Cascata hipossíncrona

A cascata hipossíncrona ( máquina de indução de alimentação dupla em inglês, máquina literalmente assíncrona com alimentação dupla , abreviada em DFIG em inglês) é um dispositivo que utiliza eletrônica de potência e permite controlar a velocidade e o consumo de potência reativa de uma Máquina assíncrona a bobina rotor . Em caso de redução da velocidade, esta disposição tem a vantagem de não reduzir a eficiência , sendo a energia devolvida à rede . A técnica consiste em colocar um conversor de frequência entre a rede elétrica e a alimentação do rotor do motor.

Esta técnica é utilizada para motores de grande porte, em casos de faixa de velocidade limitada, por exemplo, determinadas bombas, ventiladores e, principalmente, turbinas eólicas .

Princípio

A energia é retirada do rotor e realimentada na rede de distribuição. Isso tem o efeito de aumentar o escorregamento e, portanto, desacelerar a máquina, sem degradar a produção.

A montagem também permite realizar a operação reversa, ou seja, tirar força da rede para acelerar o motor. Portanto, não estamos em hipersincronismo e não mais em hipossincronismo.

Como a amplitude e a pulsação das tensões do rotor são diferentes das tensões da linha, o retorno da energia à rede só pode ser feito após a conversão da tensão e da frequência.

Equação básica

O escorregamento, g, é a diferença de velocidade entre o campo do rotor e do estator expressa como uma porcentagem da frequência de rotação.

nãos-não=g⋅nãos{\ displaystyle n_ {s} -n = g \ cdot n_ {s}}, é g=nãos-nãonãos{\ displaystyle g = {\ frac {n_ {s} -n} {n_ {s}}}}

Com a frequência de rotação do campo do estator na máquina e a frequência de rotação da máquina. nãos{\ displaystyle n_ {s}}não{\ displaystyle n}

O escorregamento está diretamente relacionado ao consumo de energia ativa do motor:

Ps=Pmevsh+g⋅Ps⏟Pr{\ displaystyle P_ {s} = P_ {mech} + \ underbrace {g \ cdot P_ {s}} _ {P_ {r}}}

Desconsiderando as perdas, a potência do rotor ,, é proporcional ao escorregamento multiplicado pela potência do estator . Pr{\ displaystyle P_ {r}}Ps{\ displaystyle P_ {s}}

No caso da cascata hipossíncrona, a potência do rotor também é igual à potência do circuito de tensão CC, que pode ser controlada: PDVS{\ displaystyle P_ {DC}}

g⋅Ps=vocêDVS⋅euDVS=PDVS{\ displaystyle g \ cdot P_ {s} = U_ {DC} \ cdot I_ {DC} = P_ {DC}}

Onde e são, respectivamente, a tensão DC e a corrente do circuito intermediário. O conversor deve, portanto, ser dimensionado de modo a ter: vocêDVS{\ displaystyle U_ {DC}}euDVS{\ displaystyle I_ {DC}}

|gmnox|⋅Ps=PDVSmnox{\ displaystyle | g_ {max} | \ cdot P_ {s} = P_ {DCmax}}

Se a faixa de velocidade desejada for limitada, ou seja, o escorregamento for limitado, a potência do conversor pode ser limitada.

Conversor

Os três enrolamentos do rotor são conectados a um retificador cuja corrente de saída é suavizada por uma bobina de alta indutância . O retificador é geralmente construído com base em IGBT . Esta corrente contínua alimenta um inversor trifásico que produz um sistema de corrente alternada trifásico sincronizado com a frequência da rede. A saída do inversor é conectada à rede de distribuição por meio de um transformador trifásico para adequar o nível de tensão.

O inversor pode ser utilizado como conversor para tiristores operando em inversor assistido utilizado na recuperação de energia, ou seja, inversor chaveado pela carga, ou IGBTs controláveis ​​baseados em inversor. A primeira montagem, porém, permite apenas que a rotação do motor seja reduzida, enquanto a segunda também pode fazer com que ele acelere se necessário.

Regulamento

Em termos de regulação, se isso gerencia as correntes do rotor como costuma acontecer, uma máquina assíncrona com uma cascata hipossíncrona se comporta exatamente como uma máquina síncrona com velocidade variável. O controle vetorial é freqüentemente usado para dar um melhor comportamento dinâmico do sistema. O controle de torque direto também é possível.

Vários

Para reduzir a corrente que flui pelo conversor e, consequentemente, suas perdas, o enrolamento do rotor é construído com mais voltas do que o estator. No entanto, isso tem a desvantagem de aumentar a tensão do rotor. É impossível para o motor operar fora da faixa de velocidade pretendida, fazendo com que a tensão do rotor fique mais alta do que o conversor pode suportar. A tensão do rotor também pode aumentar repentinamente durante uma falha na rede elétrica, um circuito de proteção curto-circuitando os IGBTs ou tiristores é necessário para evitar sua destruição.

Além disso, o consumo de energia reativa do motor sendo coberto pelo estator e pelo rotor, a amplitude das correntes do estator é reduzida em comparação com um motor assíncrono simples. Uma máquina em cascata hipossíncrona assíncrona tem até a capacidade de fornecer energia reativa à rede.

A principal desvantagem da cascata hipossíncrona é a necessidade de um rotor motorizado e, portanto, anéis e escovas sujeitos a desgaste. O motor assíncrono de gaiola de esquilo não pode ser usado.

Aplicativo

As turbinas eólicas são a principal aplicação da cascata hipossíncrona. Tem sido usado desde a década de 1980 no projeto Growian e continua sendo uma das tecnologias mais difundidas. Em comparação com uma máquina síncrona montada em série com um conversor de frequência, o motor assíncrono em cascata hipossíncrona tem um conversor de frequência de tamanho menor. No entanto, a primeira tecnologia pode usar ímãs permanentes e, portanto, dispensar uma fonte de alimentação externa para o rotor e, portanto, uma bucha e escovas que requerem manutenção.

Em 2004, o maior motor assíncrono em cascata hipossíncrono da Europa foi colocado em serviço. É usado na usina hidrelétrica reversível Goldisthal , na Turíngia . Ambos os motores têm uma potência nominal de 265 MVA, 325 na rotação do motor e 265 no gerador, e uma faixa de velocidade de -10 a + 4%.

De 1985 a 1990, cinco motores alimentaram duplamente a máquina elétrica usada na subestação Neuhof  (in) troca de energia elétrica entre a Alemanha Ocidental e a Alemanha Oriental .

Vantagens e desvantagens

Benefícios:

• velocidade variável;
• controle independente do consumo de energia ativa e reativa;
• pequeno inversor comparado a uma máquina síncrona combinada com um conversor de frequência;
• perdas reduzidas em comparação com uma máquina síncrona combinada com um conversor de frequência.

Desvantagens:

• acionado por rotor, portanto, é necessária a manutenção dos anéis e escovas;
• sensível a variações na rede elétrica;
• faixa de velocidade mais limitada em comparação com uma máquina síncrona combinada com um conversor de frequência.

Referências

• (de) Este artigo foi retirado parcial ou totalmente do artigo da Wikipedia em alemão intitulado “  Doppelt gespeiste Asynchronmaschine  ” ( ver a lista de autores ) .

• (pt) Este artigo foi retirado parcial ou totalmente do artigo da Wikipedia em inglês intitulado "  Doubly fed electric machine  " ( consulte a lista de autores ) .

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Bibliografia

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• (de) Siegfried Heier , Windkraftanlagen, Systemauslegung, Netzintegration und Regelung. , Stuttgart, BG Teubner ,2005, 450  p. ( ISBN  3-519-36171-X ).
• (de) Alberto Ortega Fraile , Die doppeltgespeiste Asynchronmaschine: Untersuchung als Generator für eine Windkraftanlage , Vdm Verlag Dr. Müller,2008, 66  p. ( ISBN  978-3-639-03244-4 ).

Link externo

• (de) "  Digital gesteuerte Windkraftanlagen für den mit Megawattbereich doppelgespeistem Asynchrongenerator ohne Lagegeber  " (acessado em 1 st agosto 2015 ) .