] de pe panoul MC6[vezi Fig. 3]. 17) Se cuplează în poziția 0 comutatorul (2) [vezi Fig. 6] de pe panoul MD11[vezi Fig. 3]. 18) Se decuplează siguranțele automate (1) [vezi Fig. 6] de pe panoul MD11[vezi Fig. 3].

1

1

2

3

45

Fig. 6 Panou de comandă

STOP

Page 7: Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei eoliene ...ep.etc.tuiasi.ro/site/Electronica Industriala/referate laborator/new01... · Laboratorul nr. 2 Sistem de conversie a energiei

7

Fig. 7 Standul de Laborator al circuitului de conversie al energiei eoliene în energie electrică

Fig. 6 Ansamblul Motor (dreapta) - Turbina Eoliana (stânga)