تغییر جهانی به سمت ژنراتورهای همزمان رشد انرژی بادی را تقویت می کند

زندگی مدرن را بدون تامین برق پایدار و قابل اعتماد تصور کنید. از چراغ هایی که شب های ما را روشن می کنند تا ماشین هایی که تولید صنعتی را هدایت می کنند،اکثر برق جهانی وابسته به یک دستگاه حیاتی استاین فناوری با سرعت ثابت و ارتباط نزدیک با فرکانس شبکه، سنگ بنای سیستم های برق مدرن را تشکیل می دهد. این مقاله اصول، انواع، کاربردهایو نقش حیاتی ژنراتورهای همزمان در تولید انرژی بادی.

ژنراتورهای هم زمان، همچنین به عنوان آلترناتورها نیز شناخته می شوند، از طریق یک میدان مغناطیسی چرخان و استاتور ثابت کار می کنند.میدان مغناطیسی روتور ممکن است شامل آهنرباهای دائمی یا الکترومغناطیس های تحریک شده توسط جریان مستقیم باشددر حالی که روتور می چرخد، میدان مغناطیسی آن از میان پیچ های استاتور عبور می کند و جریان متناوب را ایجاد می کند.

ژنراتورهای هم زمان نیاز به تحریک DC برای میدان مغناطیسی روتور خود دارند. در طرح های معمولی، پیچ و تاب روتور جریان DC را از یک مدار مستقیم کننده جداگانه به نام exciter دریافت می کنند.که قدرت شبکه AC را به DC تبدیل می کنداین دستگاه ها به عنوان ژنراتور های هم زمان روتر زخم (WRSG) شناخته می شوند و از برس ها و حلقه های لغزنده بر روی عمود ژنراتور استفاده می کنند. طراحی این دستگاه نیاز به نگهداری منظم برای حذف گرد و غبار کربن دارد.

یک رویکرد جایگزین استفاده از آهنرباهای دائمی به جای الکترومغناطیس است. ژنراتور های هم زمان آهنربای دائمی (PMSG) آهنرباها را مستقیماً بر روی روتور نصب می کنند و سیستم های تحریک جداگانه را از بین می برند.نیروگاه های برق آبی به طور معمول از ژنراتورهای همزمان قطب برجسته استفاده می کنند که توسط موتورهای اصلی با سرعت پایین هدایت می شوند.یک مزیت کلیدی ژنراتورهای هم زمان توانایی آنها در ارائه قدرت واکنش بدون نیاز به بانک های خازن موازی است.

ژنراتورهای همزمان بر اساس تولید میدان روتور به دو دسته اصلی تقسیم می شوند:

• ژنراتورهای سینکرونی (WRSG):این دستگاه ها از جریان ثابت برای تقویت الکترومغناطیس های روتور استفاده می کنند که معمولا از طریق برس و حلقه های لغزنده تامین می شوند.WRSG ها ولتاژ انعطاف پذیر و کنترل قدرت واکنش را ارائه می دهند.
• ژنراتورهای هم زمان مقناطیسی دائمی (PMSG):این دستگاه ها از آهنرباهای دائمی برای میدان های روتور استفاده می کنند و سیستم های تحریک را از بین می برند. طرح های PMSG دارای ساخت ساده تر، نگهداری کمتر و بهره وری بالاتر هستند.اگرچه قدرت مغناطیس ثابت انعطاف پذیری کنترل ولتاژ / قدرت واکنش را محدود می کند.

ژنراتورهای همزمان شامل چندین عنصر اساسی هستند:

• استاتور:قطعات ثابت حاوی پیچ های چند فازی برای تحرک ولتاژ متناوب
• روتور:محفظه مونتاژ چرخان که دارای الکترومغناطیس (WRSG) یا مغناطیس دائمی (PMSG) است
• سیستم تحریک:منحصراً برای WRSG ها، که جریان ثابت را به سیم پیچ روتورها می رسانند
• سیستم خنک کننده:جلوگیری از گرم شدن بیش از حد از طریق مدیریت حرارتی

ژنراتورهای همزمان مزایای قابل توجهی دارند:

• ثبات فرکانس:کار هماهنگ با فرکانس شبکه، خروجی پایدار را تضمین می کند
• کنترل قدرت فعال:WRSG می تواند جریان تحریک را تنظیم کند تا خروجی قدرت واکنش را تنظیم کند
• عملیات جزیره:قابلیت کار کردن مستقل برای شبکه های جدا شده

با این حال، محدودیت های خاصی وجود دارد:

• پیچیدگی ساختاری:طرح های WRSG نیاز به نگهداری منظم دارند
• عوامل هزینه:آهنرباهای دائمی PMSG هزینه های مواد را افزایش می دهند
• حساسیت به سرعت:فرکانس خروجی به طور مستقیم با سرعت چرخش ارتباط دارد

ژنراتورهای همزمان از طریق دو پیکربندی اصلی نقش گسترده ای در تولید انرژی بادی دارند:

• ژنراتورهای همگام مستقیم:به طور مستقیم به روتورهای توربین بدون جعبه گیربکس متصل می شوند، این دستگاه ها به طور معمول از طرح های چند قطبی برای کار با سرعت کم استفاده می کنند. مزایای شامل ساخت ساده، نگهداری کمتر،و افزایش قابلیت اطمینان.
• ژنراتورهای هم زمان متصل به گیربکس:این دستگاه ها از گیربکس های سرعت افزوده برای بهره وری عملیاتی بالاتر استفاده می کنند. در حالی که از نظر ساختاری پیچیده تر هستند، مزایای هزینه ای را ارائه می دهند و به اندازه های ژنراتور کوچکتر اجازه می دهند.

تکنولوژی PMSG به دلیل کارایی بالا و نیاز به نگهداری کم، به ویژه برای توربین های بزرگ، در کاربردهای بادی به شدت محبوب شده است.

به عنوان سیستم های برق به طور فزاینده ای انرژی های تجدید پذیر را ادغام می کنند، ژنراتورهای همزمان از طریق چندین مسیر تکاملی اهمیت حیاتی را حفظ خواهند کرد:

• بهبود بهره وری:مواد و طرح های پیشرفته برای کاهش تلفات انرژی
• کاهش هزینه ها:بهینه سازی فرآیندهای تولید برای مقرون به صرفه تر شدن
• ادغام هوشمند:اجرای قابلیت های نظارت و تشخیص از راه دور
• سازگاری با منابع تجدید پذیر:توسعه طرح های با سرعت متغیر که با نوسانات باد / خورشیدی سازگار است

معادلات کلیدی عملکرد ژنراتور همزمان را توصیف می کنند:

• EMF محرک شده:E_a= kΦNf (که در آن Φ = جریان مغناطیسی، N = چرخش استاتور، f = فرکانس)
• ولتاژ پایانی:V_a= E_a-من_a(R_a+ jX_s) (R_a= مقاومت استاتور، X_s= واکنش هم زمان
• قدرت فعال:P_o= 3V_aمن_acosθ
• قدرت واکنش:ق_o= 3V_aمن_asinθ

به عنوان اجزای اساسی زیرساخت های انرژی مدرن، ژنراتورهای همزمان همچنان در سراسر جهان برق قابل اطمینان را فراهم می کنند.این فناوری ها برای ساخت و ساز تمیز ضروری خواهند بود، سیستم های انرژی کارآمد و پایدار