COMPENSAREA ENERGIEI REACTIVE LA MOTOR/GENERATOR ASINCRON

În cazul microhidrocentralelor sau a centralelor eoliene motorul asincron este utilizat ca generator. El lucreaza ca motor (la pornire, sau cand viteza vantului este sub o anumita limita) si ca generator. Am numit acest mod de functionare "sistem de cogenerare", adica masina poate functiona in cele doua regimuri: de consumator si de generator. In regim de generator maşina asincronă transformară energia mecanica pe care o primeşte în rotor, de la apa sau vânt, în energie electrică.
Considerăm un motor asincron conectat la o reţea electrică trifazată şi printr-un procedeu oarecare (apă sau vânt) obligăm maşina să se rotească cu o viteză, n2¬ mai mare decât viteza de sincronism n1, (n2> n1). În acest caz alunecare s devine negativă. Asupra rotorului se exercită un cuplu M negativ (n1–n2)<0, iar unghiul (E2,I2) este mai mic de 90 grade.


M =[3E2I2cos(E2,I2)]/(n1–n2)<0, deoarece (n1–n2)<0

În acest regim, maşina asincronă absoarbe de la rotorul de antrenare o putere mecanică

PM = Mn2 = P2 + Pmec + PFe2

Cuplul fiind negativ rezultă şi puterea mecanică negativă, adică maşina absoarbe putere mecanică pe la arbore.
Puterea mecanică acoperă:
- pierderile mecanice de frecări Pmec,
- pierderile în fier din rotor PFe2
- pierderile electrice P2 din înfăşurările rotorului.
Puterea electrică P2 acoperă:
o pierderile în infăşurările rotorice prin căldură, PCu2
o puterea P care se trasmite statorului prin intermediul câmpului electromagnetic şi care o parte se pierde îm înfăşurările statorului, PCu1 iar o parte se transmite reţelei trifazate la care este conectată înfăşurarea statorică

P = 2U1I1 cos(FI)1 < 0, rezultă (FI)1 > (PI)/2

Prin urmare maşina asincronă absoarbe de la reţea o puterea reactivă necesară producerii câmpului magnetic învârtitor. Această putere furnizează curentul de magnetizare, care reprezintă (25…50)% din curentul nominal.
In figura de mai jos este reprezentat bilanţul energetic al generatorului asincron prin diagrama Sankey.



Fig. 1. Bilanţul energetic al maşinii asincrone funcţionând în regim de
generator aincron

Puterea reactivă poate fi furnizată maşinii asincrone de reteaua trifazată sau de o baterie de condensatoare aleasă corespunzător pentru a asigura autoexcitarea generatorului. Pe lângă aceste condensatoare necesare producerii energiei reactive pentru funcţionarea generatorulu asincron este necesar dimensionarea unei baterii de condensatoare automate care să compenseze energia reactivă inductivă.
Controlul energiei reactive în cazul microhidrocentralelor sau a centralelor eoliene care folosesc ca generator motorul asincron este foarte important atât pentru scăderea pierderilor de putere cât şi pentru menţinerea variaţiei căderilor de tensiune la valori foarte mici. Controlul puterii reactive poate fi realizat prin sisteme clasice Automati Power Factory Corrector (APFC) sau sistem moderne folosind electronică de putere, numite Flexible Alternating Current Transmision Systems (FACTS).
Puterea reactivă consumată sau produsă de generatorul asincron (folosit la microhidrocentrale sau la centralele eoliene) variază cu încărcarea acestuia. De exemplu pentru o centrală eoliană se pot evidenţia următoarele regimuri de funcţionare, determinate de viteza vântului:
- generator oprit, viteza vântului este mai mică decât viteza de pornire
- generator în sarcină parţială când viteza vântului este situată între
viteza de pornire şi viteza nominală
- generator în sarcină plină, când viteza vântului este cuprinsă între viteza nominală şi viteza vântului la care instalaţia este scoasă din funcţiune.
Schema cea mai simplă a generatorului asincron conectat la reţeaua trifazată este prezentată în figura de mai jos:


Fig. 2. Schema de forta monofilara a generatorului asincron conectat la o retea trifaztă
Legendă:
T – transformator
a – întreruptor general
e – siguranţe de protecţie
Kwh – contor energie electrică
TC – transformator de current
APFC – automatic power factor controllers
C – condensatoare pentru autoexcitatea generatorului
C1 – Contactor cuplare condensatoare C
I – Softstarter
C2 – Contactor pentru by-pass
GA – Generator asincron

Maşina porneşte în regim de motor iar la atingerea vitezei 2 trece în regim de generator. Condensatoarele C au rolul de a furniza puterea reactivă necesară autoexcitării. Ele sunt fixe şi sunt dimensionate pentru regimul nominal. Softstarterul I asigură pornirea uşoară a maşinii iar după pornire este by-passat de contactul C2.
Sensul de circulaţie a puterii reactive cât şi mărimea depind de sarcina maşinii cât şi de regimul de funcţionare (motor sau generator). Se poate spune că maşina asincronă funcţionează în regim de co-generare. Aşadar prin transformatorul, TC, fluxul circulă în ambele sensuri.
Pentru controlul circulaţiei puterii reactive, schema este prevăzută cu o baterie de condensatoare în trepte, complet automatizată de controlerul APFC şi contactoarele de energie reactivă, montată pe linia (barele) de distribuţie. Controlerul se conectează la transformatorul de curent (montat pe una din fazele reţelei trifazate) şi la celelalte două faze (pentru măsurarea tensiunilor).
În regim de co-generare controlerele trebuie să:
- funcţioneze în toate cele patru cadrane (sistemul consumă energie – cos (FI) pozitiv sau produce energie – cos (FI) negativ).
- poată fi setat pentru un anumit sens de circulaţie al curentului prin reductorul de curent (sens direct sau sens invers).





Pe lângă controlul circulaţiei puterii reactive trebuie acordată o atenţie deosebită controlului calităţii energiei electrice. Centralele eoliene sau microhidrocentralele pot sa funcţioneze ca:
- surse de generare distribuită (adică energia produsă este consumată local iar cea care este în plus poate fi transferată unei reţele electrice)
- surse de generare centralizată
Indiferent de sistemul de de generare, atunci când o sursă de energie produce, trebuie analizate unele aspecte tehnice cum ar fi:profilul tensiunii, circulaţia de putere reactivă şi posibilitatea de control a tensiunii, solicitările reţelei, pierderile de energie, emisia de armonici şi interarmonici, nesimetria, etc. Fiecare din aceste probleme tehnice constitue cerinţe referitoare la capabilitatea centralelor electrice (eoliene sau microhidrocentralelor) de a produce energie electrică. Aceste cerinţe diferă dela ţară la ţară şi sunt impuse prin normative şi directive.