Jak udržet jmenovité otáčky turbíny?

[Jan Klimes]

Přemýšlím jak regulovat turbínu na MVE, tak aby pracovala pokud možno ve jmenovitých otáčkách. Samozřejmě mě napadla převodovka, ale někde jsem se dočetl, že by se za tímto účelem dal použít i frekvenční měnič. Tak bych se chtěl zeptat, jak je to v takové případě s asynchonním generátorem, kde konkrétně potom bere jalovou (magnetizační) energii, když je měničem oddělen od sítě. Musí se použít nějaký kondenzátor a nebo si generátor vystačí se stejnosměrným meziobvodem (pokud se to neřeší nějakým maticovým měničem).

Dále nerozumim, jak vlastně frekvenční měnič udrží jmenovité otáčky turbíny? Protože jestli tomu správně rozumím, tak pokud by bylo míň vody, tak by se otáčky turbíny přirozeně zmenšili třeba na polovinu, následně díky frekvenčnímu měniči by se udržely jmenovité otáčky, ale to by pak už nebyl generátorický režim. Tak pokud by mi někdo dokázal vysvětlit, kde je v mé úvaze chyba a nebo jaká je správná podstata této regulace.

[Jiří Schwarz]

Když to napíšu hodně zjednodušeně, tak u MVE s asynchronním motorem s kotvou nakrátko, využitým jako generátor, se otáčky "regulují samy".
Pokud se motor točí menšími otáčkami, než je točivé pole sítě, funguje jako spotřebič, odebírá energii.
Pokud se dostane do synchronních otáček, neměl by odebírat nic (nějaké ztráty a tedy minimální odběr tam bude)
Pokud ho vnější silou roztáčíme na vyšší otáčky než točivé pole sítě, stává se z něj generátor, začíná dodávat energii, čím vyšší otáčky, tím více energie by dodával, ale to jej zase brzdí, takže tím, že přivedeme tolik mechanické energie, která je v nějakém vztahu k jmenovitému výkonu motoru (generátoru),  pokud je síť dost "silná s ohledem na výkon našeho zařízení",  v podstatě se nám to reguluje samo...

[Jirka Š. Svejkovský]

Předpokládám, že se mluví o ostrovním režimu MVE.

Frekvenční měnič použitelný není, spíš střídač pro FVE určený pro ostrovní režim. Ten pracuje s DC napětím v poměrně širokém rozsahu a s velkou účinností. Výstup z generátoru by se musel usměrnit nějakým 6 pulzním usměrňovačem a poslat na vstup střídače. Jenom ta cena ...

Pokud se nejedná o ostrov, ale o dodávku do sítě, pak se generátor bude točit zhruba stejně, jako síť. Pokud pomaleji (málo vody),  bude proud odebírat (a měl by být automatikou odpojen od sítě). Pokud rychleji (hodně vody),  bude dodávat.

[Jan Klimes]

O ostrovní systém by se nejednalo. Rozumím tomu, že pokud mám 4-polový asynch. generátor, tak ho musím točit většími otáčkami než 1500 min-1

V materiálech z FSI a FAST z VUT jsem vyčetl, že regulace u vírové turbíny se provádí skrz frekvenční měnič.

viz:
zdroj: http://www.fce.vutbr.cz/VST/zubik.p/LDA2.pdf

viz:
Zdroj: http://web.natur.cuni.cz/sbv/soubory/t/hydra.pdf SLIDE 22

a mě jde o to udržet turbínu v optimálních otáčkách při co nejvyšší účinnosti

viz:

[Jiří Polášek]

Frekvenční měnič se používá, pokud se otáčky turbíny v optimálním pracovním bodu neshodují, případně ani nepřibližují k synchronním otáčkám generátoru a mechanická převodovka by v daném případě byla energeticky nerentabilní. Dále se to používá u turbín, kde se mění pracovní podmínky chodu (různé pracovní tlaky a teploty),  takže optimální prac. bod turbíny plave v širokém rozsahu. Logickou podmínkou ale je, že měnič musí být 4-Q, nebo musí sestava měniče obsahovat rekuperační jednotku. Takže určitě ne měnič z první "drogerie".

[Martin Kurka]

A výstupní frekvence onoho měniče není, jak bývá zvykem, proměnlivá, ale pevná, 50,00Hz.
Jemňounkým nastavení žádané výstupní frekvence přes 50,00Hz bude frekvenční měnič ďábelsky brzdit turbínu (při snaze zvýšit měničem fekvenci tvrdé distribuční sítě se zvýší odběr mechanické energie z turbíny). Spíš půjde o fázové, než frekvenční řízení a problém je s přesným nafázováním při courání se frekvence sítě. I z tohoto důvodu nepůjde o běžný měnič.
Nebo napětím na vstupu měniče lze též regulovat mechanickou zátěž turbíny. Snaha o zvýšení napětí tvrdé distribuční sítě také znamená změnu mechanické zátěže generátoru a tím turbíny.

Naopak vstupní frekvence onoho měniče není pevná, ale proměnlivá, podle toho, kolik točí turbína se synchronním generátorem. A vstupní frekvence může být ve značném rozsahu, to znamená i otáčky turbíny. Jen by měl vrchol účinnosti turbíny otáčkově souhlasit s optimální frekvencí synchronního generátoru.  

Podle mne synchronní generátor musí mít vlastní regulační smyčku buzení, aby výstupní napětí pro měnič bylo konstantní a nejméně 3x400V.
A též podle mne dnes je výhodnější použít solární střídač a k němu předřazený třífázový transformátor s dvanáctipulzní m usměrňovačem, pak by šel i výstupní výkon turbíny a tím i otáčky řídit výstupním napětím ze synchronního generátoru do střídače, to znamená buzením synchronního generátoru.
Protože solární střídač má už všechny obvody pro spolupráci na síti a detekci kmitočtu, fáze a napětí sítě hotové.
Akorát by se musela ve FW měniče upravit tabulka optimálního napětí a proudu FV panelu na optimální tabulku turbíny.

[Kastner Lubomír]

Musím se přiznat, že nějak nerozumím otázce tazatele. Chcete regulovat otáčky turbíny? Otáčky turbín MVE se regulují natáčením lopatek turbíny a průtokem vody. Stabilita otáček se ve většině případů řeší setrvačníkem. Stabilní otáčky turbíny mají vliv na poháněný generátor a výrobu el. energie a to jak na napětí, proudy, frekvenci ale i cos. A velmi důležité je přesné vyrovnání os turbíny, setrvačníku a generátoru do rovnoběžné osy ne všech třech směrech. Jinak bude docházet k vibracím a rychlému poškození generátoru a uložení turbíny i setrvačníku. Už samotná výroba el. energie v generátoru je zdrojem vibrací. I proto by se mělo věnovat vyrovnání opravdu zvýšená pozornost. Jinak hrozí v tom lepší případě ohnuté hřídele generátoru nebo dokonce ulomení. Osobně to pamatuji v několika případech neprofesionáln ě instalovaném generátoru. A další nebezpečí s tím spojené je spojení spojkou nebo řemenem, Správné prvky na spojce a nebo správný druh a napnutí řemene jsou zcela zásadní věci, které se ale velmi podceňují. A ještě k výrobě el. energie. Rozdíl bude i v tom, zda chcete el. energii dodávat do rozvodné soustavy a nebo zda vyrobenou el. energii budete spotřebovávat jen vy sám. Pro dodávání el. energie do rozvodné sítě platí velmi přísná pravidla a předpisy. Pro domácí použití je možné některé parametry zvolnit, ale může se to následně projevit na životnosti případně funkcí napájených zařízení.
   Možná by to chtělo více specifikovat a konkretizovat dotaz nebo řadu dotazů pro přesnější odpovědi. Jistě by pomohl i nákres soustrojí.

[Jan Klimes]

p. Polášek: Rozumím, že pokud se mění pracovní bod turbíny, tak mohu měničem zajistit "volnost" tohoto pracovního, protože síť bude připojena na výstup měniče, který už si jmenovité parametry pohlídá.

p. Kurka: Dočetl jsem se, že se jedná o vektorové řízení (což je pokud správně rozumím fázové) jinak, abych se přiznal tak si nedokážu představit co se děje pokud se měnič snaží vnutit síti vlastní frekvenci. Dodává tím činný výkon do sítě? Nebo to vytváří nějaký přechodový děj plný vyšších harmonických a akorát to brzdí turbínu?

p. Kastner: Ano chtěl bych zajistit, aby turbína vždy pracovala v optimálních otáčkách při maximální účinnosti. Budu se snažit otázku jasně sepsat.
Pokud mi klesne objem vody, což bude mít za následek snížení otáček, tak zdali je možné aby měnič udržel turbínu při jmenovitých otáčkách a zároveň se jednalo o generátorický režim?

Osobně mi to připadá jako hloupost, ale nechal jsem se zlákat prohlášením, že "Regulace změny otáček, probíhá pomocí frekvenčního měniče" viz. screenshoty výše. Ta regulace bude asi platit pouze proti tomu aby se turbína roztočila více než je zdrávo, ale nízké otáčky to řešit nebude. 

[Pavel Mužík_]

Pane Klimeši, napište alespoň základní data, ať víme, v jaké relaci se pohybujete - tedy například průtok a spád.  Ještě bych upozornil na to, že otáčky turbíny jsou obvykle podstatně menší, než 1500/min a proto byste musel mít převodovku, což je značně nevýhodné z mnoha důvodů. Obvykle se proto používá nízkootáčkový (tedy 8 i vícepólový) asynchronní motor (v nadsynchronníc h otáčkách ve funkci generátoru). Je sice robustnější, dražší, ale rozhodně je to lepší řešení, než převodovka.

[Jan Klimes]

Jedná se čistě o teoretickou rozvahu, ale na daném místě je Q90=2,5 m3 a sanační průtok je 0,4 m3,  takže kdybych byl schopný derivačním korytem odvést 1,5 m3 tak by to bylo asi reálné. Čistý spád zatím nemám změřený, když budu vycházet z odhadu, tak by se jednalo o cca 1,8 m. Při volbě turbíny jsem přemýšlel nad bánkiho a to z hlediska snadné výroby, ale pro takovouto hltnost a spád vychází délka lopatky 1,4 m což je hloupost stavět takové monstrum. A právě při hledání turbíny na takto malé spády jsem narazil na semi-kaplana a nebo právě na vírovou turbínu, jakožto novinku, která má být levnější na výrobu (díky absenci rozvaděče),  ale zase je instalovaná pouze na dvou lokalitách v ČR a zatím se (alepon co jsem pochopil) o akademickou záležitost.

[dolac]

Osobně mi to připadá jako hloupost, ale nechal jsem se zlákat prohlášením, že "Regulace změny otáček,  probíhá pomocí frekvenčního měniče" viz. screenshoty výše. Ta regulace bude asi platit pouze proti tomu aby se turbína roztočila více než je zdrávo, ale nízké otáčky to řešit nebude. 

Nie je to hlúposť a p. Polášek vám to správne vysvetlil.
Nejedná sa o bežný FM, ale napr. o FM s rekuperáciou. Pokiaľ viem, také sa používajú u niektorých veterných elektrárni. Tieto VTE nie sú potom tak závisle na rýchlosti vetra a vedia fungovať prakticky vo veľmi širokom rozsahu otáčok. U MVE som sa s týmto riešením ešte nestretol. Je to asi akademický unikát, ako píšete. U väčšiny MVE totiž nieje problém regulovať otáčky. V podstate si ich sieť  ureguluje sama, stačí zabezpečiť dostatočný prítok vody, aby generátor neprešiel do motorického režimu.
Uvedomte si, že v článku sa nepíše o regulácii otáčok turbíny frekvenčným meničom na konštantnú hodnotu, ale o reguláciu zmeny otáčok,  čo nie je to isté. Rekuperačný frekvenčný menič zabezpečí, že aj keď sa budú otáčky turbíny meniť v relatívne širokom rozsahu, asynchrónny generátor bude pracovať stále v generátorickom režime v určitom pracovnom bode.

[Pavel Sládek148]

Dotaz z mého oboru, proto, snad pochopitelně, odpovím, navíc právě řešíme tuto situaci na jedné elektrárně:
1) sestava je turbína - v našem případě ještě mechanická převodovka - FM - asyn. generátor - síť
2) parametry lokality se mění - tj. spád a průtok je značně závislý na přírodních podmínkách v daném čase - aby se s tímto dokázala turbína vyrovnat musí na základě průtoku změnit své otáčky
3) generátor pracuje s nadsynchronním i otáčkami (o skluz) přibližně stále stejnými - drží ho síť
4) FM pracuje v podstatě jako převodovka s proměnným převodem - pokud je FM nastaven na převod 1:1 tj. 100%,  otáčí se turbína stejně rychle jako generátor (jako by tam FM ani nebyl) a bere nejvíce vody,
Pokud je FM nastaven na 1:2, tj. 50% otáčí se turbína polovičními otáčkami, než generátor (ten se otáčí pořád stejně) a bere poloviční množství vody atd.
FM jde nastavit i na více něž 100%,  pak se turbína otáčí ještě rychleji a bere ještě více vody a naopak.
Samotný pohod turbínou způsobí, že generátor je stále v nadsynchronníc h otáčkách a FM je jen mezičlánek.
Jako generátor je použit normální asynchronní motor, ale s ventilátorem s vlastním pohonem (při nízkých otáčkách by již nestíhal chladit)
V našem případě se jedná o regulaci Archimédova šroubu ve funkci turbíny, tedy objemového stroje, kdy platí čím více otáček, tím vetší průtok. S vírovou turbínou bych neztrácel čas, Bánkiho se sem také nehodí - přijdete o kus spádu. Doporučuji 2xTM5 (dříve MT5) s natáčivými lopatkami kola - není potřeba FM, nebo právě Archimédův šroub - je potřeba FM.
S FM si budou hrát naši elektrikáři, já jsem strojař.