Comment puis-je fixer la vitesse d'un générateur?

Si je dois générer de l'énergie à une fréquence spécifiée, je dois m'assurer que le rotor du générateur tourne à une vitesse spécifiée (tr / min). Mais quand je le tourne avec de la vapeur ou de l'eau, comment contrôler cette vitesse? Il me semble que les forces mécaniques qui font tourner le générateur doivent en quelque sorte s'équilibrer pour y parvenir. Comment cela se fait-il exactement?

Électriquement

Certains systèmes le font électriquement. Le générateur génère soit du courant continu, soit le courant alternatif à fréquence variable est redressé pour produire du courant continu, puis un onduleur produit la fréquence CA souhaitée. Commun sur les petites éoliennes plus modernes.

Mécaniquement

D'autres systèmes sont contrôlés mécaniquement pour obtenir la fréquence souhaitée. Le mécanisme utilisé serait appelé gouverneur . La plupart des régulateurs mécaniques simples ne sont pas très précis, donc cela ne serait pas suffisant pour un appareil connecté au réseau. Il est également possible de faire des régulateurs plus précis qui fonctionnent mécaniquement de manière similaire au paragraphe ci-dessous, ceux-ci sont couramment utilisés sur les moteurs à combustion interne.

Avec rétroaction

Une autre approche, et probablement la plus courante, consiste à avoir une forme de rétroaction. Un microcontrôleur surveille la fréquence générée et ajuste le système mécanique via une forme de servo pour obtenir la bonne fréquence. Par exemple, il pourrait ouvrir et fermer une vanne d'écluse pour régler le débit d'eau à travers une turbine. Un système plus compliqué pourrait ajuster à la fois une vanne d'écluse et les aubes de turbine pour conserver la fréquence correcte tout en faisant varier la puissance de sortie.

Fonctionnement synchrone du réseau

Dans certains cas, cela peut ne pas être nécessaire du tout. Si vous avez une petite éolienne, connectée au réseau électrique près d'une centrale à charbon, vous pouvez simplement la brancher et l'oublier. Les énormes turbines de la centrale stabiliseront la fréquence du réseau et fixeront la vitesse de rotation de l'éolienne. Si le vent souffle plus fort, vous obtiendrez juste plus de courant et un léger changement de facteur de puissance. Notez que de plus en plus d'éoliennes étant ajoutées, les personnes qui exploitent la centrale seront de moins en moins satisfaites, de sorte que le gestionnaire de réseau finira par l'interdire.

Si je dois générer de l'énergie à une fréquence spécifiée, je dois m'assurer que le rotor du générateur tourne à une vitesse spécifiée (tr / min).

Non, ce n'est pas nécessairement vrai. De nombreuses éoliennes utilisent un générateur à induction à double alimentation (DFIG) et qui peut réguler la fréquence en contrôlant l'enroulement du rotor: -

Ils peuvent convertir la puissance à une fréquence en une autre fréquence, c'est-à-dire qu'ils peuvent produire 50/60 Hz même si le rotor tourne trop lentement. Cela se fait par injection d'un courant alternatif dans les bobines du rotor. Le système de commande qui y parvient peut également être en mesure de modifier l'angle de tangage de la turbine comme un autre moyen d'augmenter ou de diminuer la vitesse de rotation mécanique.

Pour plus d'informations, veuillez lire cette réponse EE .

Mais quand je le tourne avec de la vapeur ou de l'eau, comment contrôler cette vitesse?

Il peut y avoir des situations où il y a trop de vitesse de rotation et bien que le DFIG puisse gérer cela, il est préférable d'avoir une approche combinée telle que la commande d'angle de tangage montrée dans l'image ci-dessus.

Cependant, le résultat final inévitable est que si vous avez une source d'énergie mécanique abondante et une très faible demande de charge à ce moment-là, vous devez déconnecter le générateur du réseau. Si vous ne "disposez" pas d'un réseau, vous devez disposer d'une alimentation de secours capable de répondre à la faible demande d'énergie, ce qui signifie généralement un générateur diesel ou de l'énergie solaire via un onduleur.

Voilà à quoi sert un gouverneur .

La version mécanique est un appareil qui utilisera la force centrifuge ou un ventilateur pour actionner l'accélérateur / l'admission pour ralentir le moteur lorsque la vitesse monte trop.

Vous pouvez le rendre électronique avec un capteur de régime et un accélérateur / admission à commande électronique.

Dans mon expérience (limitée) de la conception de générateurs, vous devez considérer plusieurs facteurs:

• Vitesse d'entrée mécanique (turbine, roue, etc.)

• Puissance d'entrée mécanique

• Tension de sortie

• Courant de sortie

• Puissance de sortie (qui dépend de la tension et du courant, mais vous voulez généralement maximiser cela, à un point de puissance de crête)

Dans de nombreux cas, ce que vous voulez maintenir, c'est une tension de sortie constante, qui variera avec la charge électrique; un courant plus élevé ferait chuter la sortie.

Dans votre configuration, vous ne vous souciez que de la vitesse de l'arbre (quelle qu'en soit la raison). Il existe deux façons de procéder: contrôler la puissance d'entrée ou contrôler la puissance de sortie.

Si vous savez que votre puissance mécanique sera toujours supérieure à la puissance de sortie, vous pouvez utiliser un régulateur ou similaire, ce qui limitera la puissance de l'arbre pour maintenir la vitesse constante. Cela contrôlera la puissance d'entrée de manière simple.

Si vous ne pouvez pas garantir que votre entrée mécanique est plus élevée, vous devrez limiter votre puissance de sortie d'une manière ou d'une autre. Je l'ai fait là où nous avons contrôlé le courant de sortie via un contrôleur de rétroaction PID pour maintenir la vitesse de l'arbre à des valeurs fixes. Mais c'était dans un système DC, où nous avions une grande batterie pour pousser le courant pendant les périodes d'alimentation élevées et en tirer pendant les périodes d'alimentation inférieures.

Ce n'est pas ainsi que cela se fait, mais c'est une manière de le faire: faire varier la charge pour moduler la vitesse.

Vous pouvez imaginer un banc de charge auxiliaire (potentiellement très grand) en plus de la charge normale, avec la source d'alimentation d'entrée dimensionnée de manière à fournir au moins suffisamment de puissance pour la charge normale dans toutes les conditions. Ce n'est pas complètement impensable pour les installations hydroélectriques, car la tête est le déterminant habituel. Ensuite, lorsque la charge et l'entrée varient, le banc auxiliaire est contrôlé de sorte que la demande totale sur le générateur produit une charge mécanique sur l'entrée qui maintient la fréquence de sortie au point souhaité.

Et non, ce n'est pas une suggestion sérieuse, mais cela pourrait être fait.