Equipaggiamento elettrico delle microcentrali idroelettriche. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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Idrogeneratori

Un idrogeneratore è un generatore di corrente elettrica azionato da una turbina idraulica. Tipicamente, un generatore idraulico è un generatore sincrono (Fig. 31), il cui rotore è collegato a una turbina idraulica (direttamente o tramite meccanismi di trasmissione).

Fig.31. Generatore sincrono

È anche consentito utilizzare un normale motore elettrico asincrono in modalità generatore, ovvero la rotazione di questo motore elettrico da una turbina idraulica produrrà anche corrente elettrica, ma in modalità asincrona (Fig. 32). Tuttavia il loro utilizzo è limitato dal fatto che sono generatori di potenza attiva e consumatori di potenza reattiva. Pertanto, i generatori asincroni sono in grado di funzionare solo in un sistema in cui è presente una fonte di potenza reattiva. La potenza reattiva proviene da condensatori collegati in parallelo al carico, oppure per migliorare le proprietà operative del generatore asincrono, vengono installati condensatori aggiuntivi in ​​serie al carico. Ma l'efficienza di questa opzione è inferiore rispetto all'utilizzo di un generatore sincrono.

Fig.32. motore asincrono

La progettazione di un idrogeneratore è determinata principalmente dalla posizione dell'asse del rotore, dalla velocità di rotazione, nonché dal tipo e dalla potenza della turbina. I potenti generatori idraulici a bassa velocità sono generalmente realizzati con un asse di rotazione verticale, mentre i generatori ad alta velocità con turbina idraulica a benna sono realizzati con un asse di rotazione orizzontale.

La velocità di rotazione degli idrogeneratori per microcentrali idroelettriche varia da 600 a 1500 giri al minuto. La scelta del generatore in base alle caratteristiche di velocità dipende dal tipo di turbina utilizzata. Inoltre, ci sono caratteristiche progettuali e operative degli idrogeneratori. I generatori a bassa velocità sono più durevoli e affidabili, ma sono più grandi e più costosi.

Il principio di funzionamento del generatore

Il principio di funzionamento di qualsiasi generatore si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. La conversione dell'energia meccanica del motore (rotazionale) in energia elettrica è illustrata dalla figura seguente:

Se un telaio ruota uniformemente in un campo magnetico uniforme, in esso si forma una forza elettromotrice alternata, la cui frequenza è uguale alla frequenza di rotazione del telaio. Sia che ruotiamo il telaio in un campo magnetico, o in un campo magnetico attorno al telaio, o in un campo magnetico all'interno del telaio, il risultato sarà lo stesso: una forza elettromotrice che cambia secondo una legge armonica.

Caratteristiche distintive dei generatori sincroni e asincroni

Un generatore sincrono è una macchina elettrica sincrona che funziona in modalità generatore, in cui la frequenza di rotazione del campo magnetico dello statore è uguale alla frequenza di rotazione del rotore. Il rotore è costituito da un avvolgimento. Quando viene applicata tensione a un avvolgimento con poli magnetici, appare un campo magnetico che crea un campo magnetico rotante. Questo campo magnetico, attraversando l'avvolgimento dello statore, crea in esso una forza elettromotrice.

A seconda del tipo di avvolgimento, il rotore può essere a gabbia di scoiattolo o a fase. Il campo magnetico rotante creato dall'avvolgimento ausiliario dello statore induce un campo magnetico sul rotore che, ruotando con il rotore, crea una forza elettromotrice nell'avvolgimento dello statore funzionante.

Il rotore, quando si avvia la centrale elettrica, crea un debole campo magnetico, ma con l'aumentare della velocità aumenta anche la forza elettromotrice nell'avvolgimento di campo. La tensione proveniente da questo avvolgimento viene fornita al rotore tramite un'unità di regolazione automatica (AVR), che controlla la tensione di uscita modificando il campo magnetico. Ad esempio, un carico induttivo collegato smagnetizza il generatore e riduce la tensione, mentre quando è collegato un carico capacitivo, il generatore viene polarizzato e la tensione aumenta. Questa è chiamata "reazione di ancoraggio". Per garantire la stabilità della tensione di uscita, è necessario modificare il campo magnetico del rotore regolando la corrente nel suo avvolgimento (per generatori sincroni), fornita dall'unità AVR (stabilizzatore di tensione). Grazie a questo metodo di regolazione, indipendentemente dalle variazioni della corrente di carico e della velocità della turbina della centrale idroelettrica, viene mantenuta un'elevata stabilità della tensione di uscita del generatore.

Il vantaggio dei generatori sincroni è l'elevata stabilità della tensione di uscita, ma lo svantaggio è la possibilità di sovraccarico di corrente, poiché con un carico troppo elevato il regolatore può aumentare eccessivamente la corrente nell'avvolgimento del rotore. Un altro svantaggio dei generatori sincroni è la presenza di un gruppo spazzole, che prima o poi dovrà essere sottoposto a manutenzione, tuttavia attualmente questo svantaggio è stato praticamente eliminato. Poiché i moderni generatori sincroni sono per lo più senza spazzole, il loro rotore non ha un gruppo commutatore-spazzola e la corrente nell'avvolgimento di campo (nel rotore) è indotta dal campo magnetico alternato creato dall'avvolgimento principale e/o aggiuntivo dello statore.

Un generatore asincrono è una macchina elettrica asincrona funzionante in modalità frenante, il cui rotore ruota in avanti, ma nella stessa direzione del campo magnetico dello statore.

In un generatore asincrono, il rotore è realizzato sotto forma di un magnete permanente o di un elettromagnete. Il numero dei poli del rotore può essere due, quattro, ecc., ma sempre multiplo di due. In questo caso, minore è la velocità di rotazione del generatore, maggiore sarà il numero di poli che il generatore dovrà avere.

Il campo magnetico rotante rimane sempre invariato e non è regolabile, per cui la tensione e la frequenza all'uscita del generatore dipendono dalla velocità del rotore e, di conseguenza, dalla stabilità di rotazione della turbina idraulica.

Nonostante la facilità di manutenzione, la bassa sensibilità ai cortocircuiti e il basso costo, i generatori asincroni vengono utilizzati abbastanza raramente, poiché presentano una serie di svantaggi: inaffidabilità di funzionamento sotto carichi estremi; dipendenza della tensione di uscita e della frequenza della corrente dal funzionamento stabile della turbina idraulica, ecc.

Autori: Kartanbaev B.A., Zhumadilov K.A., Zazulsky A.A.

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