10.4.Dynamiczna zmiana rezystancji wirnika.

            Elektrownie z maszyną indukcyjną charakteryzują się tym, że podmuchy wiatru są częściowo tłumione. Zwiększenie momentu wirnika powoduje zmianę poślizgu maszyny, ale jednocześnie powoduje zwiększenie mocy. Dlatego podmuchy wiatru mogą powodować fluktuacje mocy, co może prowadzić do niekorzystnych zjawisk np.: migotania.

            W dużych turbinach zastosowanie znalazł system zmiennej rezystancji wirnika. Podczas podmuchów wiatru, zwiększana jest rezystancja wirnika co pozwala na przyśpieszenie prędkości obrotowej. Rezystancja wirnika zmieniana jest dynamicznie.

 

Rys.37.Dynamiczna zmiana rezystancji wirnika.

 

 

            Jak wiadomo w maszynie asynchronicznej poślizg krytyczny, zależy od rezystancji obwodu wirnika. Zjawisko to wykorzystuje się do regulacji mocy w elektrowniach wiatrowych. W przypadku sterowania mocą przez zmianę konta natarcia łopat, układ wykonawczy nie zawsze jest w stanie nadążyć z szybką zmianą ustawienia łopat. Dzieje się tak w sytuacjach kiedy podmuchy wiatru są silne i szybkie. W sytuacji gdy elektrownia pracuje z jej mocą nominalną i zdarzy się silny podmuch wiatru, łopatki nie zawsze zdążą się przestawić. Moment obrotowy wzrasta a co za tym idzie moc oddawana przez generator. Po chwili łopatki się przestawiają, ale podmuch już minął i elektrownia nie oddaje znamionowej mocy, ponieważ łopatki ustawione są na prędkość wiatru jaka wystąpiła podczas podmuchu. Powstają fluktuacje mocy które są bardzo niekorzystne.

            Żeby zapobiec temu zjawisku stosuje się system polegający na dynamicznej zmianie rezystancji wirnika generatora. Poślizg może osiągać wtedy około 10 %. Gdy prędkość wiatru jest w pobliżu znamionowej, lub wyższa, prądnica pracuje z rezystancją dodatkową, taką żeby poślizg wynosił połowę maksymalnego (który wystąpi podczas włączenia pełnej rezystancji dodatkowej). W sytuacji gdy pojawi się podmuch, układ sterowania zwiększa rezystancje wirnika, co spowoduje zwiększenie poślizgu i prędkości obrotowej. Jednocześnie działa układ zmiany ustawienia łopat i w miarę  zmian kąta natarcia łopatek, poślizg wraca do poprzedniego, gdyż rezystancja wirnika z powrotem zmniejszana jest do poprzedniej. W momencie podmuchu wirnik przyśpiesza i część mocy jest tracona w rezystorze dodatkowym. Zobrazowane jest to na rys.38.

Rys.38.Wpływ rezystancji dodatkowej na charakterystykę prądnicy.

 

            Układ pracuje również gdy wiatr nagle osłabnie. Wtedy regulacja przebiega odwrotnie. Mimo, że rozwiązanie to brzmi prosto, jest dość skomplikowaną sprawą, żeby system ustawienia łopat i załączania dodatkowej rezystancji współpracowały nienagannie. Wymagany jest dość złożony układ sterowania.

            Rezystor może być podłączony poprzez pierścienie i szczotki i umieszczony na zewnątrz generatora. Jednak ponieważ zmiany poślizgu nie są duże, stosuje się rezystor umieszczony na wirniku generatora. Prostownik i tyrystor, także są umieszczone na wirniku a sygnały do sterowania tyrystorem, wysyłane są w sposób optyczny. Niema wtedy problemów z obsługą i konserwacją pierścieni i szczotek, które są elementami zawodnymi.

W przypadku 600 [kW] elektrowni wiatrowej i poślizgu 0,05 na straty zamienia się 5 % mocy . Niemal cała ta moc jest wydzielana na rezystancji dodatkowej. Wymaga to odpowiedniego systemu chłodzenia.

Rys.39.Rozpływ mocy dla układu z rezystancją dodatkową.

 

            Na rysunku 39, widać rozkład strat w maszynie. Dostarczana moc mechaniczna zamieniana jest na moc pola elektromagnetycznego, ale po drodze musi pokonać straty mechaniczne (tarcie łożysk, opór powietrza) i straty w wirniku. Na straty w wirniku składają się straty w uzwojeniach wirnika oraz w rezystancji dodatkowej. Moc pola elektromagnetycznego zamieniana jest w stojanie na moc elektryczną, ale występują jeszcze straty w żelazie (wynikające z prądów wirowych i histerezy w obwodzie magnetycznym), oraz straty w uzwojeniach stojana.

            Mimo że dołączenie rezystancji dodatkowej, wpływa na pogorszenie sprawności, układ ten jest powszechnie stosowany, na przykład w elektrowniach firmy „Vestas” i zwany jest jako system „OPTI-SLIP”. Główną zaletą tego typu kontroli jest zapewnienie lepszej jakości mocy oddawanej do sieci, oraz minimalizacja obciążeń mechanicznych i wstrząsów.