Asenkron Generatörler

Rüzgar türbin sistemlerinde en yaygın olarak kullanılan generatör çeşitidir. Bunun nedeni sahip olduğu sağlamlık, düşük maliyet ve mekanik basitlik gibi avantajlarından dolayıdır. Asenkron generatörlerin dezavantajları ise, statorun reaktif bir mıknatıslanma akımına ihtiyaç duymasıdır. Ayrıca asenkron generatörler uyartım akımı için başka bir kaynağa ihtiyaç duyarlar ve bundan dolayı da reaktif güç harcarlar. Reaktif güç, şebeke ya da güç elektroniği sistemi tarafından sağlanabilir. Yalnızca asenkron generatörün şebekeye bağlı olduğu durumda manyetik alan oluşur. Oluşan bu manyetik alan, sargıdaki kutup sayısı ve akımın frekansı tarafından belirlenen bir hızda döner. Bu neden ile rotor senkron hızı aşan bir hızda dönerse nispi bir hareket tarafından (kayma) dönen stator alanı ile rotor arasında bir elektrik alan indüklenir. Bu durum da rotor sargılarında bir akıma neden olur. Rotorun ilgili manyetik alanının stator alanı ile etkileşimi, rotor üzerinde torkun oluşmasını sağlar.

Asenkron generatörler, rotorların yapısına göre; sincap kafesli asenkron generatörler (SCIG) ve rotoru sargılı asenkron generatörler (WRIG) olmak üzere ikiye ayrılırlar.

Şekil 5.1. Asenkron generatörlerin şebekeye bağlantı şeması [1]

5.2.1. Sincap Kafesli Asenkron Generatörler

Sincap kafesli asenkron generatörler, doğrudan şebekeye bağlanabilirler. Rüzgar hızındaki değişikliklerin neden olduğu generatör kaymasından dolayı, sincap kafesli asenkron generatörlerin hızı yalnızca yüzde birkaç derece değişir. Bu neden ile bu generatör sabit hızlı rüzgar türbinleri için kullanılabilir. Generatör ve rüzgar türbin rotoru bir dişli kutusu aracılığı ile bağlanır. Çünkü optimal rotor ve generatör hız aralıkları farklıdır.

Sincap kafesli asenkron generatörleri esas alan rüzgar türbinleri tipik olarak bir soft- starter mekanizması ve reaktif güç harcaması için bir birim ile donatılır. Çünkü sincap kafesli asenkron generatörleri dik bir tork hız karakteristiğine sahiptirler ve bu neden ile rüzgar gücündeki dalgalanmalar şebekeye doğrudan iletilir. Bu geçici rejim özellikle rüzgar türbinlerinin şebeke bağlantısı sırasında kritiktir. Burada hücum akımı nominal akımın 7-8 kat fazlası olabilir. Zayıf bir şebekede bu yüksek hücum akımı ciddi gerilim bozulmalarına neden olabilir. Bu neden ile sincap kafesli asenkron generatörün şebekeye bağlantısı, hücum akımını sınırlayacak şekilde tasarlanmalıdır.

Normal çalışma ve şebekeye doğrudan bağlantısı sırasında sincap kafesli asenkron generatör, çok sağlam ve kararlıdır. Kayma değişir ve artan yüke bağlı olarak artar. Temel problem, şebekeden stator sargısına sağlanan mıknatıslanma akımından dolayı, tam yük güç faktörünün düşük olmasıdır. Bu düşük güç faktörü, generatöre paralel olarak kondansatör bağlanılarak kompanze edilir. Sincap kafesli asenkron generatörlerde, aktif güç, reaktif güç, uç gerilimi ve rotor hızı arasında benzersiz bir ilişki vardır. Bu ilişki; yüksek rüzgar hızlarında yalnızca generatör daha fazla reaktif güç çekerse, rüzgar türbinin daha fazla aktif güç üretebilmesidir. Sincap kafesli asenkron generatörlerde harcanan reaktif güç kontrol edilebilir değildir. Çünkü bu güç miktarı rüzgar hızlarına göre

değişmektedir. Bu herhangi bir arıza durumunda ve reaktif güç kompanze sistemine sahip olmayan sincap kafesli asenkron generatörler sistem üzerinde ciddi sıkıntılar oluşturabilir. 5.2.2. Rotoru Sargılı Asenkron Generatörler

Rotoru sargılı asenkron generatörlere uyarma akımları uygulanabilir ve bu uygulanan akım kontrol edilebilir. Rotor sargıları, kayan halkalar ve fırçalar ya da güç elektroniği elemanları aracığı ile bağlanabilir. Güç elektroniği elemanları kullanarak, güç rotor devresine uygulanabilir ve generatör stator devresinden ya da rotor devresinden mıknatıslanabilir. Bu neden ile kayma enerjisinin rotor devresinden geri kazanılması ve statorun çıkışına beslenmesi mümkündür. Bu karakteristik özelliklerinin yanında rotoru sargılı asenkron generatörler, sincap kafesli asenkron generatörler kadar sağlam olmamakla birlikte pahalıdırlar. Rotoru sargılı asenkron generatörler endüstride; OptiSlip asenkron generatörler (OSIG) ve çift beslemeli asenkron generatörler (DFIG) olarak kullanılırlar. 5.2.2.1. OptiSlip Asenkron Generatörler

OptiSlip asenkron generatör modeli Danimarkalı Vestas firması tarafından, oluşan boralar sırasında rüzgar türbini üzerindeki yükü en aza indirmek için tasarlanmıştır. OptiSlip asenkron generatörleri, değişken bir kaymaya sahip olmasına ve optimum kaymayı seçmesine imkan vererek sürüş torkunda ve güç çıkışında daha küçük dalgalanmalara neden olur. Bu sistem ise basit olma özelliğinin yanında güvenilir ve ekonomik bir yöntemdir. Bu avantajları yanında OptiSlip asenkron generatörlerde hız aralığı % 0-10 aralığında sınırlı kalmaktadır. Çünkü bu aralık değişken rotor direncinin büyüklüğüne bağlıdır. Aynı zamanda zayıf aktif ve reaktif güç kontrolü yapabilmekle birlikte kayma gücü değişken dirençte kayıp olarak harcanmaktadır [4].

5.2.2.2. Çift Beslemeli Asenkron Generatörler

Çift beslemeli asenkron generatörleri; rotoru sargılı asenkron generatörlerinin, stator sargılarına sabit frekanslı üç fazlı bir şebekeye doğrudan, rotor sargılarına ise çift yönlü ve arka arkaya IGBT gerilim kaynağı bağlanılmış halidir. Statordaki gerilimin şebekeden uygulandığı ve rotordaki gerilimin güç konverteri tarafından indüklenmesinden dolayı çift beslemeli olarak adlandırılmışlardır. Çift beslemeli asenkron generatörler, büyük ancak sınırlı bir aralık üzerinden değişken hızlı çalışmaya imkan verir. Konverter, değişken frekanslı bir rotor akımı uygulayarak mekanik ve elektriksel frekans arasındaki farkı

kompanze eder. Normal çalışma ve meydana gelebilecek arızalar esnasında, generatörün davranışı güç konverteri ve kontrolörleri tarafından belirlenir.

İki konverterden oluşan güç konverter sistemi birbirlerinden bağımsız olarak kontrol edilirler. Bu kontrol; rotor tarafındaki konverter kontrol edilerek aktif ve reaktif güç, hat tarafı konverter kontrol edilerek ise DA link gerilimi ve birim güç faktöründe çalışma kontrol edilebilir. Konverterin büyüklüğü toplam generatör gücü ile değil seçilmiş hız aralığı ile ve dolayısıyla kayma gücü ile orantılıdır. Bundan dolayı senkron hızın etrafındaki hız aralığı genişledikçe konverterin de maliyeti artmaktadır.