Wie lege ich die Drehzahl eines Generators fest?

Wenn ich Leistung mit einer bestimmten Frequenz erzeugen muss, muss ich sicherstellen, dass sich der Rotor des Generators mit einer bestimmten Drehzahl (U / min) dreht. Aber wie steuere ich diese Geschwindigkeit, wenn ich sie mit Dampf oder Wasser drehe? Mir scheint, dass sich die mechanischen Kräfte, die den Generator drehen, irgendwie ausgleichen müssen, um dies zu erreichen. Wie genau geht das?

Elektrisch

Einige Systeme machen dies elektrisch. Der Generator erzeugt entweder Gleichstrom oder der Wechselstrom mit variabler Frequenz wird gleichgerichtet, um Gleichstrom zu erzeugen, und dann erzeugt ein Wechselrichter die gewünschte Wechselstromfrequenz. Häufig bei moderneren Kleinwindkraftanlagen.

Mechanisch

Andere Systeme werden mechanisch gesteuert, um die gewünschte Frequenz zu erhalten. Der verwendete Mechanismus würde als Gouverneur bezeichnet . Die meisten einfachen mechanischen Regler sind nicht sehr genau, was für ein netzgekoppeltes Gerät nicht ausreicht. Es ist auch möglich, genauere Regler herzustellen, die ähnlich wie im folgenden Absatz mechanisch arbeiten. Diese werden üblicherweise bei Verbrennungsmotoren verwendet.

Mit Rückmeldung

Ein anderer Ansatz, der wahrscheinlich am häufigsten vorkommt, ist Feedback. Ein Mikrocontroller überwacht die erzeugte Frequenz und stellt das mechanische System über eine Art Servo ein, um die richtige Frequenz zu erhalten. Beispielsweise könnte ein Schleusentor geöffnet und geschlossen werden, um den Wasserfluss durch eine Turbine einzustellen. Ein komplizierteres System könnte sowohl ein Schleusentor als auch die Turbinenschaufeln so einstellen, dass die richtige Frequenz erhalten bleibt und gleichzeitig die Ausgangsleistung variiert wird.

Netzsynchroner Betrieb

In einigen Fällen ist dies möglicherweise überhaupt nicht erforderlich. Wenn Sie eine kleine Windkraftanlage in der Nähe eines Kohlekraftwerks an das Stromnetz angeschlossen haben, können Sie sie einfach anschließen und vergessen. Die riesigen Turbinen im Kraftwerk stabilisieren die Netzfrequenz und regeln die Drehzahl der Windenergieanlage. Wenn der Wind stärker weht, erhalten Sie nur mehr Strom und eine leichte Verschiebung des Leistungsfaktors. Beachten Sie, dass die Leute, die das Kraftwerk betreiben, immer weniger glücklich darüber sind, wenn immer mehr Windturbinen hinzugefügt werden, sodass der Netzbetreiber es schließlich verbieten wird.

Wenn ich Leistung mit einer bestimmten Frequenz erzeugen muss, muss ich sicherstellen, dass sich der Rotor des Generators mit einer bestimmten Drehzahl (U / min) dreht.

Nein, das ist nicht unbedingt wahr. Viele Windkraftanlagen verwenden einen doppelt gespeisten Induktionsgenerator (DFIG), der die Frequenz durch Steuerung der Rotorwicklung regeln kann:

Sie können Leistung bei einer Frequenz in eine andere Frequenz umwandeln, dh sie können 50/60 Hz erzeugen, obwohl der Rotor möglicherweise zu langsam läuft. Dies erfolgt durch Einspeisen eines Wechselstroms in die Rotorspulen. Das Steuersystem, das dies erreicht, kann auch den Nickwinkel der Turbine als ein anderes Mittel zum Erhöhen oder Verringern der mechanischen Drehzahl ändern.

Für weitere Informationen lesen Sie bitte diese EE-Antwort .

Aber wie steuere ich diese Geschwindigkeit, wenn ich sie mit Dampf oder Wasser drehe?

Es kann Situationen geben, in denen die Drehzahl zu hoch ist, und obwohl die DFIG damit umgehen kann, ist es am besten, einen kombinierten Ansatz wie die im obigen Bild gezeigte Nickwinkelsteuerung zu verwenden.

Unter dem Strich ist es jedoch unumgänglich, dass Sie den Generator vom Netz trennen müssen, wenn Sie zu diesem Zeitpunkt über eine reichliche mechanische Energiequelle und einen sehr geringen Lastbedarf verfügen. Wenn Sie kein Netz "haben", müssen Sie eine Notstromversorgung haben, die den geringen Strombedarf decken kann, und dies bedeutet normalerweise einen Dieselgenerator oder Solarstrom über einen Wechselrichter.

Dafür ist ein Gouverneur da .

Die mechanische Version ist ein Gerät, das die Fliehkraft oder ein Gebläse verwendet, um die Drossel / den Einlass zu betätigen, um den Motor zu verlangsamen, wenn die Geschwindigkeit zu stark ansteigt.

Sie können es mit einem Drehzahlsensor und einer elektronisch gesteuerten Drosselklappe / Ansaugung elektronisch machen.

In meiner (begrenzten) Erfahrung mit der Konstruktion von Generatoren müssen Sie mehrere Faktoren berücksichtigen:

• Geschwindigkeit des mechanischen Eingangs (Turbine, Rad usw.)

• Kraft der mechanischen Eingabe

• Ausgangsspannung

• Ausgangsstrom

• Ausgangsleistung (die von Spannung und Strom abhängt, aber normalerweise an einem Spitzenleistungspunkt maximiert werden soll)

In vielen Fällen möchten Sie eine konstante Ausgangsspannung aufrechterhalten, die mit der elektrischen Last variiert. Ein höherer Strom würde die Ausgangsleistung verringern.

In Ihrem Setup ist Ihnen nur die Drehzahl der Welle wichtig (aus welchem ​​Grund auch immer). Hierzu gibt es zwei Möglichkeiten: Steuern der Eingangsleistung oder Steuern der Ausgangsleistung.

Wenn Sie wissen, dass Ihre mechanische Leistung immer über der Ausgangsleistung liegt, können Sie einen Regler oder Ähnliches verwenden, der die Wellenleistung begrenzt, um die Drehzahl konstant zu halten. Dadurch wird die Eingangsleistung auf einfache Weise gesteuert.

Wenn Sie nicht garantieren können, dass Ihr mechanischer Eingang höher ist, müssen Sie Ihre Ausgangsleistung auf irgendeine Weise begrenzen. Ich habe es getan, wo wir den Ausgangsstrom über einen PID-Rückkopplungsregler gesteuert haben, um die Wellendrehzahl auf festen Werten zu halten. Dies war jedoch in einem Gleichstromsystem der Fall, in dem wir während hoher Versorgungszeiten eine große Batterie hatten, in die der Strom eingespeist werden konnte, und während geringerer Versorgungszeiten aus der Batterie entnommen werden konnte.

Das ist nicht so , wie es ist getan, aber es ist eine Möglichkeit , es könnte geschehen: variiert die Last, um die Geschwindigkeit zu modulieren.

Sie können sich zusätzlich zur normalen Last eine (möglicherweise sehr große) Hilfslastbank vorstellen, deren Eingangsstromquelle so dimensioniert ist, dass sie unter allen Bedingungen mindestens genug Strom für die normale Last liefert. Dies ist für Wasserkraftanlagen nicht völlig undenkbar, da der Kopf die übliche Determinante ist. Wenn sich dann die Last und der Eingang ändern, wird die Hilfsbank so gesteuert, dass der Gesamtbedarf des Generators eine mechanische Belastung des Eingangs erzeugt, die die Ausgangsfrequenz auf dem gewünschten Punkt hält.

Und nein, das ist kein ernsthafter Vorschlag, aber es könnte getan werden.