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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Elektrische Ausrüstung von Kleinstwasserkraftwerken. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Hydrogeneratoren Ein Hydrogenerator ist ein Stromgenerator, der von einer hydraulischen Turbine angetrieben wird. Typischerweise ist ein hydraulischer Generator ein Synchrongenerator (Abb. 31), dessen Rotor (direkt oder über Übertragungsmechanismen) mit einer hydraulischen Turbine verbunden ist.
Es ist auch zulässig, einen gewöhnlichen asynchronen Elektromotor im Generatormodus zu verwenden, d. h. die Drehung dieses Elektromotors aus einer hydraulischen Turbine erzeugt ebenfalls elektrischen Strom, jedoch im asynchronen Modus (Abb. 32). Ihr Einsatz ist jedoch dadurch begrenzt, dass sie Wirkleistungserzeuger und Blindleistungsverbraucher sind. Daher können Asynchrongeneratoren nur in einem System betrieben werden, in dem eine Blindleistungsquelle vorhanden ist. Die Blindleistung stammt aus parallel zur Last geschalteten Kondensatoren. Um die Betriebseigenschaften des Asynchrongenerators zu verbessern, werden zusätzliche Kondensatoren in Reihe zur Last geschaltet. Der Wirkungsgrad dieser Option ist jedoch geringer als bei der Verwendung eines Synchrongenerators.
Die Konstruktion eines Hydrogenerators wird im Wesentlichen durch die Lage seiner Rotorachse, die Drehzahl sowie die Art und Leistung der Turbine bestimmt. Leistungsstarke hydraulische Generatoren mit niedriger Drehzahl werden normalerweise mit einer vertikalen Drehachse hergestellt, während schnelllaufende Generatoren mit einer hydraulischen Schaufelturbine mit einer horizontalen Drehachse hergestellt werden. Die Drehzahl von Hydrogeneratoren für Kleinwasserkraftwerke variiert zwischen 600 und 1500 U/min. Die Auswahl des Generators anhand der Drehzahlcharakteristik hängt vom Typ der verwendeten Turbine ab. Darüber hinaus gibt es Konstruktions- und Betriebsmerkmale von Hydrogeneratoren. Generatoren mit niedriger Drehzahl sind langlebiger und zuverlässiger, aber auch größer und teurer. Funktionsprinzip des Generators Das Funktionsprinzip jedes Generators basiert auf dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion. Die Umwandlung der mechanischen Energie des Motors (Rotation) in elektrische Energie wird durch die folgende Abbildung veranschaulicht:
Wenn sich ein Rahmen in einem gleichmäßigen Magnetfeld gleichmäßig dreht, entsteht in ihm eine elektromotorische Wechselkraft, deren Frequenz gleich der Rotationsfrequenz des Rahmens ist. Unabhängig davon, ob wir den Rahmen in einem Magnetfeld oder einem Magnetfeld um den Rahmen herum oder einem Magnetfeld innerhalb des Rahmens drehen, wird das Ergebnis dasselbe sein – eine elektromotorische Kraft, die sich gemäß einem harmonischen Gesetz ändert. Besonderheiten von Synchron- und Asynchrongeneratoren Ein Synchrongenerator ist eine im Generatorbetrieb arbeitende elektrische Synchronmaschine, bei der die Drehfrequenz des Statormagnetfeldes gleich der Rotordrehfrequenz ist. Der Rotor besteht aus einer Wicklung. Wenn an eine Wicklung mit Magnetpolen Spannung angelegt wird, entsteht ein Magnetfeld, das ein rotierendes Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld, das die Statorwicklung durchquert, erzeugt darin eine elektromotorische Kraft. Abhängig von der Art der Wicklung kann der Rotor ein Käfigläufer oder ein Phasenläufer sein. Das von der Hilfsstatorwicklung erzeugte rotierende Magnetfeld induziert am Rotor ein Magnetfeld, das bei Drehung mit dem Rotor eine elektromotorische Kraft in der Arbeitsstatorwicklung erzeugt. Der Rotor erzeugt beim Starten des Kraftwerks ein schwaches Magnetfeld, mit zunehmender Drehzahl nimmt jedoch auch die elektromotorische Kraft in der Feldwicklung zu. Die Spannung dieser Wicklung wird dem Rotor über eine automatische Regelungseinheit (AVR) zugeführt, die die Ausgangsspannung durch Änderung des Magnetfelds steuert. Beispielsweise entmagnetisiert eine angeschlossene induktive Last den Generator und verringert die Spannung, und wenn eine kapazitive Last angeschlossen wird, wird der Generator vorgespannt und die Spannung steigt. Dies wird als „Ankerreaktion“ bezeichnet. Um die Stabilität der Ausgangsspannung zu gewährleisten, ist es notwendig, das Magnetfeld des Rotors durch Regulierung des Stroms in seiner Wicklung (bei Synchrongeneratoren) zu ändern, der von der AVR-Einheit (Spannungsstabilisator) bereitgestellt wird. Dank dieser Anpassungsmethode wird unabhängig von Änderungen des Laststroms und der Turbinendrehzahl des Wasserkraftwerks eine hohe Stabilität der Generatorausgangsspannung aufrechterhalten. Der Vorteil von Synchrongeneratoren ist die hohe Stabilität der Ausgangsspannung, der Nachteil ist jedoch die Möglichkeit einer Stromüberlastung, da der Regler bei zu hoher Belastung den Strom in der Rotorwicklung übermäßig erhöhen kann. Ein weiterer Nachteil von Synchrongeneratoren ist das Vorhandensein einer Bürstenanordnung, die früher oder später gewartet werden muss, dieser Nachteil ist jedoch derzeit praktisch beseitigt. Da moderne Synchrongeneratoren größtenteils bürstenlos sind, verfügt ihr Rotor nicht über eine Kommutator-Bürsten-Anordnung und der Strom in der Feldwicklung (im Rotor) wird durch das magnetische Wechselfeld induziert, das von der Haupt- und/oder zusätzlichen Statorwicklung erzeugt wird. Ein Asynchrongenerator ist eine im Bremsbetrieb arbeitende asynchrone elektrische Maschine, deren Rotor sich vorwärts dreht, jedoch in der gleichen Richtung wie das Magnetfeld des Stators. Bei einem Asynchrongenerator ist der Rotor als Permanentmagnet oder Elektromagnet ausgeführt. Die Anzahl der Rotorpole kann zwei, vier usw. betragen, jedoch immer ein Vielfaches von zwei. In diesem Fall gilt: Je niedriger die Drehzahl des Generators, desto mehr Pole sollte der Generator haben. Das rotierende Magnetfeld bleibt immer unverändert und ist nicht einstellbar, wodurch Spannung und Frequenz am Generatorausgang von der Rotordrehzahl und damit von der Rotationsstabilität der Wasserturbine abhängen. Trotz der einfachen Wartung, der geringen Kurzschlussempfindlichkeit und der geringen Kosten werden Asynchrongeneratoren eher selten eingesetzt, da sie eine Reihe von Nachteilen aufweisen: Unzuverlässigkeit des Betriebs unter extremen Belastungen; Abhängigkeit der Ausgangsspannung und Stromfrequenz vom stabilen Betrieb der Wasserturbine usw. Autoren: Kartanbaev B.A., Zhumadilov K.A., Zazulsky A.A.
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