Download pdf - Eoliene Upt

7/31/2019 Eoliene Upt

1/135

1

POLITEHNICA UNIVERSITY OF TIMIOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING

Cuprins1.Importana centralelor eolienelor

2.Istoric3.Transformri de energie4.Tipuri de centrale eoliene

5. Prile componente ale unei eoliene6.Studiul eolienelor


2/135


1.Importana centralelor eolieneTrei factori au determinat ca soluia de a utiliza

centrale eoliene s devin mai competitiv: dezvoltarea electronicii de putere; ameliorarea performanelor aerodinamice nconceperea turbilnelor eoliene; finanarea naional pentru implementarea denoi centrale eoliene.


3/135

3



4/135

4


Energiea eolian asigur necesarul de energie electric pentru 10 milioanede locuitori.


5/135

5



6/135


7/135


8/135

8


Moara de vnt este strmoulgeneratoarelor eoliene. Ea a aprut nEvul Mediu n Europa

Mai trziu, morile se orientaudup direcia vntului i au fostpuse pnze pentru a capta maibine energia vntului(secolul XII)

2. Istoricul eolienelor


9/135

9


Utilizarea metalului a permismodificare formei turnului icreterea considerabil a

mainilor pe care le numim pescurt "eoliene"

n secolul XX au aprut primeleeoliene moderne. Este studiat profilulpalelor, se inspir dup profilul aripilorde avion. n prezent, eolienele sunt

majoritatea cu ax orizontal.


10/135

10


3.Transformri de energieStocare

acumulatoriEnergie

cinetic

vnt

Energie

mecanic

rotor

Energie

electric

generator

Reea de

distribuie

Sarciniizolate

(ex: sate

izolate)


11/135

11


Sistemele eoliene de conversie a energieivntului au i pierderi.

Astfel, se poate meniona un randament deordinul a 59 % pentru rotorul eolienei,96% al multiplicatorului.

Trebuie luate n considerare, de asemenea,pierderile n generator in sistemle deconversie.


12/135

12


O caracteristic important a centraleloreoliane const n faptul cocup o

suprafa mic pe sol.Acesta este un foarte mare avantaj,

deoarece perturb puin locaia unde este

instalat, permind meninereaactivitilor industriale sau agricole dinapropiere.


13/135

13


4.Tipuri de centrale eoliene

Sunt centrale eoliene plasate nlocaii izolate. centrala eolian nu este

racordat la reeaua de energieelectric inu este conectat cualte centrale eoliene.

a) Din punt de vedere al amplasamentului Centrale eoliene individuale


14/135

14


Ferme de centrale eoliene

Centrale amplasate pe solCentrale amplasate n mri

sau oceane


15/135

15


Centralele eoliene grupate sub forma unor ferme auavantajul c puterile instalate sunt mai mari i

alimentarea consumatorilor este mai sigur.Instalrile pe soleste mai ieftin dar creaz dificultin utilizarea agricol a solului.Instalrile sub form de ferme n largul mrilor sauoceanelor,au avantajul c vntului are o vitez maiconstant i durata n care exist vnt este mai mare.Acest tip de instalare reduce dezavantajul provocat dezgomotul sonor al centralelor eoliene, de asemenea seamelioreaz estetica mediului.


16/135


17/135

17


Schema circulaiei aerului la rotoarele Savonius


18/135


19/135

19


Rotorul lui Darrieusse bazeaz pe principiulvariaiei periodice a forei generate de incidena

vntului cu palele rotorului turbinei eoliene.Profilul special al palei plasat ntr-un curent deaer, n funcie de diferitele unghiuri, este supusunor fore ale cror intensitate i direcie suntdiferite.Rezultanta acestor fore determin apariia unuicuplu motor care rotete rotorul turbinei eoliene.


20/135

20


Exist dou categorii de

eoliene cu ax orizontal:Amonte: vntul sufl pefaa palelor, fa dedirecia nacelei. Palelesunt rigide, iar rotorul esteorientat, cu ajutorul unuidispozitiv, dup direciavntului.

2) Cu rotor orinzotal


21/135


22/135

22


Dispunerea amonte a turbinei este cea maiutilizat, deoarece:

este mai simpl i d cele mai bune rezultatela puteri mari

nu are suprafee de direcionare, eforturile de manevrare sunt mai reduse i

are o stabilitate mai bun.


23/135

23


c)Din punct de vedere al puterii

Diametrulpalelor Puterea nominal

Putere mic 46 m > 1 MW


24/135


5. Prile componente ale unei centrale eoliene


25/135

25


Nivelul zgomotului la o central eolian


26/135

26


Evoluia nivelului sonorn funcie de numrul deeoliene este logaritmic, respectiv instalareacelei de a doua eoliene determin creterea

nivelului sonor cu 3 dB i nu dublarea acestuia.Pentru diminuarea polurii sonore exist mai multe

ci:- multiplicatoarele sunt special concepute

pentru eoliene.Se ncearc favorizarea acionrilor directe,

(eliminarea multiplicatoarelor).


27/135

27


- profilul palelorConstitue obiectul unor cercetri pentru reducerea

polurii sonore determinat de scurgereavntului n jurul palelor sau a celor datoratenacelei sau pilonului.-Arborii de transmisie - sunt prevzui cu

amortizoare pentru limitarea vibraiilor.Antifonarea nacelei permite, de asemenea,reducerea zgomotelor.


28/135

28


6. Studiul eolienelorn studiul eolienei, trebuiesc urmrite valorilecuplurilor ML, MEi a vitezelor arborelui primar Li acelui secundar .

Arborele primar, numit i arborele lent, este arborelerotorului turbinei eoliene. Acesta se rotete cu viteza

L

i transmite cuplul ML

.Arborele secundar, numit i arborele rapid, este celal generatorului. Acesta are viteza , fiindcaracterizat de cuplul electromagnetic ME.


29/135

29


6.1 Circuite electrice trifazate

)3

22sin(2

)3

2sin(2

)sin(2

3

2

1

tUu

tUu

tUu


30/135

30


Arborele primar

(arborele lent)

Arborele

secundar (al

MAS)Reea

L, ML , ME, s, IRP, Q, S, IS,

cos


31/135


32/135


Structura unui circuit trifazat


33/135


34/135


Conexiunile circuitelor trifazateConexiune triunghi


35/135


Conexiunile circuitelor trifazateTensiunile i curenii la conexiunea stea

0302010 UUU'

011 VVU '

022 VVU '

033 VVU

2112 VVU

3223 VVU

1331 VVU

fl UU 3

fl II


36/135


Conexiunile circuitelor trifazateTensiunile i curenii la conexiunea triunghi

23313

12232

31121

III

III

III

fl II 3

fl UU


37/135


Conexiunile circuitelor trifazatePuterile la conexiunea stea

1 0 1 2 0 2 3 0 3 1 1 2 2 3 3( ) ( ) ( ) ,p v v i v v i v v i u i u i u i

)sin(2

)sin(2

)sin(2

333

222

111

tUu

tUu

tUu

)sin(2

)sin(2

)sin(2

3333

2222

1111

tIi

tIi

tIi


38/135


Putera activa la conexiunea stea

Puterea reactiv

22 .S QP

,cosIUcosIUcosIUtdpT

PT

3332221110

1

UUUU f 321 IIII f 321 321 cosIUP ff3 3 l lP U I cos

1 1 1 2 2 2 3 3 3 .Q U I sin U I sin U I cos nisIUQ ff3 nisIUQ ll3

Putera aparent 3 ,l lS U I


39/135


Puterile la conexiunea triunghi

1 2 12 2 3 23 3 1 31 12 12 23 23 31 31( ) ( ) ( ) .p v v i v v i v v i u i u i u i

.cosIUcosIUcosIUtdpTP

T

313131232323121212

0

1

UUUU f 312312 12 23 31 fI I I I

, 312312

cosIUP ll3

3 cosf fP U I

313131232323121212 sinIUsinIUsinIUQ

,sinIUQ ff 3

,nisIUQ ll 3

2 2

.S P Q 3 ,

l l

S U I


40/135


Puterea aparent n complex

.SSSS 321

jQPIUIUIUS *33*

22

*

11

jQPIUIUIUS 3*

32

*

21

*

1

Factorul de putere la circuitele trifazate

.S

PsocK


41/135


La reelele trifazate nesimetrice i dezechilibrate'2 '2 '21 2 3'2 '2 '2

1 2 3( ) ,ma xU U U

P RI I I

R

2 '2 '2 '2 '2 '2 '21 2 31 2 3( ) ( ) .ma xP U U U I I I

.)III()III(''' 2

322

21

23

22

21

2 ' 2 ' 2 ' 2 2 2 2

1 2 31 2 3( ) ( ) .m a xP U U U I I I


42/135


2 2' ' '1 2 31 2 31 2 3

2' ' '1 2 31 2 31 2 3

3'2 ' '2 ' '

, 1

( )

( )

2 ( ) ,

m a x

k j kj j k j kj k

P cos cos cosU U UI I I

sin sin sinU U UI I I

cosU U UI I I

2 22 2 2 2 .m a x n es n esQ SP P P P 2 2 2

2

2 2 2 22

1

1ma x nes

nes

S

P P P

K P S SP P

,f ne sK K K

2max

1

1

ne s

nes

SK

PP

S

S

PK f


43/135


Aplicaie:Seconsiderreeauatrifazatdezechilibratdin figur. Sse calculeze factorul de putere , tensiunile de linie fiind simetrice.

23

1 2 30; .U

I I IR

2 3

5, .

6 6

' ' '1 2 31 2 31 2 3cos cos cos 3 .

fP U IU U UI I I

' ' ' '2 3 11 2 3 ; ; 0 .fU U U U I I I I

,Q 0'3 .fS IU

'2 '223 2 6 .f fma xP IU UI 2 2 ' 2 ' 2 '2 26 3 3 .f f fne s m a xP P IS U U U I I

max

11; ,

2

f n e s

P SKK

S P

1

0,707.

2

f nesK K K


44/135


45/135


Mrimile nominalenscrise pe plcua M.A. sunt: puterea nominalputerea mecanic la arbore, n kW tensiunea de linie la borne n Vi schema de conexiuni

a nfurrii (stea sau triunghi); curentul de linie, n A; turaia n rot/min, frecvena n Hz, factorul de putere; tensiunea n Vntre dou inele (numai la motorul cu

rotor bobinat cnd nfurarea statoric este conectat la

tensiunea nominal, iar rotorul este n repaus cunfurarea deschis) curentul rotoric, n A.


46/135


Principiul de funcionare. Cmp magnetic nvrtitor

)tcos(B2

3)]

3

2tsin()

3

2sin(

)3

2

tsin(tsin[sinBBBBB

mm

mm321

t

)tt(

2

n 11

sec]/rot[f2

1

t2

1

dt

d

2

1n1

)tpcos(B2

3

B mm

sec]/[2

1

2

1

2

1

1 rotp

f

pdt

dn

min]/[

601 rot

p

fn


47/135


Numrul

perechilor

de poli

1 2 3 4 5 6

n1

[ rot/min ]3000 1500 1000 750 600 500

1

1

n

nns

nnn 1r fsn

nn

60

pn

60

)nn(p

60

pnf

1

111rr


48/135


Schema echivalent

22

1'2 I

N

NI 22

2

21'

22'

2'

22

22 RN

NRIRIR

22

2

2

1'

2X

N

NX


49/135


Diagrama energetic a motorului asincron

1111 cosIU3P

2

111 3 IRPCu

111 CuFeem PPPP 2

222 3 IRPCu

mpPP '

22


50/135


51/135


Reglarea turaiei motoarelor asincrone

)s1(

p

f60)s1(nn 1

Reglarea turaiei prin modificarea frecvenei. AlimentareaM.A. prin convertoare statice.


52/135


Reglareaturaieiprin modificareaalunecrii

a. alimentarea latensiune variabil

b. modificarea rezisteneicircuitului rotoric


53/135


a) Modificarea impedanei rotorice se faceprin intercalarea ntre rotor i reeaua detensiune U1 i frecvena f a unui ansamblu

de mutatoare M (redresor + invertor).Transformatorul TA ridic tensiunea dincircuitul rotoric, la valoarea tensiunii dealimentare. Modificarea turaiei MA, impusde maina de lucru ML, se face prinintermediul tensiunii de la inelele rotorice.Prin modificarea unghiului de comand altiristoarelor se obin diferite caracteristicimecanice i se impune circulaia de puteredintre rotor i reea, sistemul putndfunciona ntr-o plaj larg de turaie.


54/135


55/135


MAINA ELECTRIC SINCRON

Elemente constructive. Principiul de funcionare

)3

4sin()

3

4sin(2

)3

2sin()

3

2sin(2

sinsin2

tutfu

tutfu

tutfu

mT

mS

mR

60pnf n

pfn 601


56/135


57/135


sin3S

e

emX

UUP

sin3

S

e

X

UUM

POLITEHNICA UNIVERSITY OF TIMIOARA


58/135

58


Pentru optimizarea puterii electrice debitate nreeaua electric, se regleaz viteza de rotaie aeolienei Ln funcie de viteza vntului. Punctul

de funcionare se determin pe bazacaracteristicii eolieneiP(), astfel nct putereaPMs fie maxim.

Punctul de funcionare poate fi definit i prin

puterile activ P, reactiv Q, tensiunea de faz Uf,factorul de putere cos .Pi Qdepind de viteza vntului.

http://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htm


59/135

59


a)Eoliene cu vitez fix - funcionare autonom

Pentru eolienele autonome, utilizarea unui sistem de stocare prezint uninteres deosebit,mai ales n absena grupurilor electrogene, pentru situaiacnd vntul este slab. Bateriile de acumulatori reprezint o soluie.


60/135

60


Generatorul poate fi o main sincron (MSMP) cu magneipermaneni sau o main asincron (MAS) cu rotor nscurtcircuit, prevzut neaprat cu condensatoare

necesare asigurrii energiei reactive, de magnetizare.La mainile sincrone clasice i asincrone cu rotorul nscurtcircuit, viteza de rotaie depinde direct i strict defrecvena curenilor ce parcurg nfurrile statorice.

Maina asincron cu rotorul n scurtcircuit, avnd unnumr fix de perechi de poli, poate funciona ntr-undomeniu restrns de viteze: alunecarea este de ordinula ctorva procente.

Maina sincron funcioneaz strict cu vitez fix.



61/135

61


b)Eolian cu vitez fix - conectat la reea1. Cu multiplicator i MAS cu rotor n scurtcircuit


62/135



63/135

63


Regimul tranzitoriu la conectare determinapariia unor cureni importani, ce suntlimitai de ctre rezistene.

Rezistenele pot fi nlocuite cu variatoare detensiune alternativ (VTA), prinmodificarea unghiului de comand,reglndu-se tensiunea de alimentare,astfel nct curentul s nu ating valoripericuloase pe durata etapei de conectare.


64/135

64


2. Cu main asincron avnd stator dublu


65/135


66/135

66


Un bobinaj de putere mai mare, dar cu numrmai mic de poli, care este utilizat atunci cnd

viteza vntului este suficient de mare.Puterea debitat n reea este:

p

fs

2

emstr MP



67/135

67


c) Eolian cu vitez variabilPentru optimizarea puterii debitate n reea, n funcie

de viteza vntului, este de dorit ca s se poat regla

viteza de rotaie a eolienei.Ideea de baz este de a realiza un generator cu

frecven fix, dar cu vitez variabil.Generatorul cu vitez variabil ar permite funcionarea

pentru o gam mult mai larg a vitezei vntului, decirecuperarea unei cantiti mai mari din energiavntului, reducnd n acelai timp zgomotul pe durataintervalelor cu vnt slab.



68/135

68


n cazul eolienelor cu vitez variabil, sistemul este reglatastfel nct, pentru fiecare vitez a vntului, eoliana sfuncioneze la puterea maxim.

Este ceea ce se numete Maximum Power PointTracking (MPPT).

Pentru o anumit vitez de rotaie a eolienei, putereamaxim se obine n concordan cu caracteristica

eolienei P().Sistemele eoliene cu vitez variabilce funcioneaz

conectate la reea, utilizeaz convertoare statice detensiune i frecven (CSTF) .

http://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htm


69/135

69




70/135

70


Prin modificarea vitezei rotorului, frecvena iamplitudinea tensiunii debitate de generator seschimb.

Conectarea la reea, impune ca frecvena itensiunea GE s coincid cu a reeleii s fieconstante.

Acest deziderat se realizeaz cu ajutorulconvertoarelor statice de tensiune i frecven,interpuse ntre generator (sincron sau asincron) ireea.



71/135

71


Acestea transform tensiunea alternativ ntensiune continu, respectiv tensiunnea continu

n tensiune alternativ cu parametrii precizai,care este filtrat pentru conectarea eolienei cureeaua de distribuie, fr a produce perturbareaacesteia.

Generatoarele astfel echipate pot suporta rafaleale vntului, reducnd solicitrile mecanice.



72/135

72


Lanul de conversie a enegiei ntr-o eolian cuprinde:Generatorul sincron sau asincronConvertorul staticde tensiune i frecven, compus

din: -convertor c.a.-c.c. (redresor) (1)Se utilizeaz redresoare necomandate, cu diode, ncazul generatoarelor sincrone.

Acestea sunt convertoare unidirecionale.n cazul generatoarelor asincrone, se utilizeazredresoare cu comand n durat. Acestea potfurniza i energia reactiv necesar magnetizrii.



73/135

73


- convertor c.c.-c.a. (invertor) (2)Prin comanda acestuia, se poate regla frecvena

i valoarea efectiv a tensiunii, astfel nct s sepoat realiza conectarea la reea.Se prefer utilizarea invertoarelor cu modulaie

n durat, deoarece calitatea energiei furnizate

este mai bun (coninut mai redus de armonici).

http://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/ElectroniquePuissance/Onduleurs/CdeMLI/CdeMLI.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/ElectroniquePuissance/Onduleurs/CdeMLI/CdeMLI.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/ElectroniquePuissance/Onduleurs/CdeMLI/CdeMLI.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/ElectroniquePuissance/Onduleurs/CdeMLI/CdeMLI.htm


74/135

74



75/135


76/135



77/135

77

DEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING

b)Generator cu numr variabil de poli

Se poate modifica conectarea nfurrilor statorice

ale generatoarelor sincrone i asincrone, pentru aobine diferite numere de perechi de poli i deci,diferite viteze de rotaie, n funcie de condiiile devnt.

Aceast soluie se bazeaz pe expresia vitezei desincronism s:


78/135


79/135

79


Aceast soluie exploateaz faptul c alunecareasdepinde de rezistena rotoric, care nschema echivalent intervine prin Rr/ s.

Prin adugarea de rezistene suplimentare ncircuitul rotoric, se poate regla alunecarea, ideci viteza rotorului, n funcie de condiiile devnt.

n consecin, pulsaia rotoric reste dat de :

Variaia maxim a alunecrii poate fi de 10 %, sau chiarmai mare.


80/135



81/135

81


Dubla alimentarese refer la faptul c statorul este conectatdirect la reea, iar rotorul este conectat la convertorulstatic de tensiune i frecven.

Acest tip de structur se utilizeaz pentru eolienele de mareputere.

Viteza de rotaie se poate modifica ntr-o gam destul demare (de la simplu la dublu).

Convertorul static de tensiune i frecven este bidirecional,putnd asigura deci ambele sensuri de circulaie a energiein rotor. Prin comanda acestuia se realizeaz reglajul devitez i controlul puterilor activ i reactiv care sunttransferate de la main la reea.



82/135

82


e)Main asincron (MAS) cu rotorn scurtcircuitasociat cu un convertor static de tensiune i frecven(CSTF) indirect.

http://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htm


83/135

83


f)Main sincron (MS) cu multiplicator i convertorn stator

n cazul mainii sincrone, amplitudinea i frecvena

tensiunii la borne, depind de vitez. Din acest motiv,conectarea la reea trebuie s se realizeze prinintermediul unui convertor static de tensiune ifrecven (CSTF) indirect, compus dintr-un redresor, uncircuit intermediar de c.c. i un invertor.

Se poate renuna la multiplicatorul mecanic, dac seutilizeaz un generator sincron cu numr mare de poli(turaie mic de sincronism).

http://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/DifferentesTechnologies/DifferentesTechnologiesEolien2.htm


84/135


Pentru maina sincronturaia de sincronism se exprim prin relaia:



85/135


g)Main sincron cu rotorul bobinatO main cu numr mare de poli (turaie de sincronism

redus) implic un stator cu gabarit mare.

n aceast variant, nu se mai utilizeaz multiplicatorulde vitez, dar maina este conectat la reea prinintermediul unui convertor staticde tensiune ifrecven, care transform tensiunea alternativ de

frecven variabil, generat de main n tensiunealternativ care are valoarea i frecvena reelei dedistribuie.



86/135


h)Main sincron cu magnei permaneni n rotorRotorul este realizat cu magnei permaneni cu flux axial,

rezultnd o main compact - Main Sincron cu

Magnei Permaneni (MSMP).n aceast variant, nu se mai utilizeaz multiplicatorul de

vitez, dar maina este conectat la reea prinintermediul unui convertor staticde tensiune i

frecven, care transform tensiunea alternativ defrecven variabil, generat de main n tensiunealternativ cu valoarea i frecvena reelei de distribuie.



87/135

87


Conectarea la reea Reeaua de distribuie impune stabilitateatensiunii i

frecvenei. Din acest motiv, trebuie luate msuri

speciale n ceea ce privete etapele tranzitorii defuncionare ale eolienelor, cum ar fi pornirea, oprireasau absorbia rafalelor de vnt.

n ceea ce privete pornirea, aceasta se va realiza cu

ajutorul unor variatoare de tensiune alternativ (VTA)cu tiristoare. Prin modificarea unghiului de comand aleacestora, se regleaz valoarea efectiv a tensiunii dealimentare a mainilor, acestea pornind pe caracteristici

artificiale de tensiune.

http://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/MachinesElectriques/Induction/CharacteristiquesFonctionnement/CharacteristiquesMacaniques/CharacteristiquesMecaniques.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/MachinesElectriques/Induction/CharacteristiquesFonctionnement/CharacteristiquesMacaniques/CharacteristiquesMecaniques.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/MachinesElectriques/Induction/CharacteristiquesFonctionnement/CharacteristiquesMacaniques/CharacteristiquesMecaniques.htmhttp://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/MachinesElectriques/Induction/CharacteristiquesFonctionnement/CharacteristiquesMacaniques/CharacteristiquesMecaniques.htm


88/135

88


Normele de calitate a energiei, impun, de asemenea, caeolienele s genereze ct mai puine armonici. Acesteasunt cauzate de convertoarele statice de tensiune ifrecven utilizate pentru conectarea generatoarelor lareeaua de distribuie.

Se impune cutarea de soluii pentru ameliorarea acestoradeci implicit utilizarea filtrelor.

n acelai timp, trebuie asigurat i energia reactiv

necesar magnetizrii mainilor. Este economic caaceasta s fie n proporie ct mai mic preluat dinreeaua de distribuie.


89/135



90/135

90


Pentru a satisface exigenele reelei, trebuiesc instalatediferite echipamente care concur la conectarea eolienei:

Transformatorulridictor de tensiune:Generatoarele eolienelor au tensiunea nominal, n general,

de ordinul a 690 V. Transformatoarele asigur conectareaacestora la reeaua de distribuie, care de cele mai multeori este de 20 kV.

n prezent, nu exist nici o eolian care s fie conectatdirect la reea, fr utilizarea unui transformator ridictor.



91/135

91


Bateriile de condensatoarePentru ameliorare factorului de putere al instalaiei, se

conecteaz baterii de condensatoare, ce sunt constituite

din trei baterii de condensatoare monofazate, conectaten triunghi.

Bateriile de condensatoareasigur i compensarea puteriireactive consumate (ca o medie, innd cont de

neregularitile vntului).Energia reactiveste necesar mainilor asincrone pentru

magnetizare.



92/135

92


Astfel, bateriile de condensatoare (surse deenergie reactiv) asigur local energia

necesar magnetizrii, ameliornd astfelfactorul de putere global al eolienei.n cazul funcionrii autonome a eolienelor,

bateriile de condensatoare sunt indispensabile

pentru asigurarea energiei reactive necesaremagnetizrii mainii.



93/135

93


unde V0 - viteza [m/s] la nivelul solului (h = 0) - coeficient caracteristic locaiei cu valori ntre 0,1 ...0,4.

Noiuni despre aeromotor(turbin)Variaia vitezei vntului V,n funcie denlimea h seexprim cu relaia



94/135

94


Puterea asociat energiei cinetice a vntului este:

n care este densitatea aerului.

Aceast putere nu poate fi recuperatn totalitate,deoarece o parte este necesar pentru evacuarea aerului

care a efectuat lucru mecanic asupra palelor turbinei.

Se introduce coeficientul de putere (de performan) alturbine Cp, rezultnd puterea mecanic la arborele

turbinei:



95/135

95


n carev- viteza vntului [m/s]; 1,25 kg/m, densitatea aerului,ncondiii normale de temperatur i

presiune, la nivelul mrii;S: suprafaa [m] acoperit de paleleturbinei.

Coeficientul Cpcaracterizeaz randamentul turbinei

eoliene. El poate fi exprimat i ca:


96/135


97/135

97


Limita lui Betz Coeficientul de putere a fost introdus n cadrul

teoriei lui Betz. Limita lui Betz indic energia

maxim ce poate fi recuperat, chiar i de celemai performante eoliene - bipale sau tripale, cu axorizontal. Aceasta nu poate fi dect 59% dinenergia vntului, ceea ce nseamn c Cp max(teoretic) este 0,59. Pentru o eolian real, Cp

este cel mult 0,3 0,4. Teoria lui Betz modeleaz trecerea aerului prin

palele turbine, printr-un tub de flux de aer cuvitezele:


98/135

98


V1 - viteza vntuluinainte de turbin;V- viteza vntuluin dreptul palelor eolienei; este de ordinul a civa m/s

(~ 10 m/s);V2 - viteza vntului dup preluarea energiei cinetice de ctre paleleeolienei.

Se consider c vitezele sunt paralele cu axul turbinei eoliene, existnd

relaiile V1 > V > V2.


99/135

99


Observaie:Se poate determina valoarea Cp max, printr-o analiz a

puterilor, tiind c:

- pe de o parte, puterea recuperabil de ctre o eolianeste o consecin a variaei energie cinetice a vntului:

- pe de alt parte, efortul care se exercit asupra eolienei,determin puterea Pefort. Cunoscnd fora exercitat de vnt



100/135

100


exprimnd puterean funcie de lucrul mecanicefectuat de fora vntului, rezult:

Pefortcorespunde puterii absorbite de rotorul

turbinei, respectiv puterea mecanic furnizat deaeromotor.



101/135

101


Raportul de vitez Se definete - raportul de avans, sau parametrul de

rapiditate sau viteza specific, sau raport de vitez la

captul palei (tip-speed ratio) - ca fiind raportul dintreviteza tangenial a captului palelor i viteza vntului:

n careR- raza palelor [m]; - viteza unghiular a rotorului turbinei

eoliene [rad/sec];V - viteza vntului [m/s].



102/135

102


Dac < 3, eoliana se consider ca fiind lent, dac > 3,eoliana se consider ca fiind rapid.

Curba specific fiecrei eoliene, permite clasificareadiferitelor tipuri de eoliene.

n afara eforturilor aerodinamice datorate vntului, trebuie sse mai in seama de eforturile ineriale i elastice datorate

micrii palelor: btaie, flexiune, torsiune.

Mai exist, de asemenea, efecte ale vitezei vntului, alescurgerii acestuia, ale gradientului de vnt.

Toate aceste eforturi sunt exercitate asupra palelor i

transmise apoi butucului i pilonului.



103/135


Aplicaii1.Care este lungimea palei, sau raza de baleiere a turbinei eoliene cu

vitez fix ?, pentru obinerea unei puteri mecanice de 750 kW, la ovitez a vntului de 13,8 m/s. Se consider un coeficient de putereCp egal cu 0,2.

Rspuns:



104/135

104


2. Calcululvitezei de rotaie i puterii electrice a uneieoliene.

Se consider o eolian ce antreneaz GA cu rotorul n

scurtcircuit, care debiteaz n reeaua de distribuie,pentru care se cunosc: raza palelor R = 45 m,raportul de transmisie al multiplicatorului k = 70,numrul de perechi de poli ai GA p = 2, frecvena

reelei f = 50 Hz, densitatea aerului este.a)Pentru s=-1% s se calculeze viteza rotorului GA (),

viteza arborelui primar al eolienei (L)



105/135

105


b) Dac viteza vntului este contant i egalcu 10 m/s, valoarea maxim a coeficientuluide putere Cpreal este 0,4. Calculai pentru

aceeai alunecare de la ntrebarea a), vitezaspecific i puterea electric maxim Pefurnizat n reea de ctre eolian.

Se va considera randamentul multiplicatoruluide 97 %, iar a generatorului de 96 %.



106/135

106


a)

srads /1596,15815701,011 0

utrotN min/15182

60159

2

60

utrot

k

NNL min/7,21

70

1518

utrotk

L min/27,270

159



107/135

107


b)Raportul de vitez

Puterea mecanic la ieirea turbinei este:

Puterea electric la ieirea generatorului este:

2,1010

27,245

V

R L



108/135

108


3. Studiul generatorului asincron al unei eolieneS se studieze generatorul asincron al unei eoliene

instalate ntr-o ferm eolian cu puterea total de

7,5 MW. Eolienele funcioneaz cu vitez fix,generatorul fiind conectat la reea.Se vor determina puterea, viteza de rotaie a arborelui

generatorului, schema echivalent a generatorului.

Eolienele conin i multiplicatoare.



109/135

109


Schema de principiu a eolienei este cea din figura de mai jos:

Se consider cunoscute urmtoarele date: viteza nominal a

vntuluiV = 15 m/s - presupus constant, densitatea aerului

coeficientul de putere sau aerodinamic al turbinei eoliene Cp = 0,27,raza palelor turbinei eoliene R = 21,7 m.



110/135

110


ntrebarea 1Calculai puterea electric la ieirea generatorului i

viteza de rotaie a arborelui generatorului, tiind c

multiplicatorul are raportul de transmisie 46,48 irandamentul de 96%, iar turbina eolian se rotete cu32,5 rot/min. Se neglijeaz pierderile generatorului.

Rspuns:Puterea vntului, ca mrime de intrare n turbina eolian, este:



111/135

111


Puterea mecanic recuperabil la intrarea generatorului este:

Aceast putere este negativ, din punctul de vedere al conveniei

de motor pentru MAS, deoarece maina funcioneaz cagenerator. Ceea ce ne intereseaz este puterea electricobinut la ieirea generatorului. Prin enun, neglijndu-sepierderile din generator:

i

Viteza de rotaie a generatorului este:



112/135

112


ntrebarea 2S se determine parametrii schemei echivalente a motorului asincron.



113/135

113


Plcua indicatoare a mainii (proiectat ca generator) indic: 4 poli,tensiune nominal (de linie) 660 V, curent nominal 760 A, conexiune Y(stea), frecvena nominal 50 Hz, putere 790 kW (cu luare n considerare apierderilor electrice), factorul de putere 0,91, viteza nominal 1509 rot/min,pierderile mecanice 5,6kW.

Tensiune 660,3 V

Curent 209,4 A

Putere absorbit 11,17 kW

Se realizeaz dou probe:

- Dac GA funcionarean gol se obine:



114/135

114


Tensiune 120,1 V

Curent 980 A

Putere absorbit 25,6 kW

- La proba de scurtcircuit (cu rotorul calat) se obin rezultatele:

- Proban curent continuuRezistena statoric ntre dou borne (dou faze) este 5,63 m .

Determinai pierderile Joule statorice pjs, rotorice pjr, pierderile n miezulferomagnetic statoric pfs, R i X.

Rspuns:la mersul n gol


115/135



116/135

116


Puterea reactiv se determin din puterea aparent


117/135



118/135

118


Pentru determinarea reactanei X este nevoie s se calculezeputerea reactiv la mersul n scurtcircuit.



119/135

119


ntrebarea 3Determinai cuplul electromagnetic la arborele mainii asincrone.

Expresia cuplului:

Rspuns: bilanul puterilor este



120/135

120


Cuplul electromagnetic devine



121/135

121

ntrebarea 4Maina asincron consum putere reactiv. Pentru

compensare acestui consum de putere reactiv, se

conecteaz o baterie de condensatoare ce furnizeaz125 kVAR la tensiunea de nominal de 660 V.Calculai capacitatea condensatorului echivalent .

Rspuns 4

Puterea reactiv furnizat de un condensator este :



122/135

122

De unde:



123/135

123

4. Identificarea limitei lui BetzEnergia electric pe care o va debita

eoliana, depinde de puterea mecanicpe care o va recupera de la vnt.Aceast aplicaie va arta care este

cantitatea de energie mecanic pe care

o va recupera turbina din energiavntului.



124/135

124

Trecerea vntului prin rotorul turbinei este modelat printr-un tub de flux deaer cu vitezele V1, Vi V2, nainte, n dreptul palelor, respectiv dup pale.Aerul este caracterizat de densitatea , suprafaa acoperit de pale fiind S[m].



125/135

125

Intrebarea 1Care este puterea Precuperat de rotorul turbinei?

Rspuns 1

ntrebarea 2Care este variaia energiei cineticeEc a masei de aer, ntr-o secund?

Rspuns 2


126/135



127/135

127

ntrebarea 4Determinai viteza V2, pentru care puterea recuperat este maxim.

Rspuns 4

n expresia puterii recuperate de turbin

senlocuiete rezultatul obinut la ntrebarea 3

i se obine



128/135

Puterea recuperat de turbina eolian este maxim pentru



129/135

129

ntrebarea 5Pentru cazul anterior, calculai puterea maxim pe care

o poate recupera turbina eolian.

Rspuns 5Din rspunsurile de la ntrebrile 3) i 4) avem:


130/135



131/135

131

5. Parametrii unei eoliene de 300 kW cu vitez fixEnunSe dau urmtorii parametri ai unei eoliene de 300 kW:

diametrul palelor 28 m; suprafaa acoperit de rotor

615 m; viteza nominal a vntului 14 m/s; turaianominal de rotaie a rotorului turbinei 43 rot/min;raportul de transmisie al multiplicatorului 35; turaianominal a MAS 1515 rot/min. Se mai cunoatedensitatea aerului 1,225 Kd/mc.

ntrebarea 1Ce procent din energia vntului se va recupera npunctul nominal de funcionare?



132/135

132

Rspuns 1Se calculeaz coeficientul de putere al unei eoliene:

deci se recupereaz doar 29% din energia vntului.

ntrebarea 2Ce fel de eolian este: lent sau rapid?Rspuns 2Se calculeaz viteza specific sau raportul de vitez

eolian rapid.


133/135


134/135



135/135

Rezult:

Viteza specificse exprim prin

deci care simplificat devine:

Expresia cuplului mecanic este deci

Avnd n vedere expresia suprafeei se obine: