Como faço para corrigir a velocidade de um gerador?

Se eu precisar gerar energia em uma frequência especificada, preciso garantir que o rotor do gerador gire a uma velocidade especificada (rpm). Mas quando estou girando com vapor ou água, como controle essa velocidade? Parece-me que as forças mecânicas que giram o gerador de alguma forma precisam se equilibrar para conseguir isso. Como exatamente isso é feito?

Eletricamente

Alguns sistemas fazem isso eletricamente. O gerador gera CC ou a CA de frequência variável é retificada para formar CC e, em seguida, um inversor produz a frequência CA desejada. Comum em pequenas turbinas eólicas mais modernas.

Mecanicamente

Outros sistemas são controlados mecanicamente para obter a frequência desejada. O mecanismo usado seria chamado de governador . A maioria dos reguladores mecânicos simples não é muito precisa, portanto isso não seria suficiente para um dispositivo conectado à rede. Também é possível fazer governadores mais precisos, que funcionem mecanicamente de maneira semelhante ao parágrafo abaixo, que são comumente usados ​​em motores de combustão interna.

Com Feedback

Outra abordagem, e provavelmente a mais comum, é ter algum tipo de feedback. Um microcontrolador monitora a frequência que está sendo gerada e ajusta o sistema mecânico através de alguma forma de servo para obter a frequência correta. Por exemplo, poderia abrir e fechar um portão de comporta para ajustar o fluxo de água através de uma turbina. Um sistema mais complicado poderia ajustar a comporta e as pás da turbina para manter a frequência correta e também variar a potência de saída.

Operação síncrona em grade

Em alguns casos, pode não ser necessário. Se você tem uma pequena turbina eólica, conectada à rede elétrica perto de uma usina de carvão, basta conectá-la e esquecê-la. As enormes turbinas da usina estabilizam a frequência da rede e fixam a velocidade de rotação da turbina eólica. Se o vento sopra mais forte, você fica mais atual e com uma ligeira mudança no fator de potência. Observe que, à medida que mais e mais turbinas eólicas são adicionadas, as pessoas que dirigem a usina ficam cada vez menos felizes com isso, de modo que o operador da rede eventualmente a banirá.

Se eu precisar gerar energia em uma frequência especificada, preciso garantir que o rotor do gerador gire a uma velocidade especificada (rpm).

Não, isso não é necessariamente verdade. Muitos geradores eólicos usam um gerador de indução duplamente alimentado (DFIG) e que pode regular a frequência controlando o enrolamento do rotor: -

Eles podem converter energia em uma frequência em outra frequência, ou seja, podem produzir 50/60 Hz, mesmo que o rotor esteja funcionando muito lentamente. Isso é feito através da injeção de uma corrente CA nas bobinas do rotor. O sistema de controle que obtém isso também pode alterar o ângulo de inclinação da turbina como outro meio de aumentar ou diminuir a velocidade de rotação mecânica.

Para mais informações, leia esta resposta EE .

Mas quando estou girando com vapor ou água, como controle essa velocidade?

Pode haver situações em que há muita velocidade de rotação e, embora o DFIG possa lidar com isso, é melhor ter uma abordagem combinada, como o controle do ângulo de inclinação mostrado na imagem acima.

No entanto, o resultado final inevitável é que, se você possui uma fonte abundante de energia mecânica e demanda de carga muito pequena naquele momento, é necessário desconectar o gerador da rede. Se você não "possuir" uma grade, precisará de um suprimento de reserva que atenda à baixa demanda de energia e isso geralmente significa um gerador a diesel ou energia solar por meio de um inversor.

É para isso que serve um governador .

A versão mecânica é um dispositivo que usa força centrífuga ou um soprador para acionar o acelerador / admissão para desacelerar o motor quando a velocidade aumenta demais.

Você pode torná-lo eletrônico com um sensor de RPM e um acelerador / admissão controlado eletronicamente.

Na minha experiência (limitada) de projeto de gerador, você deve considerar vários fatores:

• Velocidade de entrada mecânica (turbina, roda, etc)

• Poder da entrada mecânica

• Voltagem de saída

• Corrente de saída

• Potência de saída (que depende da tensão e corrente, mas geralmente você deseja maximizar isso, em um ponto de potência de pico)

Em muitos casos, o que você deseja manter é uma saída de tensão constante, que varia com a carga elétrica; corrente mais alta faria com que a saída caísse.

Na sua configuração, você se preocupa apenas com a velocidade do eixo (por qualquer motivo). Há duas maneiras de fazer isso: controlar a energia de entrada ou controlar a energia de saída.

Se você sabe que sua potência mecânica sempre será maior que a potência de saída, use um governador ou similar, o que limitará a potência do eixo para manter a velocidade constante. Isso controlará a energia de entrada de uma maneira simples.

Se você não pode garantir que sua entrada mecânica seja maior, precisará limitar sua potência de saída de alguma forma. Fiz isso onde controlamos a corrente de saída através de um controlador de feedback PID para manter a velocidade do eixo em valores fixos. Mas isso ocorreu em um sistema DC, onde tínhamos uma bateria grande para empurrar a corrente durante períodos de suprimento elevados e consumir durante períodos de suprimento mais baixos.

Não é assim que é feito, mas é o que pode ser feito: varia a carga para modular a velocidade.

Você pode imaginar um banco de carga auxiliar (potencialmente muito grande) além da carga normal, com a fonte de energia de entrada dimensionada para fornecer energia pelo menos suficiente para a carga normal em todas as condições. Isso não é completamente impensável para instalações hidrelétricas, já que a cabeça é o determinante usual. Então, conforme a carga e a entrada variam, o banco auxiliar é controlado para que a demanda total no gerador produz carga mecânica na entrada, o que mantém a frequência de saída no ponto desejado.

E não, essa não é uma sugestão séria, mas pode ser feita.