Generator med kondensatorpakke?

[BigJackW]

Var å feilsøkte på en generator i dag, viste seg at en av kondensatorene i kondensatorbanken var defekt. Men hvilken hensikt har disse kondensatorene egentlig. Dette var en veldig liten generator på 230v/15kw. Koblingsskjema vedlagt. Kan se ut som at de er koblet i en slags trekantkonfig? Kondensatorene var 100µF og rundt 480volt eller noe rundt der.

[Twinflower]

Jeg gjetter på at denne "generatoren" egentlig var en asynkronmaskin satt til å jobbe som generator.

Typisk i veldig små kraftverk for elver og liknende.

 

 

For at en asynkronmaskin skal virke må den tilføres reaktiv effekt. DÉT er hensikten til kondensatorene. 

Den reaktive effekten brukes for å magnetisere opp viklingene og sette opp et roterende magnetfelt som igjen induserer spenning på rotoren. Denne spenningen fører til at det går strøm i rotorviklingene og dette setter opp et annet magnetfelt. 

 

Magnetfeltet fra rotoren vil da prøve å jage etter magnetfeltet til stator på samme måte som en hund prøver å jage sin egen hale.

 

Asynkronmaskinen er i tillegg ... asynkrong (big surprise). Det innebærer at statorfeltet roterer raskere enn rotorfeltet. Dette er viktig fordi denne fartsforskjellen er det som skaper indusert spenning i rotor. Hadde rotorfeltet og statorfeltet rotert like fort (som i en synkronmaskin) ville det rett og slett ikke fungert med mindre strøm til rotor var tilført på en annen måte (enten ved sleperinger eller via en invertert generator på samme aksling, også kalt børsteløs synkronmaskin).

 

 

Jeg kunne fortsatt i all evighet med dette, men kort oppsummert:

 

Kondensatorene tilfører den reaktive effekten som trengs for å sette opp magnetfeltet som får (siden dette er generator og ikke motor) statorfeltet til å jage etter rotorfeltet og dermed produsere elektrisk kraft.

Alternativet er å bruke en dyrere og større synkronmaskin som i tillegg trenger magneter i rotor og egen spenningsregulator.

 

Merk forøvrig at en asynkronmaskin er håpløs å regulere. Den bør kobles til et stivt nett (altså land-nettet eller et annet nett med spenningsregulerte generatorer) ellers vil spenningen variere med belastningen. Noe som kanskje er akseptabelt i visse situasjoner.

 

 

 

OK?

[Twinflower]

Jeg kan fortsette litt til siden jeg lider av akutt lakenskrekk.

 

 

Uten kondensatorbanken ville ingenting skjedd om du roterte rotoren. En umagnetisert rotor er bare jern og kobber. Det samme gjelder stator, så det ville rotert men du ville målt 0 volt på klemmebrettet. Kort fortalt står kondensatorene for magnetfeltet som er det magiske i alt som handler om elektrisk energi, og definitivt alt som handler om elektriske maskiner som denne (og trafoer). Det kan du forøvrig takke Nikola Tesla for.

 

En vesentlig detalj jeg glemte i forrige innlegg er at hvis denne asynkrongeneratoren er tilkoblet nettet så kan den hente reaktiv effekt derfra. Da bør den først startes som motor før ventilene til elven (eller hva det er som driver akslingen) økes slik at eksternt påtrykket turtall er høyere enn turtallet som nettet prøver å drive den med. Altså oversynkront turtall. Da vil altså rotor gå fortere enn stator og rotorfeltet "drar" da stator (og det tilkoblede nettet) etter seg slik at effektflyten endrer retning fra inn-mot maskinen til ut-fra maskinen.

 

 

Et alternativ til en asynkronmaskin som begynner å bli billig er permanentmagnetmaskin. Eventuelt en asynkronmaskin med viklet rotor (men denne er så lite brukt at den betraktes mest som en kuriositet).

 

PM-maskinen har som navnet antyter permanentmagneter på rotor. Da slipper man dyre elektromagneter montert på rotor. Man slipper å tilføre strøm til rotor (som er en pain in the ass siden den roterer) og man slipper spenningsregulator (som er dyrt og må kunne programmereres og tunes skikkelig). 

Ulempen er igjen at den ikke kan regulereres*, men man sparer mye styr som man ellers må ha med til vanlige synkronmaskiner med elektromagneter.

 

*= Det går an å produsere en PM-maskin med altfor sterkt magnetfelt. Da kan man koble til en frekvensomformer som styrer feltet ved å presse det ned. Altså sette opp et motfelt slik at man regulerer den med å minke feltet nedover og oppover, istedenfor å sette opp et felt fra ingenting og styre det derfra. Problemet med denne metoden er at hvis maskinen går med lav belastning og svært nedtrykket felt og så opplever felt-styringen en feil så dukket det opprinnelige PM-feltet opp igjen og induserer en altfor høy spenning. Dette kan skade tilkoblet utstyr eller isolasjonen i viklingene.

Endret 6. desember 2015 av Twinflower

[toreae]

@Twinflower,  må den tilføres reaktiv effekt? Trodde den "bare" måtte ha en minimus last.

[Twinflower]

Siden elektromaskinkompetansen min omtrent føles som the matrix i hodet mitt hvor jeg ser altfor mye informasjon samtidig uten å klare å formidle det i riktig rekkefølge så kan overnevnte kanskje virke noe .. forvirrende.

 

Jeg stiller med derfor tilgjengelig for alle spørsmål om alt som skulle vært uklart eller uavklart.

[Twinflower]

@Twinflower,  må den tilføres reaktiv effekt? Trodde den "bare" måtte ha en minimus last.

 

Uten eksternt nett må den tilføres reaktiv effekt.

 

Prøv å tenk litt på det:

Du har en "død" maskin med en roterende aksling. Du trenger magnetfelt for å overføre energi fra rotor til stator.

 

Hvor skal du få magnetfeltet fra?

[toreae]

 

@Twinflower,  må den tilføres reaktiv effekt? Trodde den "bare" måtte ha en minimus last.

 

Uten eksternt nett må den tilføres reaktiv effekt.

 

Prøv å tenk litt på det:

Du har en "død" maskin med en roterende aksling. Du trenger magnetfelt for å overføre energi fra rotor til stator.

 

Hvor skal du få magnetfeltet fra?

 

 

Den lastes vel reaktivt? Men kan ikke en ohms last gjøre det samme? Induktiv? Mulig min kunnskap ikke strekker til, min vil ikke strøm i statorviklingene uansett vedlikeholde feltet?

[BigJackW]

Flott, hadde håpet du skulle se innom Twinflower.

 

Var egentlig slik jeg så det for meg. Du har helt rett i at det er en asynkronmaskin. Generatoren står alene ombord på en liten servicebåt så det er ingen synkronisering mot nett her.

 

Har jobbet en del med større generatorer også der noen magnetisere ved hjelp av remanens i rotor. Hvorfor er ikke disse "død"? Disse har vel dog en magnetiseringsvikling og ikke en permanentmagnet generator i tilegg?

[Twinflower]

 

 

@Twinflower,  må den tilføres reaktiv effekt? Trodde den "bare" måtte ha en minimus last.

 

Uten eksternt nett må den tilføres reaktiv effekt.

 

Prøv å tenk litt på det:

Du har en "død" maskin med en roterende aksling. Du trenger magnetfelt for å overføre energi fra rotor til stator.

 

Hvor skal du få magnetfeltet fra?

 

 

Den lastes vel reaktivt? Men kan ikke en ohms last gjøre det samme? Induktiv? Mulig min kunnskap ikke strekker til, min vil ikke strøm i statorviklingene uansett vedlikeholde feltet?

 

 

 

OK, jeg har tenkt litt ekstra nå og kommet til at jeg har vært litt kjapp i én av svingene.

Når asynkronmaskinen er "død" vil det likevel være litt remanens igjen i jernet i rotoren. Med tilstrekkelig fart på rotor kan dette svake magnetfeltet sette opp en spenning i stator (ettersom det er stator som står stille og "ser" et roterende magnetfelt"). Dette fører til en svak oppbygging av spenning på statorklemmene.

 

På dette stadiet har man noe som minner veldig om en permanentmaskin som jeg beskrev i et tidligere innlegg.

 

Når man da tilkobler (eller allerede har tilkoblet) en kondensatorbank vil strøm starte å flyte fra generatoren og inn i kondensatorene. Årsaken er at strømmen som lader opp kondenstorene skaper et magnetfelt i viklingene som er i fase med rotorfeltet. Dette hadde ikke skjedd om lasten var induktiv eller ohmsk.

 

Så nå starter fenomenet som kalles "self-excitation" og fører til at statorfeltet forsterker rotorfeltet som igjen forsterker spenningen indusert i stator som igjen fører til mer strøm til kondensatorene. Som igjen fører til... you get the point. Effekten er altså selvforsterkende.

 

Denne "oppladningsprosessen" stopper når spenningskurven til kondensatorene krysser noload-spenningskurven til generatoren. Det er nå etablert en slags likevelt mellom generator og kondensator, og strømmen fra kondensatorene er akkurat nok til levere noloadspenning til maskinen.

 

Det er derfor spenningen synker når belastningen øker. Økt belastning gir økt behov for magnetiseringsstrøm fra kondensatorene, men man har bare akkurat nok til å holde nominell spenning ved null last.

 

Man kan øke kondensatorstørrelsen for å gi en høyere spenning til generator, men en generator er gjerne produsert for en bestemt merkespenning man ikke bør overgå i særlig grad. 

[Twinflower]

Flott, hadde håpet du skulle se innom Twinflower.

 

Var egentlig slik jeg så det for meg. Du har helt rett i at det er en asynkronmaskin. Generatoren står alene ombord på en liten servicebåt så det er ingen synkronisering mot nett her.

 

Har jobbet en del med større generatorer også der noen magnetisere ved hjelp av remanens i rotor. Hvorfor er ikke disse "død"? Disse har vel dog en magnetiseringsvikling og ikke en permanentmagnet generator i tilegg?

 

 

Fint å se jeg ikke skuffer

Dessuten, når jeg ser "generator" i en emnetittel så er jeg et ganske lett bytte. 

 

 

Nå skal jeg forklare deg om generatorer på skip. De er altså børsteløse (imotsetning til generatorer tilkoblet nettet på land) og under er en figur jeg laget til en generatorhåndbok en gang. Den er laget i sin helhet i Word, så beklager den litt crappy kvaliteten...

 

 

 

Det du må se nøye på er alt utstyret som er påhengt rotoren til venstre.

Der er det "exciter magnets" som har en veldig viktig remanens. Denne fører til at når maskinen starter opp, så er der et lite magnetfelt. Dette blir indusert i noen viklinger som er montert på rotor. 

Det som er viktig å ha klart for seg er at hele exciteren er en "invertert" generator som henger på samme aksling som hoveddelen. 

 

Altså, magneten er montert i stator og det er trefase viklinger surret rundt på rotoren.

Dette er årsaken til at man kaller den børsteløs. Man får overført energi fra stator til rotor trådløst, altså ved hjelp av induksjon.

 

Men vi har et problem.

De store elektromagnetene (kalt rotor magnets på figuren) trenger DC, men vi har jo laget AC i viklingene på rotor. Hm... Hvordan gjør vi AC om til DC på en roterende aksling?

 

Jo, man monterer dioder på selve akslingen (typisk er de montert på enden av akslingen, altså den flate delen. 

 

I figuren har jeg tegnet svarte streker for AC og rød/blå-streker for DC. Da ser du at de små viklingene (rotating exciter winding) på rotor lager AC som blir sendt til diodene (shaft mounted rectifier) som igjen sender DC til de store rotormagnetene. Så repeteres hele prosessen på nytt bare i omvendt rekkefølge - og mye kraftigere.

 

Typisk strøm fra spenningsregulator til exciter magnets er 1-5 ampere. Når disse er indusert og likerettet på rotoren så er det 100-200 ampere som går inn i de store rotormagnetene. 

Rotormagnetene setter da opp et statisk magnetfelt (alle magnetene er koblet i serie, men alternerende slik at nr 1 lager sørpolfelt, nr 2 lager nordpolfelt osv). Dette feltet roterer hurtig over statorviklingene som svarer med å sette opp en klemmespenning.

 

Som jeg nevnte i starten så er det remanensspenning i exciter magnetene. Denne er svært svak, men nok til å sette opp 5-10 % av nominell spenning på hovedklemmene ut av generator.

Det er denne spenningen AVR (som oftest*) benytter for å lage ny DC til de små excitermagnetene.

 

Så dette er også en slags selvforsterkende effekt.

 

* Noen AVRer kan også bli forsynt av egen krets, batteribank og liknende. Det er visse ulemper med å la AVR forsynes av sin egen generator, men det gjør også generatorsettet litt mer selvforsynt i tilfelle black ship etc.

 

 

Under er noen faktiske bilder jeg har tatt av de magnetene og viklingene jeg har snakket om:

 

Generator rotor med rotormagneter til høyre og den lille exciter winding montert til venstre:

 

 

 

Excitermagnetene som altså er montert i stator - det er disse som gir remanens til å starte generatoren og det er disse spenningsregulatoren faktisk sender DC til. (tilhører rotoren over):

 

 

 

Et bedre bilde av rotormagnetene (tilhører en liten 3-4 mva generator):

 

 

 

Meg selv inne i en stator (9 MVA generator for drillskip - tilhører rotoren på det første bildet)

 

 

 

Den roterende likeretteren/diodebroen som er montert på aksling (tre dioder en en varistor for overspenningsbeskyttelse - tilhører en 3ish MVA generator)

 

 

 

Typisk utrustning for styring av generator: De store svarte boksene er vern, den store hvite boksen er spenningsregulatoren. Resten er hovedsaklig "nødvendig tilbehør" 

 

[BigJackW]

I see. Har jobba mest med Stamford generatorer og de har en permanentmagnet-generator i tillegg for å generere magnetiseringsstrømmen i stede for å bruke remanensen i rotor. Regner med at å bruke slike på større generatorer er forholdvis kostbart og upraktisk? Resten fra AVR og videre er likt.

[Twinflower]

I see. Har jobba mest med Stamford generatorer og de har en permanentmagnet-generator i tillegg for å generere magnetiseringsstrømmen i stede for å bruke remanensen i rotor. Regner med at å bruke slike på større generatorer er forholdvis kostbart og upraktisk? Resten fra AVR og videre er likt.

 

 

er permanentmagnetgeneratoren montert på samme aksling eller er det en egen, separat maskin?

 

Grunnen til at det ikke brukes på større maskiner er at man er avhengig av å kunne regulere feltstrømmen, noe man som regel ikke har mulighet til ved bruk av permanentmagneter

[toreae]

Tilbake til asynkrongeneratoren. Kondensatorenes jobb er da bare i oppstarten, og da kan generatoren ikke ha annen last? Men en slik generator takler vel varierende last ganske dårligt?

[Twinflower]

Tilbake til asynkrongeneratoren. Kondensatorenes jobb er da bare i oppstarten, og da kan generatoren ikke ha annen last? Men en slik generator takler vel varierende last ganske dårligt?

 

Nei, den trengs hele tiden slik som jeg skriver.

Under oppstarten bygges magnetiseringsstrømmen fra kondensatorbanken gradvis opp, mens den i full drift mottar nominell magnetiseringsstrøm. 

Kutter du den ut så faller spenningen til ca 0 hvis den er belastet og til remanensspenning (fra rotorjernet) hvis den er ubelastet.

 

Og ja, varierende last betyr variererende spenning ettersom en ekte generator trenger varierende magnetiseringsstrøm ved varierende last, mens en kondesatorfødet generator kun får nok magnetiseringsstrøm til å opprettholde nominell spenning ved null last - og opplever synkende spenning ved økende last.

[BigJackW]

Samme aksling ja

 

[Twinflower]

Den løsningen har jeg ikke hørt om, men den var slett ikke dum.

 

Det eneste som forvirrer meg litt er at det fordyrer en allerede ikke-særlig-ideell generator. 

Kanskje den klarer å prise seg mellom asynkronmaskin-med-kondensator og PM-synkronmaskin.

 

Jeg vet ikke noe om levetiden på kondensatorer ved slik bruk, men de må vel (som tråden startet med) sikkert skiftes ut med jevne intervall mens en PM aux-generator på samme aksling har tilnærmet uendelig levetid. Samtidig fjerner man en feilkilde

[toreae]

 

Tilbake til asynkrongeneratoren. Kondensatorenes jobb er da bare i oppstarten, og da kan generatoren ikke ha annen last? Men en slik generator takler vel varierende last ganske dårligt?

 

Nei, den trengs hele tiden slik som jeg skriver.

Under oppstarten bygges magnetiseringsstrømmen fra kondensatorbanken gradvis opp, mens den i full drift mottar nominell magnetiseringsstrøm. 

Kutter du den ut så faller spenningen til ca 0 hvis den er belastet og til remanensspenning (fra rotorjernet) hvis den er ubelastet.

 

Og ja, varierende last betyr variererende spenning ettersom en ekte generator trenger varierende magnetiseringsstrøm ved varierende last, mens en kondesatorfødet generator kun får nok magnetiseringsstrøm til å opprettholde nominell spenning ved null last - og opplever synkende spenning ved økende last.

 

 

Så om man laster med en 14kw varmovn så går det bra, men en 14kw vifteovn vil feile pga at motoren i viften er induktiv, og vil "nulle" ut kondensatorene?

[Twinflower]

 

 

Tilbake til asynkrongeneratoren. Kondensatorenes jobb er da bare i oppstarten, og da kan generatoren ikke ha annen last? Men en slik generator takler vel varierende last ganske dårligt?

 

Nei, den trengs hele tiden slik som jeg skriver.

Under oppstarten bygges magnetiseringsstrømmen fra kondensatorbanken gradvis opp, mens den i full drift mottar nominell magnetiseringsstrøm. 

Kutter du den ut så faller spenningen til ca 0 hvis den er belastet og til remanensspenning (fra rotorjernet) hvis den er ubelastet.

 

Og ja, varierende last betyr variererende spenning ettersom en ekte generator trenger varierende magnetiseringsstrøm ved varierende last, mens en kondesatorfødet generator kun får nok magnetiseringsstrøm til å opprettholde nominell spenning ved null last - og opplever synkende spenning ved økende last.

 

 

Så om man laster med en 14kw varmovn så går det bra, men en 14kw vifteovn vil feile pga at motoren i viften er induktiv, og vil "nulle" ut kondensatorene?

 

 

 

Det er nærliggende å tro at induktiv last vil "stikke av" med strømmen levert av kondensatorene og dermed senke magnetiseringsstrømmen. 

Samtidig vil all last føre til økt behov for magnetiseringsstrøm (noe man ikke har) og dermed senke klemmespenningen. 

Trolig vil, som du er inne på, induktiv last føre til at klemmespenningen synker ytterligere fordi den i tillegg "stjeler" magnetiseringsstrøm. 

 

Jeg har aldri sett dette vært nevnt i literaturen eller av noen forelesere, så hvor reelt det er vet jeg ikke. Men intuitivt virker det som om det er slik det må henge sammen.

 

En kjapp utregning* viser forøvrig at behovet for reaktiv effekt til BigJackWs generator er på ca 150 uF per fase, mens skjemategningen viser 300 uF i fase (3x100uF i paralell). Det kan dermed tenkes at det er lagt inn marginer på reaktiv effektbehov til annen belastning også.

 

 

Utregningen er forøvrig banalt enkel:

 

 

Behov for reaktiv effekt (antar nominell effektfaktor lik 0.9):

 

Altså

per fase

 

Behov for magnetiseringsstrøm (antar 230V klemmespenning):

 

Reaktans per fase:

 

Kapasitans per fase (antar 50 Hz):

[toreae]

En effektfaktor på 0,71 vil gi 300uF... Ser at mitt eksempel med vifteovn må være mye vifte og lite ovn for å være aktuelt. Asynkrongeneratoren er vel uansett en spesiell løsning. I ett nett må vel turtallet økes med økende belastning? Hvor, og hvor mye brukes asynkrongeneratoren?

 

Fra #2

"Merk forøvrig at en asynkronmaskin er håpløs å regulere. Den bør kobles til et stivt nett (altså land-nettet eller et annet nett med spenningsregulerte generatorer) ellers vil spenningen variere med belastningen. Noe som kanskje er akseptabelt i visse situasjoner."

 

Et stivt nett kan vel være (/er ofte?) induktivt. Vil ikke et stivt nett ødelegge "alt"?

Endret 4. august 2015 av toreae

[Twinflower]

Fant ut at reaktiv last må kompenseres med ekstra kapasitans, så da var den saken avklart.

 

I isolerte nett brukes denne typen generator mest i små elvekraftverk til hytter og liknende.

 

Før PM-maskiner og kraftelektronikk ble rimelig ble de mye brukt i vindmøller også, men da henter de nødvendig reaktiv effekt fra nettet "automatisk"