În această lecţie va fi studiată maşina asincronă dublu alimentată (MADA).

Convenţia de semne: funcţionarea în regim de motor hiposincron

Expunerea se compune din:

• Structura unei eoliene ce integrează o MADA
• Interesul pentru MADA
• Principiul de funcţionare
• Conectarea la reţea

• cunoştinţe anterioare necesare: maşina asincronă
• nivel: #
• durata estimată: 40 minute
• autori: Nicolas Dujardin, Christian Iweins, Benoît Robyns
• realizare: Fabien Poje
• traducere: Sergiu Ivanov

Elemente componente:

Generatorul este amplasat în nacela eolienei. El este antrenat de arborele secundar (rapid).

Maşina asincronă dublu alimentată este un generator asincron cu rotor bobinat. Înfăşurarea statorică este conectată direct la reţeaua trifazată. Înfăşurarea rotorică este conectată la convertoare statice bidirecţionale: puterea ce tranzitează aceste convertoare poate fi produsă sau absorbită de maşină, în funţie de punctul de funcţionare. Condensatorul dintre cele două convertoare formează circuitul intermediar de curent continuu. Transformatorul ridicător de tensiune asigură conectarea la reţeaua de distribuţie la care este conectată eoliana.

Cel mai mare avantaj al MADA îl constituie posibilitatea funcţionării cu viteză variabilă.

Maşinile asincrone cu viteză fixă trebuie să funcţioneze în apropierea vitezei de sincronism, deoarece frecvenţa este impusă de reţea. Viteza rotorului este cvasi-constantă. Sistemul cu MADA permite reglarea vitezei de rotaţie a rotorului generatorului, în funcţie de viteza vântului. În consecinţă, MADA permite funcţionarea atât în regim de generator hiposincron, cât şi hipersincron. De asemenea, punctul de funcţionare se poate regla astfel încât să se obţină maximul de putere debitată în reţea. Interesul pentru posibilitatea de funcţionare cu viteză variabilă îl reprezintă posibilitatea funcţionării într-o plajă largă a vitezei vântului şi posibilitatea extragerii maximului de putere, indiferent de viteza vântului.

Rolul convertoarelor statice de putere:

Spre deosebire de majoritatea maşinilor sincrone, a căror convertoare statice asociate în stator sunt parcurse de 100% din puterea nominală, convertoare statice din componenţa eolienelor cu MADA sunt dimensionate pentru a asigura doar circa 25% din puterea nominală. In consecinţă, sunt mai ieftine şi au gabarit mai redus. Ele permit controlul MADA prin rotor, prin reglarea vitezei mecanice de rotaţie.

Funcţionarea lor va fi studiată în paragraful ce tratează conectarea la reţea.

O eoliană care utilizează o MADA, permite extragerea puterii maxime, pornind de la o anumită viteză a vântului, prin optimizarea vitezei pecifice λ şi prin minimizarea solicitărilor mecanice ale turbinei eoliene în timpul rafalelor de vânt. Viteza specifică λ este dată de raportul dintre viteza tangeţială a extremităţii palelor şi viteza vântului. Puterea mecanică recuperată de turbina eoliană este, în final, convertită în putere electrică debitată în reţea prin intermediul înfăşurărilor statorice şi rotorice.

Puterea mecanică P_m la intrarea MADA:

Expresia puterii mecanice a unei eoliene este :

P_m = 0.5 ρ π R² V³ C_p( λ,β ),

în care:

ρ = 1.225 kg/m³ este densitatea aerului;
R = lungimea palelor sau raze turbinei [m];
V = viteza vântului [m/s];
C_p ( λ,β ) = coeficientul de putere (de performanţă);
λ = viteza specifică = Ω_m.R/V
Ω_m = viteza mecanică de rotaţie a turbinei [rad/s];
β = unghiul de orientare a palelor [grade].

Coeficientul C_p este adimensional. El depinde de eoliană. Expresia lui a fost dedusă, într-o manieră empirică, pentru o eoliană ce integrează o MADA:

Diferitele faze de funcţionare ale unei eoliene cu viteză variabilă:

O eoliană ce interează o MADA, este caracterizată de patru faze de funcţionare:

- Faza de pornire a maşinii. Producerea de energie electrică începe atunci când viteza mecanică atinge aproximativ 70% din viteza de sincronism a generatorului. Puterea electrică este însă mică

- Faza de extragere a puterii maxime, sau faza MPPT (Maximum Power Point Tracking). În această zonă, viteza mecanică variază şi poate atinge valori apropiate de viteza nominală. Puterea electrică creşte rapid.

În această zonă, unghiul de orientare a palelor β rămâne constant la valoarea minimă, pentru a putea obţine valoarea maximă a coeficientului C_p. Se obţine astfel puterea maximă, indiferent de valoarea vitezei mecanice, pentru viteze medii ale vântului (aproximativ 7-13 m/s).

- Faza vitezei mecanice cvasi-constante. Unghiul de orientare a palelor β se modifică pentru obţinerea puterii electrice maxime, pentru diferite valori ale vitezei vântului. Este ceea ce se numeşte "pitch control". Puterea electrică creşte foarte repede, până atinge valoarea nominală.

- Faza de putere constantă. În cazul în care viteza vântului creşte în continuare, unghiul de orientae a palelor devine important, în scopul conservării puterii electrice constante, la valoarea nominală.

Din motive de siguranţă, dacă viteza vântului devine prea mare şi riscă să avarieze eoliana, unghiul de orientare a alelor este fixat la 90°. Este ceea ce se numeşte punerea în drapel, ce determină oprirea eolienei până când viteza vântului se reduce.

Transferurile de putere în MADA

Datorită convertoarelor stice de putere bidirecţionale din circuitul rotoric, MADA este capabilă să funcţioneze atât ca generator, cât şi ca motor, ambele regimuri putând fi obţinute la viteze hiposincrone sau hipersincrone.

Se vor utiliza pentru MADA convenţiile de semne pentru motor hiposincron, acestea fiind cele mai uzuale.

Convenţiile de semne pentru MADA în regim de motor hiposincron

P_m: putere mecanică (P_m < 0 dacă maşina este antrenată)
P_s: putere activă absorbită de stator (P_s < 0 dacă MADA este generator)
P_r: putere activă debitată de rotor (sensul său depinde de semnul alunecării)
P_reţea: putere activă furnizată maşinii din reţea (P_reţea< 0 dacă MADA este generator)
Ω_m: viteza de rotaţie a MADA

Presupunând neglijabile pierderile din circuitele statorului şi rotorului, între puteri există relaţiile:

P_m = P_reţea
P_reţea = P_s - P_r
P_r = s P_s
P_s = P_reţea / (1-s)

În regim de generator hipersincron, P_r este pozitivă, puterea fiind transmisă din rotor către reţea.
În regim de generator hiporsincron, P_r este negativă, puterea fiind transmisă din reţea către rotor.
În ambele cazuri, puterea statorică P_s este debitată în reţea.

În acest paragraf, se vor prezenta convertoarele statice prin intermediul cărora se conectează rotorul MADA la reţea. Înfăşurările statorice sunt conectate direct la reţea.

Convertorul static, este un CSTF (Convertor Static de Tensine şi Frecvenţă) indirect, fiind compus dintr-un redresor, un circuit intermediar de curent continuu şi un invertor. El trebuie să fie bidirecţional (reversibil în curent), deoarece puterea rotorică P_r este transferată într-un sens la funcţionarea hipersincronă şi în celălalt sens la funcţionarea hiposincronă. Aceasta înseamnă că invertorul devine redesor, iar redresorul, invertor, respectiv ambele convertoare trebuie să poată funcţiona atât ca redresor, cât şi ca invertor.

Ştiind că P_r = s.P_s şi că, în general, valoarea absolută a alunecării s este mult mai mică decât 1, rezultă că P_r este doar o fracţiune din puterea statorică P_s. Semnul puterii rotorice P_r, depinde de cel al alunecării s.

Există două regimuri posibile de funcţionare ale generatorului, în funcţie de semnul alunecării s.

1 - Funcţionarea în regim hipersincron:

Maşina asincronă funcţionează ca generator, având viteza de rotaţie superioară celei de sincronism. Rezultă că alunecarea s < 0, regimul de funcţionare numindu-se hipersincron. Puterea rotorică este generată de MADA şi transmisă în reţea prin intermediul CSTF.

• Convertorul 1 funcţionează ca redresor, transformând energia de curent alternativ furnizată de rotorul MADA, în energie de curent continuu. Condensatorul C asigură circuitului intermediar caracterul de sursă de tensiune.
• Convertorul 2 funcţionează ca invertor. Acesta recuperează energia de curent continuu şi o transferă în reţea. Comanda acestuia asigură amplitudinea şi frecvenţa tensiunii de ieşire, adaptate în funcţie de reţea, transferând energia, prin intermediul unui transformator ridicător.
• Circuitul intermediar de curent continuu este indispensabil, pentru a permite invertorului reglarea amplitudinii şi frecvenţei. Ţinând cont de inductivitatea reţelei, aceasta poate fi considerată o sursă de curent. Înfăşurările rotorice sunt, de asemenea, surse de curent, fiind constituite din bobinaje. O bobină se consideră ca fiind o sursă de curent, deoarece curentul ce circulă printr-o bobină nu poate avea discontinuităţi. Similar, un condensator este considerat o sursă de tensiune, deoarece tensiunea la bornele sale nu poate avea discontinuităţi. Prin utilizarea unui circuit intermediar cu caracter de sursă de tensiune, se asigură alternanţa surselor în cazul conversiilor multiple.

2 - Funcţionarea în regim hiposincron:

Maşina asincronă funcţionează ca generator, cu viteză mecanică, inferioară celei de sincronism. Alunecarea s > 0, regimul de funcţionare numindu-se hiposincron. Rotorul MADA absoarbe energie. Aceasta este asigurată din reţea, prin intermediul CSTF, ce poate furniza până la 25% din puterea nominală a MADA.

• Convertorul 2 funcţionează ca redresor, transformând energia de curent alternativ a reţelei, în curent continuu.
• Convertorul 1 funcţionează ca invertor. Prin comanda acestuia, se reglează amplitudinea şi frecvenţa energiei de curent alternativ transmisă rotorului MADA. În acest mod, se reglează viteza motorului în funcţie de cea a turbinei eoliene, realizându-se astfel un reglaj al puterii extrase sau transmise în reţea de către circuitul statoric.

Fluxul de putere:

• Dacă Ωm > Ωs , s < 0, regimul este hipersincron. Puterea rotorică este debitată. Ea este transmisă circuitului intermediar de c.c., determinând tendinţa de creştere a tensiunii la bornele condensatorului.
• Dacă Ωm < Ωs , s > 0, regimul este hiposincron. Puterea rotorică este absorbită. Ea provine din circuitul intermediar de c.c., determinând tendinţa de scădere a tensiunii la bornele condensatorului.
• Convertorul conectat la reţea furnizează energie în reţea sau absoarbe energie din reţea, astfel încât să menţină constantă tensiunea din circuitul intermediar.
• Convertorul conectat la rotorul MADA furnizează acestuia o tensiune alternativă, cu pulsaţia egală cu produsul dintre pulsaţia tensiunii statorice şi valoarea absolută a alunecării s, respectiv, ωr = |s| . ωs. Prin intermediul acestui convertor, se controlează cuplul electromagnetic al generatorului, deci viteza sa şi puterea debitată în reţea.

Puterea reactivă:

Cele două convertoare au capacitatea de a transfera şi energie reactivă. Prin comanda acestora, se poate regla nivelul energiei reactive transferate.

Puterea reactivă furnizată în reţea se poate controla prin intermediul puterii reactive generate sau absorbite de convertorul conectat la rotor. Puterea reactivă este transferată între acest convertor şi reţea, prin intermediul generatorului. Acesta trebuie să absoarbă energie reactivă, ce este consumată de inductivităţile mutuale şi de dispersie.

Convertorul conectat la reţea poate funcţiona şi în regim de compensator de energie reactivă.