¿Cómo arreglo la velocidad de un generador?

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Si necesito generar energía a una frecuencia específica, entonces debo asegurarme de que el rotor del generador gire a una velocidad específica (rpm). Pero cuando lo estoy girando con vapor o agua, ¿cómo controlo esta velocidad? Me parece que las fuerzas mecánicas que rotan el generador de alguna manera tienen que equilibrarse para lograr esto. ¿Cómo se hace esto exactamente?

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— praveen kr
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Con algún tipo de acelerador en el motor principal, ajustado de modo que la potencia de entrada sea igual a la de salida (más las pérdidas internas).

— Dave Tweed

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Estoy bastante seguro de que los grandes generadores conectados a la red eléctrica se ven forzados a sincronizarse por la influencia de todas las demás cosas conectadas a la red eléctrica; Si el generador disminuye la velocidad, la potencia de la red eléctrica aplicará un par motor que lo empujará hacia la velocidad síncrona y, de igual forma, si se acelera. Sin embargo, este es un problema en sí mismo en lugar de una solución, porque si su generador comienza a funcionar como un motor, es probable que se desgarre o que las cosas se unan a su eje; no está hecho para funcionar así.

— Hogar

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¿No estaba el gobernador de la bola de mosca en la máquina de vapor de Watt esencialmente haciendo esto a través de retroalimentación mecánica?

— UuDdLrLrSs

Cuanto más rápido intente girar el generador, más corriente podría extraer de él para reducir la velocidad. Eso requiere una carga variable, por supuesto.

— user253751

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Esto es terriblemente amplio para una pregunta. En resumen, sus opciones son variar la potencia entrante, variar la carga u olvidarse por completo de la regulación de frecuencia y hacer algo más (use una carga de CC, una carga que no le importe la frecuencia o use un transformador de frecuencia). No creo que sea posible elegir razonablemente una opción dado que usted reveló cero información sobre su sistema.

— Dmitry Grigoryev

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Eléctricamente

Algunos sistemas hacen esto eléctricamente. El generador genera CC o la CA de frecuencia variable se rectifica para formar CC, y luego un inversor genera la frecuencia de CA deseada. Común en turbinas eólicas pequeñas más modernas.

Mecánicamente

Otros sistemas se controlan mecánicamente para obtener la frecuencia deseada. El mecanismo utilizado se llamaría gobernador . La mayoría de los gobernadores mecánicos simples no son muy precisos, por lo que esto no sería lo suficientemente bueno para un dispositivo conectado a la red. También es posible hacer gobernadores más precisos que funcionen mecánicamente de manera similar al párrafo a continuación, estos se usan comúnmente en motores de combustión interna.

Con comentarios

Otro enfoque, y probablemente el más común, es tener algún tipo de retroalimentación. Un microcontrolador monitorea la frecuencia que se genera y ajusta el sistema mecánico a través de algún tipo de servo para obtener la frecuencia correcta. Por ejemplo, podría abrir y cerrar una compuerta para ajustar el flujo de agua a través de una turbina. Un sistema más complicado podría ajustar tanto una compuerta como las palas de la turbina para mantener la frecuencia correcta y al mismo tiempo variar la potencia de salida.

Operación Sincrónica de Red

En algunos casos, puede que no sea necesario en absoluto. Si tiene una pequeña turbina eólica, conectada a la red eléctrica cerca de una central eléctrica de carbón, puede conectarla y olvidarse de ella. Las enormes turbinas en la central eléctrica estabilizarán la frecuencia de la red y fijarán la velocidad de rotación de la turbina eólica. Si el viento sopla más fuerte, solo obtendrá más corriente y un ligero cambio en el factor de potencia. Tenga en cuenta que a medida que se agreguen más y más turbinas eólicas, las personas que manejan la estación de energía se sentirán cada vez menos felices con esto, por lo que el operador de la red eventualmente lo prohibirá.

— Jack B
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Probablemente valga la pena mencionar aquí las máquinas de inducción doblemente alimentadas. Utilizan una máquina de inducción simultáneamente como generador y convertidor rotativo para mantener constante la frecuencia de salida con frecuencias de entrada variables.

— Hogar

@Felthry No los incluí porque no estoy suficientemente familiarizado con ellos. Sin embargo, siéntase libre de proponer una edición.

— Jack B

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Lo haría, pero la respuesta de Andy ya se encarga de eso.

— Hogar

Quizás valga la pena señalar que en la práctica, múltiples / muchos de estos ocurrirán al mismo tiempo. Las alteraciones de la red inicialmente causarán flujos / factores de potencia extraños, los sistemas de retroalimentación responderán después de algún retraso, los reguladores de nivel grueso aplicarán / eliminarán los frenos si es necesario.

— mbrig

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Si necesito generar energía a una frecuencia específica, entonces debo asegurarme de que el rotor del generador gire a una velocidad específica (rpm).

No, eso no es necesariamente cierto. Muchos generadores eólicos utilizan un generador de inducción doblemente alimentado (DFIG) y que puede regular la frecuencia controlando el devanado del rotor:

Pueden convertir la potencia de una frecuencia a otra frecuencia, es decir, pueden producir 50/60 Hz aunque el rotor funcione demasiado lento. Esto se realiza mediante la inyección de una corriente alterna en las bobinas del rotor. El sistema de control que logra esto también puede ser capaz de alterar el ángulo de inclinación de la turbina como otro medio de aumentar o disminuir la velocidad de rotación mecánica.

Para obtener más información, lea esta respuesta de EE .

Pero cuando lo estoy girando con vapor o agua, ¿cómo controlo esta velocidad?

Puede haber situaciones en las que haya demasiada velocidad de rotación y, aunque la DFIG puede manejar esto, es mejor tener un enfoque combinado, como el control del ángulo de inclinación que se muestra en la imagen de arriba.

Sin embargo, el resultado final inevitable es que si tiene una fuente abundante de energía mecánica y muy poca demanda de carga en ese momento, entonces debe desenganchar el generador de la red. Si no "tiene" una red, entonces debe tener un suministro de respaldo que pueda satisfacer la baja demanda de energía y esto generalmente significa un generador diesel o energía solar a través de un inversor.

— Andy alias
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Para eso está el gobernador .

La versión mecánica es un dispositivo que utilizará fuerza centrífuga o un soplador para accionar el acelerador / admisión para desacelerar el motor cuando la velocidad sube demasiado.

Puede hacerlo electrónico con un sensor de RPM y un acelerador / admisión controlado electrónicamente.

— monstruo de trinquete
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El estrangulamiento mecánico de la entrada con un freno genera calor y desperdicia energía de entrada ...

— rackandboneman

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@rackandboneman no está hablando de eso, y no es así como funcionan los gobernadores.

— Harper - Restablece a Mónica el

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@ Para ser justos, algunos gobernadores trabajan utilizando el frenado, sin embargo, para los generadores estarías ajustando la energía mecánica generada en lugar de desperdiciarla.

— monstruo de trinquete

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En mi (limitada) experiencia en diseño de generadores, debe considerar múltiples factores:

Velocidad de entrada mecánica (turbina, rueda, etc.)
Poder de entrada mecánica
Tensión de salida
Corriente de salida
Potencia de salida (que depende del voltaje y la corriente, pero generalmente desea maximizar esto, en un punto de máxima potencia)

En muchos casos, lo que desea mantener es una salida de voltaje constante, que variará con la carga eléctrica; una corriente más alta haría caer la salida.

En su configuración, solo le importa la velocidad del eje (por el motivo que sea). Hay dos formas de hacer esto: controlar la potencia de entrada o controlar la potencia de salida.

Si sabe que su potencia mecánica siempre será mayor que la potencia de salida, puede utilizar un regulador o similar, lo que limitará la potencia del eje para mantener constante la velocidad. Esto controlará la potencia de entrada de una manera simple.

Si no puede garantizar que su entrada mecánica sea mayor, deberá limitar su potencia de salida de alguna manera. Lo hice donde controlamos la corriente de salida a través de un controlador de retroalimentación PID para mantener la velocidad del eje a valores fijos. Pero eso fue en un sistema de CC, donde teníamos una batería grande para empujar la corriente hacia dentro durante los tiempos de suministro altos y extraer durante los tiempos de suministro más bajos.

— Puffafish
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Esta no es la forma en que se hace, pero es una forma en que se podría hacer: variar la carga para modular la velocidad.

Puede imaginar un banco de carga auxiliar (potencialmente muy grande) además de la carga normal, con la fuente de alimentación de entrada dimensionada para que proporcione al menos suficiente energía para la carga normal en todas las condiciones. Esto no es completamente impensable para configuraciones hidráulicas, ya que la cabeza es el determinante habitual. Luego, a medida que la carga y la entrada varían, el banco auxiliar se controla para que la demanda total del generador produzca una carga mecánica en la entrada que mantiene la frecuencia de salida en el punto deseado.

Y no, esta no es una sugerencia seria, pero podría hacerse.

— WhatBoughBeast
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Entonces, ¿el banco auxiliar podría usarse para bombear algo de agua cuesta arriba? Suena estúpido, pero ¿no es lo mismo que cargar una batería?

— amI

@amI: Es similar, pero la hidroelectricidad de almacenamiento por bombeo es una opción inteligente porque cuesta mucho menos que las baterías que se necesitarían para almacenar la misma cantidad de energía.

— davidcary

El almacenamiento es bueno, pero nunca alimentarías un cargador de batería de la batería en sí (bombear hidro usando energía hidroeléctrica). Supongo que la carga auxiliar debería ser un cliente 'controlado' (que esté dispuesto a aceptar <100% de servicio).

— amI