Generatoren - Duurzaam MBO

Wind Turbine Techniek 4
Generatoren
F.Broekhuijzen
ROC Flevoland – ROC Amsterdam
2 Wind Turbine Techniek 4
Inhoud
Windturbine generatoren:
 Het genereren van spanning
 Koelsysteem
 Starten en stoppen
 Ontwerpkeuze generatoren en aansluiting op het net
Synchrone machines :
 3 – fase generator of motorprincipes
 Synchrounus werking van de motor
 Windturbines met synchrone generatoren
 Meerpolige generator
 Synchrounus generator toerentallen
 Hoge of lage snelheid generatoren
Asynchrone generatoren (inductie):
 De kooirotor
 Werking van de motor
 Generator werking
 Generator slip
 Automatische poolaanpassing van de motor
 Aansluiting op het net is vereist
 Meerder generatorpolen
 Twee snelheden poolomschakelbare generatoren
 Variabele slip generatoren voor windturbines
 Opti slip
 De werking van een pitch gecontroleerde variabele snelheid generator
Aansluiting op het net:
 Indirecte aansluiting op het net
 Conversie naar direct current
 Conversie naar vaste freuqentie
 Filteren van de AC
 Voordelen van indirecte aansluiting op het lichtnet
 Nadelen van indirecte aansluiting op het lichtnet
Tandwielkasten voor de windturbine:
 Waarom het gebruik van een tandwielkast (versnellingsbak)
 Minder koppel meer snelheid
Controllers:
 De elektronische windturbine controller
 Communicatie met de buitenwereld
 Interne communicatie
 Veiligheid/storings mechanisme
 Wat wordt gemeten
 Stroomkwaliteit controle
 Aansluiting lichtnet en stroomkwaliteit
 Actieve stroomcontrole
 EMC
ROC Flevoland – ROC Amsterdam 3
Generatoren
4 Wind Turbine Techniek 4
Wind Turbine Generatoren
Een windturbine generator zet mechanische energie om in elektrische energie.
Wind turbine generatoren zijn een beetje anders als normale productie eenheden
die aan het net gekoppeld zijn. Één van de redenen is dat de generator
aangedreven wordt met de rotor (wieken) die erg wisselende mechanische
krachten oplevert.(koppel)
Vanaf hier wordt er vanuit gegaan dat u bekent bent met de basisprincipes van
elektriciteit,elektromagnetisme en met name wisselstroom.
http://www.virtueelpracticumlokaal.nl/draaistroom_nl/draaistroomgenerator_nl.
htm
http://www.virtueelpracticumlokaal.nl/ph_nl/generator_nl.htm
http://www.virtueelpracticumlokaal.nl/ph_nl/electricmotor_nl.htm
Het genereren van spanning :
Op grote winturbines (boven de 100-150KW) is de spanning die wordt opgewekt
meestal 690v drie fase wisselstroom (AC). De stroom wordt vervolgens
getransporteerd naar een transformator
in de mast of buiten de windmolen, wordt de spanning verhoogd naar 10.000 tot
30.000 volt, afhankelijk van het standaard lokale elektriciteitsnet. Grote
fabrikanten bieden windturbines modellen aan in 50Hz (het grootse deel van de
wereld) en in 60 Hz (Amerika).
http://www.virtueelpracticumlokaal.nl/transformator_nl/transformator_nl.htm
Koeling systeem:
Op de meeste wind turbines hebben generatoren in werking koeling nodig. Dit
verkrijgt men door de generator in te kapselen in een kanaal waar met een grote
ventilator koellucht geforceerd wordt geblazen en zo voor de koeling zorgt. Er zijn
ook fabrikanten die generatoren met waterkoeling levert. Maar dan moet er wel
een radiator geplaatst worden in de gondel.
Starten en stoppen:
Als men een grote windturbine die aangesloten is op het net, met een gewone
schakelaar uit of aan zou doen, zal er vrijwel zeker schade aan de generator,
versnellingsbak en het lichtnet ontstaan.
Op onderstaande link leert u hoe turbine ontwerpers met dit probleem omgaan.
http://guidedtour.windpower.org/en/tour/grid/rein.htm
Ontwerpkeuze in generatoren en aansluiting op het net:
Windturbines kunnen worden ontworpen met synchrone of asynchrone
generatoren, en met verschillende directe of indirecte aansluitingen op het net.
Directe aansluiting op het net betekent dat de generator direct is aangesloten op
de meestal 3 fase wisselspanning net (grid).
Indirecte aansluiting op het net betekent dat de opgewekte stroom eerst via een
aantal elektrische apparaten gaat. Deze apparaten zorgen er dan weer voor dat
de stroom overeenkomt met het lokale net. Met een asynchrone generator
gebeurt dit automatisch.
ROC Flevoland – ROC Amsterdam 5
Generatoren
Synchrone machines
3-fase generator (of motor) principes:
Alle 3 fase generatoren (motoren) maken gebruik van een roterend magnetisch
veld. Op de foto hebben we drie elektromagneten geïnstalleerd rond een cirkel.
Elk van de drie magneten is aangesloten op een eigen fase in het driefasen
elektriciteitsnet. Zoals u kunt zien kan elk van de drie elektromagneten
afwisselend een Noordpool en een Zuidpool creëren in de richting van het
centrum de letters zijn afgebeeld in zwart als magnetisme sterk is en grijs als het
magnetisme zwak is .De schommeling in magnetisme komt exact overeen met de
schommeling in de spanning van elke fase. Wanneer één fase op zijn hoogtepunt
is loopt de spanning bij de andere twee in tegenovergestelde richting. Het
magnetisch veld heeft zodoende een volledige omwenteling per cyclus.
Synchrone werking van de motor:
De kompasnaald met de Noordpool rood geverfd zal het magnetisch veld precies
volgen en één omwenteling per cyclus maken. Met een 50Hz motor zal de naald
50 omwentelingen per seconde maken dat is dus 50 maal 60 = 3000 rpm. Op
bovenstaande foto hebben we een 2 polige synchrone permanentmagneet motor
gebouwd De reden dat het wel een synchrone motor is dat de magneet in het
centrum op een constante snelheid zal draaien die synchroon is met de rotatie
van het magnetisch veld. De reden dat het een twee polige motor is komt om dat
het een noord en een Zuidpool heeft, als de kompasnaald boven staat ontstaat
daar een sterke Zuidpool en in de twee onderste magneten een gedeelde
Noordpool.
De reden dat het een permanent magneet motor is komt omdat de kompasnaald
(anker )eigenlijk bestaat uit een permanent magneet, al is het ook mogelijk om
een elektromagneet daar te plaatsen gevoed door gelijkstroom. Het deel waar de
drie magneten zijn geplaatst heet de stator en het deel waar de kompasnaald
getekend is heet de rotor (logisch om dat dit deel roteert) ook wel anker
genoemd.
Synchrone werking van de generator:
Als de rotor mechanisch aangedreven wordt in plaats van elektrisch zal je merken
dat het als een generator gaat werken, dus stroom op gaat wekken, Die
Alternating current ( AC ) terug geeft aan het net. Hoe meer kracht je gebruikt om
de generator aan te drijven hoe meer elektriciteit je opwekt.
6 Wind Turbine Techniek 4
Maar de generator zal altijd het zelfde toerental moeten draaien om synchroon
met het net te kunnen werken.
Je zou de generator van het net los kunnen koppelen en je eigen drie fase
elektriciteitsnet kunnen maken, maar als nog moet de turbine op een constant
toerental draaien om een wisselstroom met een constante frequentie te creëren.
Met dit type generator zou een aansluiting op een indirect elektriciteitsnet beter
zijn.
In de praktijk wordt een permanent magneet synchrone generatoren niet veel
gebruikt. Hier zijn verschillende redenen voor, één reden is dat de permanente
magneten worden gedemagnetiseerd door het draaien in de sterke magnetische
velden maar ook omdat permanent magneten worden gemaakt van dure
zeldzame materialen (Neodynium).
Windturbines met synchrone generatoren:
Windturbines die synchrone generatoren gebruiken, gebruiken meestal ankers
waar de magneten gevoed worden door het bestaande net , waar dan wel de
stroom omgezet moet worden van wissel naar gelijkstroom met behulp van een
gelijkrichter. De stroom wordt op de as overgedragen met behulp van
sleepcontacten en of koolborstels.
Een vier polige generator:
Een generator die direct aangesloten is op het lichtnet moet een constant
toerental hebben die synchroon loopt met de frequentie van het net ,zoals we in
de vorige les geleerd hebben. Als je in de stator het aantal magneten verdubbelt
zal het magnetisch veld voor de helft van het normale toerental gaan draaien
zoals op de foto duidelijk wordt gemaakt.
Deze generator heeft dus altijd 4 polen , twee zuid en twee noord. Omdat een 4
polige generator dus de helft van een omwenteling nodig heeft om een drie fase
cyclus af te ronden is het logisch dat hij 25 omwentelingen maakt per seconde
voor een 50 Hz net is dit dus 1500 omwentelingen per seconde.
Als we de magneten in de stator verdubbelen moeten we natuurlijk ook de
magneten in de rotor verdubbelen anders zullen ze elkaar gaan tegenwerken.
ROC Flevoland – ROC Amsterdam 7
Generatoren
Meer polige generatoren:
Het zal duidelijk zijn Dat we nu meerder magneten in de stator en de rotor
kunnen plaatsen.
Als we weer 3 magneten er bij plaatsen, met 9 magneten krijgen we een 6 polige
machine die een toerental zal hebben van 1000 rpm op een 50 Hz net. Het
resultaat is als volgt.
Synchrone generator toerentallen:
Aantal polen
2
4
6
8
10
12
50HZ
3000
1500
1000
750
600
500
60HZ
3600
1800
1200
900
720
600
De term Synchronous speed altenator , refereert dus naar de snelheid van de
turbine die synchroon loopt met de frequentie van het elektriciteitsnet. Het is
anders met de Asynchrone (inductie) motor waar het toerental gelijk moet zijn
aan het stationaire toerental van de generator
Hoge of lage snelheid generatoren?
De meeste windturbines zijn voorzien met vier of zes polen , De reden van deze
relatieve hoge snelheid generators zijn besparing op formaat en kosten.
Het maximale vermogen wat een turbine kan halen is afhankelijk van de
rotorvolume. (wieken). Voor stroom opwekking heeft men de keus uit een
langzaam lopend (kostbaar)of een snel lopende generator (goedkoper).
8 Wind Turbine Techniek 4
Asynchrone generatoren
(Inductie )
De meeste windturbines in de wereld maken gebruik van een zogenoemde drie
fase asynchrone generator, ook wel inductie generator genoemd voor het
opwekken van wisselstroom. Dit type generator wordt buiten de windindustrie
weinig gebruikt hooguit in kleine waterkracht centrales. Toch heeft de wereld er
veel ervaring mee omdat de generator eigenlijk ontworpen is als een
elektromotor voor het aandrijven van machines,ventilators, pompen, liften enz.
Een van de redenen om te kiezen voor deze generator is dat deze zeer
betrouwbaar is en relatief goedkoop, ook heeft deze generator een paar
mechanische eigenschappen die nuttig zijn voor windturbines. (generator slip en
een bepaalde overbelastbaarheid).
De kooirotor:
De kooirotor maakt het grote verschil met de synchrone motor en de asynchrone
motor. De rotor bestaat uit een aantal koperen en aluminium staven die op het
uiteinde elektrisch verbonden zijn met aluminium ringen.
inductie motor 1.pdf
inductiemotor 2.pdf
Werking van de motor:
Wanneer de stroom wordt aangesloten zal de machine gaan draaien als een
motor met een snelheid die net iets lager zal liggen dan de synchrone snelheid
van het roterende magnetisch veld van de stator. Wat gebeurt er
ROC Flevoland – ROC Amsterdam 9
Generatoren
Als we kijken naar de rotor staven op de foto hebben we een magnetisch veld
dat beweegt ten opzichte van de rotor. Dit leidt tot een zeer sterke stroom in de
rotor staven die weinig weerstand ondervinden omdat zij zijn kortgesloten met
de eindringen. De rotor ontwikkelt vervolgens zijn eigen magnetische polen die op
hun beurt weer worden meegesleurd door de elektromagnetische kracht van het
roterende magnetisch veld in de stator.
Generator werking:
Wat gebeurt er nu als we deze generator mechanisch aandrijven met een
toerental van precies 1500rpm net zoals een 4 - polige synchrone generator zoals
beschreven in de vorige les. Het antwoord is: Niets, omdat het magnetisch veld
roteert precies op de zelfde snelheid als de rotor. We zien geen inductiespanning
ontstaan in de rotor dus vindt er geen interactie plaats met de stator. Maar wat
als we het toerental van 1500rpm verhogen dan zal de rotor sneller gaan draaien
dan de roterende magnetische velden van de stator, wat betekent dat de stator
opnieuw een sterke stroom in de rotor opwekt, en hoe harder je de rotor draait
Hoe meer vermogen er als elektromagnetische kracht wordt overgedragen op de
stator, en op zijn beurt omgezet wordt in elektriciteit wat aan het net toegevoegd
kan worden.
Generatorslip:
De snelheid van de asynchrone motor zal variëren met de toegepaste draaiende
kracht (koppel). In de praktijk is het verschil tussen het maximale koppel en het
stationair vermogen erg klein, ongeveer 1%. Dit verschil in procenten van de
synchrone snelheid wordt wel de generator slip genoemd. Dus een 4 polige
generator draait 1500 toeren als het aangesloten is op een 50 Hz elektriciteitsnet.
Als de generator draait op zijn maximale kracht zal het 1515 toeren draaien. Het is
een zeer nuttige mechanische eigenschap dat generator zijn snelheid maar een
klein beetje verhoogt of verlaagt bij een variërend koppel. Dit betekent dat er
minder snel slijtage en schade aan de versnellingsbak ontstaat. Dit is één van de
belangrijkste reden dat er gekozen is voor een asynchrone generator in plaats van
een synchrone die meteen aangesloten kan worden op het net.
Automatische poolaanpassing van de rotor:
Is het je opgevallen dat we niet specifiek het aantal polen in de stator hebben
beschreven, het slimme aan de kooirotor is dat het zich automatisch aanpast aan
het aantal polen in de stator. De zelfde rotor kan dus gebruikt worden met een
wijde variëteit van het aantal polen.
Aansluiting op het lichtnet is vereist
Op de pagina over de synchrone permanent magneet motor laten we zien dat
deze generator op zich zelf kan draaien ook zonder aangesloten te zijn op het
openbare net. Een asynchrone generator is anders want de stator moet eerst
magnetisch gemaakt worden d.m.v. de elektriciteit van het net. Toch is het
mogelijk om de generator in een stand alone systeem te plaatsen. Het starten van
10 Wind Turbine Techniek 4
de generator geschiedt dan met behulp van condensatoren. Wel is het vereist dat
er nog wat magnetisme (remanence) aanwezig is in de magneten. Zo niet dan
heeft men een accu of een dieselgenerator nodig om het systeem te starten.
Meerdere generator polen
Je zult denken dat een generator met tweemaal zoveel polen is ook tweemaal zo
duur,maar dat is niet echt zo, de stators van motoren zijn over het algemeen al
ontwikkeld met vele stator magneten, zoals je ziet in het plaatje (plaatje is zonder
de koperen windingen)De reden voor zoveel magneten is om de luchtruimte
tussen de stator en rotor zo klein mogelijk te houden, en tegelijkertijd moet er
voldoende ruimte zijn om de magneten te koelen. Het stator ijzer bestaat in
werkelijkheid uit een groot aantal dunne (0,5mm) geïsoleerde platen die
gestapeld uiteindelijk het stator ijzer vormen. Deze gelaagdheid wordt gedaan om
ongewenste magnetische wervelingen te voorkomen die de efficiëntie van de
generator verminderen. Het probleem van meerdere generator polen is de
aansluiting daarvan zo wordt elke magneet opvolgend aangesloten. Dus steeds
een fase verspringen.
Twee snelheden pool omschakelbare generatoren:
Sommige fabrikanten gebruiken twee generators per windturbine, één voor lage
windsnelheden en één voor hoge windsnelheden. Een meer gemeenschappelijk
ontwerp op nieuwere machines is de pool- omschakelbare generatoren. D.w.z.
generatoren die (afhankelijk van hoe hun stator magneten zijn aangesloten)
kunnen worden uitgevoerd met een verschillend aantal polen, en daarmee een
ander toerental.
Sommige generatoren zijn speciaal gebouwd als een twee in één generator, deze
kunnen draaien op twee verschillende snelheden en bv. 400kw of 2000kw
ROC Flevoland – ROC Amsterdam 11
Generatoren
leveren. Dit ontwerp zie je steeds meer in de windindustrie. De keuze om deze
generator te instaleren hangt af van de plek waar de windturbine staat ( zie
lesboek 2 windturbine zetting).
De extra kosten van een twee snelheden pool omschakelbare generator moeten
afgewogen worden tegen de prijs van de energie die de eigenaar van de molen
krijgt (bij weinig wind is de opbrengst gering) Een groot voordeel van dit systeem
is het feit dat de turbine meer op een lage snelheid draait wat allereerst
aerodynamisch meer efficiënt is en er minder geluid van de rotor afkomt.
Wat leuk is om te weten: is dat bij jou thuis in de wasmachine ook zo’n soort
Elektromotor zit om de wasmachine verschillende snelheden te laten draaien.
En denk ook eens aan de ventilator van het afzuigsysteem met verschillende
snelheden.
Variabele slip generatoren voor windturbines:
Fabrikanten van elektrische motoren zijn voor vele jaren geconfronteerd met het
probleem dat hun motoren alleen kunnen worden uitgevoerd op vaste snelheden
, bepaald door het aantal polen in de motor. Zoals we op de vorige pagina’s
hebben geleerd is de slip in een a synchronische motor 1 % tussen vol vermogen
en stationair. De slip is echter een functie van de (DC) weerstand (gemeten in
ohm) in de rotor wikkelingen van de generator. Hoe hoger de weerstand hoe
hoger de slip. Dus een manier om de slip te kunnen verhogen is om de weerstand
te verhogen. Op deze manier kan de generator slip verhoogd worden met
bijvoorbeeld 10 procent.
Bij Electro motoren wordt dit meestal gedaan door wound motoren, dat wil
zeggen een rotor met wikkelingen van koperdraad, die zijn aangesloten als een
ster en is verbonden met externe variabele condensatoren, plus een elektronische
controle systeem om de weerstanden te bedienen. De verbinding is meestal
uitgevoerd met koolborstels en sleepringen. Dit is een groot nadeel van dit toch
eenvoudige ontwerp dat er onderdelen in zitten die verslijten, dus toch nog veel
onderhoud nodig hebben.
Opti slip:
Een interessante variant van de variabele slip inductie generatoren vermijdt het
probleem van de invoering van sleepringen, borstels , externe weerstanden, en
onderhoud geheel. Door de externe condensatoren op de rotor zelf te bevestigen
met de benodigde controle elektronica en deze te bedienen met behulp van
glasvezel communicatie die signalen door geeft elke keer als de rotor een
stilstaande glasvezelkabel passeert.
De werking van een pitch gecontroleerde turbine met variabele snelheid.
Zoals vermeld op de volgende pagina, zijn er een aantal voordelen om de
windturbine met variabele snelheid te laten draaien.
Een goede reden om de turbine uit te voeren met een pitch gecontroleerd
variabele snelheid is om de krachten (koppel) dat ontstaat op de versnellingsbak
en de generator te verminderen waardoor er minder slijtage optreed. Dit is een
mechanisch proces, dat betekent dat de reactietijd van de pitch (het regelen van
de winturbine bladen)een kritische factor in het turbine ontwerp is.
Maar dit wordt als volgt opgelost, Men laat de turbine draaien op de helft van de
slip als de turbine ongeveer op zijn nominale vermogen draait. Als er een
windvlaag komt geeft het controlemechanisme een signaal om de generator slip
te verhogen zodat de rotor iets sneller gaat draaien, waardoor het pitch
12 Wind Turbine Techniek 4
mechanisme de tijd krijgt om de windturbinebladen meer uit de wind te draaien.
Zodra het pitch mechanisme zijn werk gedaan heeft zal de slip weer dalen. Als de
wind plotseling weer daalt reageert het systeem in omgekeerde volgorde.
Dit lijkt een simpele oplossing maar je kan je voorstellen dat het een hele
uitdaging is om dit systeem mooi synchroon te laten werken.
Aansluiting op het net
Indirecte aansluiting op het net:
De meeste windturbines draaien met een constante snelheid met een directe
aansluiting op het net. Maar het is ook mogelijk om een windturbine indirect aan
te sluiten op het net. Waar de turbine draait op zijn eigen mini A.C. net zoals
geïllustreerd op de tekening.
Dit schema wordt elektronisch gecontroleerd met behulp van een omvormer
zodat de frequentie van de wisselstroom van de stator kan variëren gelijk met de
wind. Dit systeemkan met synchrone of asynchrone motoren worden uitgevoerd
en met versnellingsbak of zonder als de generator voorzien is met meerdere
polen.
Conversie naar direct current (DC);
Wisselstroom met een variabele frequentie kan niet aangesloten worden op het
openbare lichtnet. Daarom moet de frequentie eerst hersteld worden . dit doen
we door de wisselstroom eerst om te zetten naar gelijkstroom , met behulp van
thyristors of grote power transistors.
Conversie naar vaste frequentie (AC);
We zetten dan de gelijkstroom om in een wisselspanning d.m.v. een omvormer
met exact de zelfde frequentie als het openbare lichtnet. Deze conversie kan ook
gedaan worden met behulp van thyristors of transistors.
Thyristors of vermogens transistors zijn halfgeleiderschakelaars die operen zonder
mechanische onderdelen. De wisselstroom van uit een omvormer heeft nog geen
mooie gladde sinusvorming zoal te zien is in het plaatje hierboven. In plaats
daarvan krijgen we een reeks van sprongen in spanning en stroom.
Filteren van de AC;
De rechthoekige vorm van de sinus kan worden gladgestreken met behulp van
geschikte inductie condensatoren in een zogenaamde AC filter mechanisme. De
nog wat blokvormige sinus verdwijnt niet helemaal zoals hier onder uiteengezet.
ROC Flevoland – ROC Amsterdam 13
Generatoren
Voordelen van de indirecte aansluiting op het Lichtnet:
Het voordeel van indirecte aansluiting op het lichtnet is dat het mogelijk is om een
turbine te ontwerpen die toch stroom kan leveren ondanks de variabele
draaisnelheid. Het grootste voordeel is dus dat de turbine, hogere rotor
toerentallen toelaat bij windvlagen, dit moet niet verward worden met verhoogde
winsnelheid. Natuurlijk vereist dit wel een intelligente controle strategie. De
controller moet wel het onderscheid tussen een windvlaag en verhoogde
windsnelheid kunnen meten.
Het tweede voordeel is dat met de elektriciteit- elektronica het reactief vermogen
kan worden aangepast. Dat wil zeggen de fase verschuiving van het huidige AC
net spanning te beïnvloeden wat handig kan zijn als de turbine draait op een zwak
elektriciteitsnet.
Nadelen van de indirecte aansluiting op het lichtnet:
Het fundamentele nadeel van indirecte aansluiting op het lichtnet zijn de kosten.
Zoals hiervoor beschreven heb de turbine dus een gelijkrichter en
tweeomvormers ( converters ) nodig . Eén voor de stator en één voor de
controller. De kosten van de elektronica overschrijden het voordeel om meerdere
lichtere machines te bouwen. Maar dit kan veranderen als de elektronica kosten
in de toekomst verminderen.
Een ander nadeel is het energie verlies van het AC-DC-AC omzetting proces. En de
sinus vervuiling van het AC openbare net, gezien dat het filtersysteem nog niet
perfect is en de raster frequentie van het lichtnet verstoort.
Tandwielkasten voor windturbines
Waarom het gebruik van een versnellingsbak:
De kracht van de draaiing van de windturbine rotor ( wieken) wordt via een
aandrijflijn doorgegeven naar de generator. Dat wil zeggen d.m.v. de hoofdas, de
versnellingsbak en de snelle as, zoals we ook konden zien op de pagina met de
onderdelen van de windturbine.
Maar waarom kunnen we de hoofdas niet gelijk aansluiten op de generator. Wel
omdat als we gebruik maken van een gewone generator die rechtstreeks
aangesloten is op een 50Hz AC (wisselstroom) drie fasen net met twee vier of zes
polen dan zouden we een zeer hoge snelheid turbine met een toerental van 1000
tot 3000 rpm hebben, als we die aansluiten op de hoofdas moeten de uiteinde
van de wieken de snelheid kunnen bereiken van ongeveer twee keer de snelheid
van het geluid. Nu dit kunnen we wel vergeten natuurlijk. Andersom kunnen we
een 200 polige (300 magneten) generator bouwen om tot een redelijk toerental
van 30 rpm te komen.
14 Wind Turbine Techniek 4
Een ander probleem is dat de generator ook alle krachten te verwerken krijgt die
op de hoofdas staat.
Minder koppel meer snelheid:
Dus een praktische oplossing is toch de versnellingsbak die in vele industriële
machines gebruikt wordt.
Met de versnellingsbak converteer je de langzaam draaiende as met hoge koppel
tot een sneldraaiende as met een laag koppel, die nodig is voor de generator. Met
een versnellingsbak in een windturbine hoef je niet te schakelen zoals in een auto.
Het heeft normaliter een enkele overbrengingverhouding van 1:50 voor een 600
of 750 KW machine.
De foto hieronder toont een 1,5 MW versnellingsbak voor een windturbine. Deze
bijzondere versnellingsbak is vrij ongebruikelijk want het heeft twee
aansluitingsflenzen aan de hoge snelheidskant (rechts) de oranje gadgets zijn de
hydraulisch bediende noodremschijven.
ROC Flevoland – ROC Amsterdam 15
Generatoren
Controllers
De elektronische windturbine controller:
De windturbine controller bestaat uit een aantal computers die continu de
conditie van de windturbine controleert en statistieken opslaat.
Zoals de naam al aangeeft controleert de controller schakelaars, hydraulische
pompen, kleppen en servo motoren. Bij grote megawatts machines is het nog
belangrijker dat de controller betrouwbaar is.
Communicatie met de buitenwereld:
De controller communiceert met de eigenaar of bediener van de windturbine en
verstuurt alarmeringen en verzoeken voor onderhoud over een telefoon of een
radiolijn. Ook is het mogelijk om van buitenaf contact te maken met de turbine
om zo statistieken en de huidige status op te vragen. In winturbine parken wordt
meestal één turbine uitgerust met een pc die het mogelijk maakt om data te
verzamelen van al de andere turbines in het park.
Interne communicatie:
Meestal is een turbine uitgerust met twee controllers die met elkaar
communiceren via fiber optics (glasvezel) Eén controller staat beneden in de mast
en één bevindt zich in de gondel. Bovenstaande foto toont een fibre optics
communicatie unit. In sommige nieuwe modellen is een derde controller
geplaatst in de neuskegel van de rotor. Deze controller is verbonden met
sleepcontacten en of koolborstel.
16 Wind Turbine Techniek 4
Veiligheid/ storingsmechanisme;
Computers en sensoren zijn meestal in de moderne turbines dubbel uitgevoerd
om de veiligheid en de werking te garanderen. Vooral in de beveiligde ruimtes van
de turbine. De controllers lezen continue alle dubbel uitgevoerde sensoren en
vergelijken de resultaten met elkaar om de juiste werking te garanderen. Ook
controleren beide computers elkaar op een juiste werking.
Wat wordt gemeten
Het is mogelijk om tussen de 100 en 500 parameters de waarde van te meten in
een moderne windturbine. De controller controleert het toerental van de rotor,
generator,voltage en spanning. Ook de lading van blikseminslag kan worden
geregistreerd. De volgende metingen kunnen ook nog worden
genomen,buitenlucht temperatuur,temperatuur in de elektronische
installatiekasten, olietemperatuur in de vertragingskast, de generatorspoel
temperatuur de lagertemperatuur van de vertragingskast, hydraulische druk, de
hoek (pitch) van elk afzonderlijk rotorblad( voor pitch controle of actieve stal l
controle machines), De hoek van de yaw (Door het aantal tanden te tellen van
het yaw tandwiel), Het aantal verdraaiingen van de
stroomkabel,windrichting,windsnelheid, de frequenties van de trillingen van de
rotorbladen en de gondel(nacelle), De dikte van de schijfrem, en of de deur van
mast open is of gesloten(alarmsysteem).
Stroom kwaliteit controle:
De meeste mensen denken dat de controle- unit De windturbine aanstuurt. Als de
Yaws tegen de wind in staat controleert het veiligheidssystemen of alles in orde is
en start de turbine zichzelf. De controller doet inderdaad al deze dingen maar
controleert ook de stroomkwaliteit opgewekt door de windturbine.
Aansluiting netwerk en stroomkwaliteit:
In het hoofdstuk over stroomkwaliteit zal je leren hoe stroom maatschappijen een
vloeiende stoomaansluiting met het netwerk wensen, Dat de maatschappijen
bepaalde eisen stellen aan de wisselspanning en het voltage wat in het netwerk
vloeit. Bovenstaande foto toont de hoge voltage sectie van een megawatt
machine controller. Deze sectie van de controller bestuurt de thyristors die
koppeling met het netwerk vloeiend mogelijk maakt.
ROC Flevoland – ROC Amsterdam 17
Generatoren
Actieve stroomcontrole:
Voltage en spanning worden afhankelijk van de 50 of 60 hertz 128 maal gemeten
per omwenteling. Op basis van deze informatie berekend de processor de
stabiliteit van de netwerk frequentie en de actieve en de reactieve stroom van de
turbine. (Het reactieven stroomcomponent is normaal gesproken afhankelijk van
de vraag of de spanning en voltage in fase is). De controller schakelt een groot
aantal condensatoren (capacitors) aan of uit om er voor te zorgen dat de
stroomkwaliteit op de juist frequentie blijft en de stroomkwaliteit garandeert.
(sinus).
Electro Magnetic Compatibility (EMC)
Er bevinden zich erg sterke elektromagnetische velden rondom stroomkabels en
generators in een windturbine. Dit betekent dat de aanwezige elektronica in het
controle systeem ongevoelig moet zijn voor elektromagnetische velden. Deze
kunnen schade berokkenen aan de elektronica,Omgekeerd moet de elektronica
geen elektromagnetische straling uitzenden die werking van andere elektronische
apparatuur hindert vandaar dat deze beschermt wordt door de elektronica te
plaatsen in een beschermde kamer met metalen muren. Op de foto is apparatuur
te zien om de elektromagnetische emissies van de onderdelen van de controllers
te meten .