Opwekkingssysteem

Opwekkingssysteem

Definitie

Een opwekkingssysteem is een cruciaal onderdeel van synchrone machines, belast met het leveren van de vereiste veldstroom aan de rotorwinding. Kort gezegd is het ontworpen om magnetische flux te genereren door een elektrische stroom door de veldwinding te laten gaan. Belangrijke kenmerken die een ideaal opwekkingssysteem definiëren, zijn onwankelbare betrouwbaarheid in alle bedrijfssituaties, eenvoudige besturing, gemakkelijk onderhoud, stabiliteit en een snelle tijdelijke respons.

De grootte van de opwekking die een synchrone machine nodig heeft, hangt af van meerdere factoren, waaronder de belastingstroom, de belastingsfactor en de rotatiesnelheid van de machine. Grotere belastingstromen, lagere snelheden en traaglopende belastingsfactoren vereisen een hoger niveau van opwekking binnen het systeem.

In een opwekkingsopstelling heeft elke alternator meestal zijn eigen opwekker, die fungeert als een generator. In een gecentraliseerd opwekkingssysteem worden twee of meer opwekkers gebruikt om stroom te leveren aan de busbar. Hoewel deze gecentraliseerde benadering kosteneffectief is, kan een fout in het systeem een nadelige invloed hebben op de alternators die in de energiecentrale werken.

Soorten Opwekkingssystemen

Het opwekkingssysteem kan voornamelijk worden ingedeeld in verschillende soorten, waarvan de volgende drie de belangrijkste zijn: DC-opwekkingssysteem, AC-opwekkingssysteem en statisch opwekkingssysteem. Daarnaast zijn er subtypes zoals Rotor-opwekkingssysteem en Borstelvrij opwekkingssysteem, die hieronder in detail zullen worden uitgelegd.

DC-opwekkingssysteem

Het DC-opwekkingssysteem bestaat uit twee opwekkers: een hoofdopwekker en een pilootopwekker. Een automatische spanningregelaar (AVR) speelt een cruciale rol in dit systeem door de uitvoer van de opwekkers te regelen. Deze regeling is gericht op de nauwkeurige controle van de uitgangsspanning van de terminal van de alternator. De invoer van een stroomtransformator naar de AVR fungeert als een beveiliging, waardoor wordt verzekerd dat de alternatorstroom tijdens storingen wordt beperkt.

Wanneer de veldschakelaar in de open positie staat, is een veldafleidingweerstand verbonden over de veldwinding. Gezien de sterk inductieve aard van de veldwinding is deze weerstand essentieel voor het afvoeren van de opgeslagen energie, waardoor de systeemcomponenten beschermd worden tegen mogelijke schade door geïnduceerde spanningen.

DC-opwekkingssysteem (vervolg)

Zowel de hoofd- als de pilootopwekkers kunnen op twee manieren worden aangedreven: direct door de hoofdas van de synchrone machine of onafhankelijk door een externe motor. Direct aangedreven opwekkers zijn vaak de voorkeur. Dit komt omdat ze de integriteit van het operationele systeem van de eenheid behouden, waardoor het opwekkingsproces onaangetast blijft door externe verstoringen.

De hoofdopwekker heeft doorgaans een spanning van ongeveer 400 volt, en de capaciteit is ongeveer 0,5% van de capaciteit van de alternator. Bij turbo-alternators komen echter relatief veel problemen met de opwekkers voor. De hoge rotatiesnelheden van deze machines leiden tot een verhoogde slijtage, waardoor de opwekkers vatbaarder zijn voor defecten. Om dit op te lossen, worden apart aangedreven opwekkers als stand-by-eenheden geïnstalleerd, klaar om over te nemen in geval van eventuele storingen van de primaire opwekkers.

AC-opwekkingssysteem

Het AC-opwekkingssysteem integreert een alternator en een thyristor rectifierbrug, die beide rechtstreeks gekoppeld zijn aan de hoofdas van de hoofdalternator. De hoofdopwekker binnen dit systeem kan op twee manieren werken: zelfopwekking, waarbij hij zijn eigen magnetisch veld genereert om elektrische uitvoer te produceren, of aparte opwekking, die afhankelijk is van een externe energiebron om het opwekkingsproces te initiëren. Het AC-opwekkingssysteem kan verder worden ingedeeld in twee afzonderlijke categorieën, elk met hun eigen unieke kenmerken, die hieronder in grotere detail worden verkend.

Rotatie Thyristor Opwekkingssysteem

Zoals getoond in de bijbehorende figuur, heeft het rotatie thyristor opwekkingssysteem een duidelijk gedefinieerde roterende sectie, aangeduid met een gestippelde lijn. Dit systeem bestaat uit een AC-opwekker, een stationaire veldwinding en een roterende armatuur. De uitvoer van de AC-opwekker wordt gerektilificeerd door middel van een full-wave thyristor bridge rectifier circuit. Deze omgezette gelijkstroomuitvoer wordt vervolgens toegevoerd aan de veldwinding van de hoofdalternator, waardoor het noodzakelijke magnetische veld voor de werking van de alternator wordt gegenereerd.

In het rotatie thyristor opwekkingssysteem wordt de veldwinding van de alternator ook gevoed via een extra rectifiercircuit. De opwekker kan zijn spanning opbouwen door gebruik te maken van zijn residuele magnetische flux. Het voedingseenheid, in combinatie met de rectifiercontrolemechanisme, genereert precies gecontroleerde triggerseinen. In de automatische bedrijfsmodus wordt eerst het alternatorspanningsignaal gemiddeld en dan rechtstreeks vergeleken met de door de operator ingestelde spanningsschakelwaarde. Tijdens de handmatige bedrijfsmodus wordt de opwekkingsstroom van de alternator vergeleken met een apart, handmatig afgestelde spanningverwijzing.

Borstelvrij Opwekkingssysteem

Het borstelvrij opwekkingssysteem is weergegeven in de onderstaande figuur, met de roterende componenten duidelijk omsloten binnen een gestippelde rechthoek. Dit geavanceerde systeem bestaat uit een alternator, een rectifier, een hoofdopwekker en een permanente magneetgenerator. Zowel de hoofd- als de pilootopwekkers worden aangedreven door de hoofdas van de machine. De hoofdopwekker heeft een stationaire veldwinding en een roterende armatuur. De uitvoer van de roterende armatuur is direct verbonden, via siliciumrectifiers, met de veldwinding van de hoofdalternator, waardoor een naadloze en borstelvrije overdracht van elektrische energie voor opwekkingdoeleinden wordt gewaarborgd.

De pilootopwekker is een as-aangedreven permanente magneetgenerator. Het heeft roterende permanente magneten die aan de as zijn bevestigd en een driefasige stationaire armatuur. Deze armatuur levert stroom aan het veld van de hoofdopwekker via siliciumrectifiers, waardoor uiteindelijk de opwekking van de hoofdalternator wordt bijgedragen. Bovendien, in een andere configuratie, gebruikt de pilootopwekker, nog steeds een as-aangedreven permanente magneetgenerator, driefase full-wave fasegecontroleerde thyristorbruggen om de hoofdopwekker te voeden.

Het borstelvrij opwekkingssysteem biedt verschillende opmerkelijke voordelen. Door het gebruik van commutatoren, kollectoren en borstels te elimineren, wordt het onderhoud aanzienlijk verminderd. Het heeft ook een zeer korte tijdconstante, met een reactietijd van minder dan 0,1 seconden. Deze korte tijdconstante verbetert de dynamische prestaties van het systeem bij kleine signaalverstoringen, waardoor het sneller en nauwkeuriger kan reageren op kleine elektrische verstoringen. Bovendien vereenvoudigt het de integratie van aanvullende netsabiliseringsignalen, die cruciaal zijn voor het behoud van netstabiliteit.

Statisch Opwekkingssysteem

In het statische opwekkingssysteem wordt de elektrische voeding direct afkomstig van de alternator. Dit wordt bereikt door middel van een driefase ster/delta verbonden stroomafbuistransformator. De primaire winding van deze transformator is verbonden met de alternatorbus, terwijl de secundaire winding meerdere functies vervult. Het levert stroom aan de rectifier, die de wisselstroom omzet in gelijkstroom voor opwekkingdoeleinden. Daarnaast levert het elektrische energie aan het netwerkcontroleschakeling en andere bijbehorende elektrische apparatuur, waardoor de naadloze werking van het gehele opwekking- en controlsysteem wordt gewaarborgd.

Het statische opwekkingssysteem heeft een indrukwekkend korte reactietijd, waardoor het snel kan reageren op veranderingen in elektrische omstandigheden. Deze snelle responsiviteit zorgt voor uitstekende dynamische prestaties, waardoor het systeem stabiel kan blijven werken, zelfs onder fluctuerende belastingen en variërende elektrische eisen.

Een van de belangrijkste voordelen van dit systeem ligt in de mogelijkheid om de exploitatiekosten aanzienlijk te verlagen. Door traditionele opwekkers te vervangen, worden windage-verliezen – de energie die wordt gedissipeerd door de wrijving tussen bewegende delen en de omringende lucht – geëlimineerd. Bovendien, zonder de noodzaak voor regelmatig onderhoud van opwekkers, worden onderhoudskosten aanzienlijk verlaagd. Deze kostenbesparende kenmerken maken het statische opwekkingssysteem een economisch aantrekkelijke optie voor een breed scala aan toepassingen.