Szélerõmûvekben alkalmazott generátorok és frekvenciaváltók

1. Aszinkron generátorok

Az aszinkron gép állórésze háromfázisú, szimmetrikus tekercselésû. Egy póluspár esetén ez térben egymástól 120°-ra lévõ fázistekercseket jelent.

Csúszógyûrûs gépnél a forgórészen is ilyen tekercselés van, kalickás gépnél a forgórész rövidrezárt kalicka.

Ha ω₁ a tápkörfrekvencia, és f₁ a tápfrekvencia, akkor a gépben létrejövõ forgó mágneses mezõ az állórészhez képest n₁=f₁/p fordulatszámmal (W₁=ω₁/p szögsebességgel), az n fordulatszámú (W szögsebességû forgórészhez képest n₁-n fordulatszámmal (W₁-W szögsebességgel) forog. A relatív fordulatszámok, vagy szögsegességek aránya a szlip:

.	(4.1.)

A forgórészben indukálódó feszültségeknek, az ott folyó áramoknak a frekvenciája és körfrekvenciája

,.	(4.2.)

Rövidrezárt forgórészû aszinkron gép egyfázisú helyettesítõ vázlatát mutatja a 4.1. ábra.

Az aszinkron gép állórésze P₁=3U₁I₁cosφ₁ hatásos teljesítményt vesz fel a szinuszos táphálózatból, amelybõl a W₁ szögsebességgel forgó mezõ légrésteljesítményt visz át az M nyomatékot kifejtõ W szögsebességû forgórészre:

	(4.3.)

Ez fedezi a tengely P_m mechanikai teljesítményét és a P_r forgórészköri teljesítményt:

,	(4.4.)

Itt W_r=W₁-W=sW₁ a szögsebesség eltérés. Rövidrezárt forgórészû gépnél P_r=P_tr a forgórész tekercsveszteség. A légrésteljesítmény az állórész P₁ felvett teljesítményével, P_ts tekercsveszteségével és P_fe

vasveszteségével is kifejezhetõ:

	(4.5.)

A légrésteljesítmény a helyettesítõ vázlatból is felírható:

	(4.6.)

4.1. ábra

Rövidrezárt forgórészû aszinkron gép helyettesítõ vázlata

Ez alapján f₁ = const. és U₁ = const. esetben számítható a nyomaték a helyettesítõ vázlatból. A 4.2. ábra mutatja az így kapott W(M) mechanikai jelleggörbét és az áramvektor diagramot. A W(M) jelleggörbe három szakaszát különböztetjük meg:

1. W₁ < W < ∞, s < 0, P_m < 0: generátoros üzem
2. 0 < W < W₁, 0 < s < 1, P_m > 0: motoros üzem
3. -∞ < W < 0, 1 < s < ∞ P_m < 0: ellenáramú féküzem

A W=W₁, s=0, M=0 határpontban üresjárásban szinkron forog, a W=0, s=1, M=M_i határpontban áll a gép. Az M(W) helyett az M(s) jelleggörbe – R=0 általában megengedhetõ közelítéssel – egyszerûen megadható a Kloss képlettel:

	(4.7.)

Itt M_b a (maximális) billenõnyomaték, s_b a billenõszlip, W_rb a billenõ szögsebesség eltérés.

4.2. ábra
Aszinkron gép mechanikai jelleggörbéje és áramvektor diagramja

f₁ = const., U₁ = const. mellett

A valóságban R ≠ 0 miatt a generátoros billenõnyomaték nagyobb a motorosnál a 4.1. ábranak megfelelõen: .

A forgórész fordulatszáma és szögsebessége (4.1.) alapján:

, .	(4.8.)

A fordulatszám ezen összefüggések alapján az f₁ frekvenciával, a p póluspárral és az s szlippel változtatható.

a) Pólusszám változtatása

A pólusszámmal a W₁ = ω₁/p szinkron szögsebesség változtatható. Leggyakrabban az ún. Dahlander kapcsolást alkalmazzák, amikor ugyanazt a tekercselést lehet megcsapolások segítségével két 1:2 arányú pólusszámra átkapcsolni. Csak kalickás gépeknél használják, mert ekkor nincs szükség átkapcsolásra a forgórészen, mivel ott magától kialakul a kétféle pólusszám. Megfelelõ csillag, delta, soros és párhuzamos kapcsolásokkal teljesítménytartó, nyomatéktartó és csökkenõ nyomatékú jelleggörbéket lehet megvalósítani. Két független tekercseléssel 1:2-tõl eltérõ pólusszám arány is beállítható. Általában az egyik pólusszámon a szokásosnál rosszabbak a gép jellemzõi (hatásfok, cosφ).

b) Szlip változtatása

• Ellenállás változtatás

Csúszógyûrûs gépnél külsõ ellenállás beiktatásával növelhetõ az R_r forgórészköri ellenállás, és ezáltal pl. motoros üzemben csökkenthetõ az rz rövidrezárt W(M) jelleggörbéhez tartozó szögsebesség. Adott M > 0 nyomatéknál R_r arányában megnõ a W_r = W₁-W szögsebességesés, illetve az  szlip. Ez veszteséges fordulatszám változtatási módszer (4.3. ábra). A tartósan megengedhetõ nyomaték M_h = M_n állandó (külsõ szellõzést feltételezve), mert a többlet veszteség a gépen kívûl, a beiktatott ellenálláson keletkezik.

• Feszültségváltoztatás

Mind kalickás, mind csúszógyûrûs gépnél lehetséges az U₁ tápfeszültség változtatása az U₁ ≤ U_n tartományban. Adott fordulatszámon a nyomaték U₁²-tel arányos (). Kalickás gépnél a tartós terhelhetõségi határ  szerint csökken motoros és generátoros üzemben a fordulatszám változásakor (W_rn =W₁-W_n).

4.3. ábra

Szlipváltoztatás forgórészköri ellenállás növelésével

4.4. ábra

Szlipváltoztatás állórész feszültség csökkentésével 

• Kétoldalú táplálás

Csúszógyûrûs gépnél a forgórész is táplálható kívûlrõl. A 4.5. ábraban a hátsó berendezéssel a forgórészbõl (4.3.) alapján

	(4.9.)

teljesítményt veszünk ki, ill. adunk be. A szögsebességeket a 4.5. ábra mutatja a B pontban. Idealizált esetben ezt a teljesítményt vagy visszatápláljuk a hálózatba, vagy az A aszinkron gép tengelyére adjuk egy ún. hátsó gép segítségével. A 4.5. ábra b) részébõl leolvasható, hogy P₂>0 teljesítmény kivétellel az rz rövidrezárt jelleggörbe alatti hajtás és az rz feletti generátoros üzem, P₂<0 teljesítmény bevitellel az rz jelleggörbe alatti generátoros üzem és az rz feletti hajtás lehetséges. A c) ábra veszteségmentes (P₁=P_l, P₂=P_r) esetre mutatja a teljesítményáramlási viszonyokat. Napjainkban elsõsorban kaszkád kapcsolásokat használnak hátsó berendezésként.

4.5. ábraKétoldalról táplált aszinkron gép

a) kapcsolási elrendezés; b), c) teljesítményviszonyok

Kaszkád kapcsolás ma használatos megoldásait mutatja a 1.6. ábra a) és b) része. Ezekben mind az ÁH hálózati, mind az ÁM motoroldali áramirányító hídkapcsolású a c) ábrának megfelelõen. Az ÁH áramirányító tirisztoros kapcsolás szimmetrikus vezérléssel, az ÁM áramirányító diódás, vagy szimmetrikus vezérlésû tirisztoros kapcsolás.

Szinkron alatti kaszkád (SZAK) hajtásban 1.6. ábra a), az ÁM motoroldali áramirányató diódás híd, így a forgórészbõl csak P₂>0 teljesítmény kivétel, azaz a 4.5. ábra b) részének megfelelõen szinkron alatti hajtás és szinkron feletti generátoros üzem lehetséges. Veszteségmentes ÁM és L_e esetén

.	(4.10.)

4.6. ábraÁramirányítós aszinkron gépes kaszkád hajtás

a) szinkron alatti kaszkád; b) szinkron feletti kaszkád; c) tirisztoros hídkapcsolás

Szinkron feletti kaszkád (SZFK) hajtásban (4.6. ábra b) része) a forgórészhez is tirisztoros ÁM áramirányító kapcsolódik, amelyik speciális hálózati kommutációval, ún. gépi kommutációval üzemel. A P₂ = P_e>0 folytonos vonalú teljesítményáramláskor (szinkron alatti hajtásnál és szinkron feletti fékezésnél) ÁM egyenirányító (EI), ÁH inverter (INV) üzemben dolgozik. A P₂ = P_e<0 szaggatott vonalú teljesítményáramláskor (szinkron feletti hajtásnál és szinkron alatti generátoros üzemnél) ÁM INV, ÁH EI üzemben van.

c) Frekvencia változtatása

A frekvenciaváltoztatást általában kalickás gépek veszteségmentes fordulatszám szabályozására használják.

A frekvenciával az n₁ = f₁/p szinkron fordulatszám változtatható folyamatosan. Ha a frekvenciával arányosan változtatjuk az U_il indukált feszültség (4.2. ábra)

	(4.11.)

amplitúdóját, akkor a ψ₁ állórész fluxus állandó marad. Az f₁ frekvenciától függetlenül állandó az M_b billenõnyomaték és a W_rb billenõ szögsebesség eltérés és a W(M) jelleggörbék a frekvenciát változtatva önmagukkal párhuzamosan eltolódnak.

A frekvencia változtatására csaknem kizárólagosan közbülsõ egyenáramú körös frekvenciaváltókat alkalmaznak. Ezek feszültséginverteres és áraminverteres megoldásúak lehetnek. Az aszinkron gép viselkedését alapvetõen az alapharmonikusok szabják meg.

4.7. ábraFeszültséginverteres megoldások

a), b) egyszerû feszültséginverteres frekvenciaváltó

c) ISZM feszültséginverteres frekvenciaváltó

Feszültséginverteres alapmegoldásokat mutat a 4.7. ábra. A közbülsõ egyenáramú körökben a feszültséginverterek kapcsain C_e kondenzátor van, ami rövid idõre feszültségkényszert eredményez. Az a) és b) esetben az U₁ feszültséget az U_e egyenfeszültséggel változtatják, az ún. egyszerû feszültséginverter csak az f₁ frekvenciát változtatja. Az U_e egyenfeszültséget az a) megoldásban az ÁH hálózati áramirányító, a b)-ben a DC/DC soros egyenáramú szaggató szabályozza. A c) változatban U_e ≈ const., és az impulzusszélesség modulációs (ISZM) feszültséginverter változtatja mind az U₁ feszültséget, mind az f₁ frekvenciát. Az a) ill. c) változatot mutatja tranzisztoros feszültséginverter feltételezésével a . Veszteségmentes viszonyokat feltételezve

	(4.12.)

4.8. ábra
Feszültséginverteres aszinkron gépes hajtás

a) kapcsolási vázlat; b) üzemi síknegyedek; c) üzemi síknegyedek (I_e>0 és I_e<0)

Mivel U_e>0, így P_m>0 hajtáshoz I_e>0 egyenáram középérték, P_m<0 generátoros üzemhez I_e<0 tartozik. Egy tirisztoros hídkapcsolású ÁH-val csak I_e>0 biztosítható. Két áramirányítóból álló ÁH-val, ill. feszültséggenerátoros ISZM vezérlésû hálózati áramirányítóval I_e>0 és I_e<0 is lehet. (Itt a diódák és a tranzisztorok ellentétes irányú áram vezetésére képesek). A feszültséginverteres hajtással átfogható W-M síknegyedek a 4.8. ábrán láthatók.

Áraminverteres megoldást mutat a 4.9. ábra. A közbülsõ egyenáramú kör az áraminverterhez minden esetben L_e induktivitással kapcsolódik, amely rövid idõre áramkényszert jelent. Az egyenáram I_e középértékét az ÁH hálózati áramirányító állítja be. Veszteségmentes viszonyokat feltételezve itt is érvényes a (4.2.) összefüggés. Mivel I_e>0, így P_m>0 hajtáshoz U_e>0 egyenfeszültség középérték, P_m<0 fékezéshez U_e<0 tartozik. Ez szimmetrikusan vezérelt tirisztoros hídkapcsolású ÁH-val és áramgenerátoros ISZM hálózati áramirányítóval is biztosítható. Eszerint az áraminverter alapfelépítésében 4/4-es üzemet tesz lehetõvé (4.9. ábra b).

4.9. ábraÁraminverteres aszinkron gépes hajtás

a) tirisztoros áraminverteres hajtás kapcsolása; b) üzemi síknegyedek

d) Vestas gépek

Szélerõmûvekben ma a leggyakrabban használt elektromechanikai átalakítók az aszinkron generátorok. Ez olyannyira igaz, hogy a Vestas nevû dán cég csak aszinkron generátoros szélerõmûveket gyárt. Ismert elõnyeik ellenére (robusztus, olcsó, kevés karbantartást igényelnek, stb.) a kezdeti idõszakban a motornak tervezett gépek nem váltották be százszázalékosan a hozzájuk fûzött reményeket generátoros üzemben.

Az aszinkron gép kördiagramja alapján a generátoros üzem minden  munkapontjában nagyobb az indukált feszültség (és így a gép fõfluxusa is), mint a motoros üzem hasonló terhelésû  tartományában. A nagyobb indukció és erõsebb telítõdés jelentõsen megnövelheti az aszinkron gép üresjárási veszteségeit a nagyobb vasveszteségen és mágnesezõ áramon keresztül. Ez alacsony szélsebességeken egy tartomány elvesztését jelenti, mert a turbina hajtó nyomatéka és mechanikai teljesítménye – egy adott szélsebesség alatt – nem elegendõ az üresjárási veszteségek fedezésére sem. A feleslegesen nagy üresjárási veszteségek az egész generátoros tartományban rontják a gép hatásfokát és teljesítménytényezõjét, és a kapcsolási áramlökések is nagyobbak egy telített gép esetében. Az elmondott okok miatt a szélgenerátorként használt aszinkron gépet kevésbé telítõdõre kell tervezni, mintha motorként alkalmaznánk.

Hálózathoz közvetlenül csatlakozó aszinkron generátor szinkron szögsebességét a hálózati frekvencia meghatározza, és ezért a turbina fordulatszáma is csak kis mértékben változhat meg terhelés hatására a szliptõl függõen. Stabil mûködés generátor üzemben általában csak a szinkron pont és a billenõ pont között lehetséges, ahol fennáll:

	(4.13.)

(Az egyes mennyiségek itt természetesen azonos tengelyre vannak átszámítva). A szûk határok között változó w értékbõl következik, hogy a turbina és a generátor közötti áttétel megválasztásával legfeljebb egy munkapontban biztosítható az optimális energia kihasználás (C_pmax; P_Tmax) egy adott szélsebesség esetén. Adott szélsebesség alatt nem létezik stabil üzem.

A jó hatásfok érdekében a motoroknál kis névleges szlipre és így merev M-w jelleggörbére szokás törekedni. A szélrohamok nyomaték és teljesítménylökései merev jelleggörbe esetén átadódnak az aszinkron generátornak és a hálózatnak. Ezek a lökésszerû betáplálások nemkívánatosak, mert rontják a megtermelt villamos energia minõségét, ugyanakkor a mechanikai alkatrészek idõ elõtti kifáradását is okozzák.

Lágyabb jelleggörbéjû aszinkron generátor esetén a széllökések energiájának jelentõsebb része a forgó tömegek (elsõsorban a turbina) mozgási energiájának megváltoztatására fordítódik ill. abban tárolódik. Ezáltal a generátor tengelyére már csak kisebb nyomatéklökések adódnak át.

A nagyobb névleges szlip valamennyi munkapontban arányosan nagyobb forgórész tekercsveszteséget jelent. Ez egyrészt rontja az energiaátalakítás hatásfokát, másrészt nagyobb méretû (drágább) generátort igényel. (Természetesen a kisebb telítõdésre méretezett gép ugyancsak a méretek növelését jelenti.) Ezért a névleges szlip növelése kb. s_n=10% felett gazdaságilag nem indokolható. A veszteségek növekedésének részben ellene hat az, hogy a lágyabb jelleggörbe miatt az áramok kevésbé követik a szél ingadozását, és így az effektív értékük emiatt kisebb.

4.10. ábraVestas-rendszerû szélturbinák villamos felépítése

A szélenergia hasznosítás kezdeti korszakában a szabályozó-vezérlõ berendezés a mechanikus féken keresztül rögzített állapotban tartotta a forgórészt mindaddig, amíg a szél el nem ért egy elõre meghatározott értéket. A küszöbérték meghaladásakor a féket kioldották és a generátort megszakító segítségével a hálózatra kapcsolták. Az motorként felgyorsult a szinkron fordulatszámig, ahonnan a turbina nyomatéka gyorsította tovább. Amikor a szél sebessége a határérték alá csökkent, a megszakító egy elõre meghatározott ideig még a hálózatra kötötte a gépet, majd ezután lekapcsolta a hálózatról. Sajnos az aszinkron generátorok hálózatra kapcsolása, vagy visszakapcsolása jelentõs áram- és nyomatéklökésekkel jár. A túláram oka részben az elektromágneses tranziens (a fluxus jelentõs változása), részben pedig a kapcsolási pillanatban fennálló szögsebesség eltérés az állandósult állapot szögsebességéhaz képest. Az áramcsúcs a névleges áram 12-szeresét is elérheti, ha az aszinkron gép kis impedanciájú és a hálózat kellõen merev. A gyakori indítás és a szinkron fordulatszám alatti üzem felesleges energiaveszteséget jelent a forgórészköri ellenállásokon.

4.11. ábraTeljesítményviszonyok szinkron alatti és feletti fordulatszámokon

A Vestas javított szabályozó-vezérlõ berendezése – csökkentendõ a felesleges bekapcsolások számát – elõre pontosan meghatározza a kapcsolás idõpontját az aktuális szögsebesség, a szöggyorsulás és a tehetetlen tömegek ismeretében. A Vestas által kifejlesztett OptiSpeed^TM rendszer (1.10. ábra) a következõképpen mûködik: kaszkád kapcsolásról van szó, melynél mind a generátor-, mind a hálózatoldali áramirányító kis veszteségû, hídkapcsolású IGBT félvezetõ elemekbõl épül fel (ezt a korábban bemutatott 1.6. ábra is szemlélteti). Ezen két áramirányító a négynegyedes konverter, mely alkalmazása által a generátor a szinkron alatti és feletti szögsebességeken is veszteségmentesen üzemel. Az aszinkron generátorok fordulatszám változtatásának lehetõségeinél említett ellenállás-változtatásos módszer – mely a szlipet befolyásolja – hátránya, hogy a csúszógyûrûs gép forgórészkörébe iktatott ellenállásokon teljesítmény-disszipáció jön létre, mely teljesítmény hõvé alakulva veszteséget okoz. Ezt a veszteség-teljesítményt táplálja be a tercier transzformátor egyik tekercsén keresztül a hálózatba az impulzusszélesség-modulációval vezérelt inverter, szinkron feletti szögsebességeken.

Az álló- és forgórész teljesítményáramlásának viszonyait mutatja a 4.11. ábra szinkron alatti és szinkron feletti sebességeken.

Szabályozott üzemben tirisztoros váltakozóáramú szaggató kapcsolással jelentõsen csökkenthetõk a tranziens csúcsok. A klasszikus megoldás a tirisztorok gyújtáskésleltetési szögét elõre meghatározott sebességgel csökkenti nagyról kis értékûre, ami által a generátor feszültségét nulláról 100%-ra növeli fel a szinkron fordulatszám közelében. A teljes feszültség elérése után egy mágneskapcsolóval áthidalják az ellenpárhuzamos tirisztor párokat.

Vissza: Blokk tetejéhez - Tartalomjegyzékhez

2. Szinkrongenerátorok és frekvenciaváltóik

A szinkrongép háromfázisú állórésze gyakorlatilag ugyanolyan mint az aszinkron gépé, a forgórészen egyenárammal táplált gerjesztõ tekercselés, vagy állandómágnes van. A gerjesztõ tekercselés általában csúszógyûrûkhöz kapcsolódik. Régebben a gerjesztõ áramot a szinkrongép tengelyéhez kapcsolt egyenáramú gerjesztõgép szolgáltatta, újabban áramirányítós gerjesztést alkalmaznak. Egyre gyakoribb az ún. kefenélküli gerjesztés, amikor elmarad a csúszógyûrû. Lemezelt forgórésznél gyakran alkalmaznak csillapító (indító) kalickát, ami egy rövidrezárt tekercselés. Tömör vastestû forgórésznél, az örvényáramok átveszik ennek a szerepét. A forgórész kialakításától függõen megkülönböztetünk hengeres forgórészû és kiálló pólusú szinkrongépet.

Szinuszos, szimmetrikus háromfázisú feszültségrõl táplált szinkrongépben forgó mágneses mezõ jön létre, és állandósult állapotban a forgórész együtt forog a mezõvel:

,	(4.14.)

A táphálózatból felvett P₁ teljesítmény fedezi az állórész P_ts tekercs és P_fe vasveszteségét és a P_l légrésteljesítményt. A W=W₁ miatt a légrésteljesítmény megegyezik a mechanikai teljesítmnnyel:

	(4.15.)

A  gerjesztõ teljesítmény a névleges teljesítmény néhány százaléka.

a) Hengeres forgórészû szinkrongép

4.12. ábra
Hengeres forgórészû szinkrongép helyettesítõ vázlata

Ideális esetben a szinkron induktivitások d hossz és q keresztirányban megegyeznek: L_d=L_q. Hengeres forgórészû szinkrongép vasveszteséget elhanyagoló helyettesítõ vázlatát mutatja a 4.12. ábra.

Az áram I₁ effektív értékével és φ₁ szögével számítható a hálózatból felvett wattos és meddõ teljesítmény:

,	(4.16.)

Veszteségeket elhanyagolva a P₁>0 motoros üzemet (hajtást), a P₁<0 generátoros üzemet (fékezést) jelent. A Q₁>0 túlgerjesztett állapotban meddõ teljesítményt termel, a Q₁<0 alulgerjesztett állapotbanmeddõt fogyaszt a szinkrongép (az áram siet, ill. késik a feszültséghez képest).

A szinkrongép nyomatéka:

,	(4.17.)

ahol a β szög a gépben létrejövõ eredõ fluxus és a forgórészhez rögzített d tengely közötti szöget jelenti. (Ez megegyezik az  és  feszültségek közötti fázisszöggel.)  a forgórész által az állórészben indukált feszültséget jelenti.

4.13. ábraHengeres forgórészû szinkrongép nyomatékterhelési szög jelleggörbéje f₁=const.; U₁= const. mellett

Az M(β) jelleggörbét a 4.13. ábra mutatja. A  billenõ nyomaték motoros üzemben β=90°-nál, generátorosban -90°-nál van. A szinkrongép stabilitását az M-β síkon kell vizsgálni, mivel a nyomaték a β-tól függ. Motoros M=M_t>0 üzemben az S pont stabilis, az L labilis.

b) Kiálló pólusú szinkrongép

Kiálló pólusú gépnél  részben a mágneses aszimmetria, részben a gerjesztõtekercs d irányú elrendezése miatt.

A gerjesztett forgórészû szinkrongépek közül a hagyományos kiállópólusú, radiális légrésû konstrukciót alkalmazzák, mivel ez egyszerûen elkészíthetõ nagy pólusszámmal is. Az állandómágneses szinkrongépek egyre szélesebb alkalmazást nyernek és várható, hogy a jövõben egyeduralkodók lesznek ezen a területen.

Konstrukciós szempontból a szélgenerátorként alkalmazott állandómágneses szinkrongépek lehetnek:

• radiális,
• axiális és
• transzverziális légrésûek.

Axiális légrésû szinkrongépnél a toroid tekercselésû állórészt két állandómágnessel ellátott forgórésztárcsa fogja közre (2p=8 a pólusszám). A mágneseket a forgórész tárcsákra ragasztják.

Transzverziális légrésû gép bonyolultsága miatt eltekintek az ismertetésétõl.

A frekvencia változtatására szinkrongépnél is alkalmazhatók az aszinkron gépnél bemutatott tranzisztoros és GTO-s megoldások: a közbülsõ egyenáramú körös feszültséginverterek (4.8. ábra) és áraminverterek (4.4. ábra). A fenti frekvenciaváltókról táplált szinkrongépet az elõbbiek szerint célszerû cosφ₁=±1-re gerjeszteni, mert ekkor a legkisebb az alapharmonikus áram, azaz az állórész és a frekvenciaváltó áram igénybevétele. A munkapontot alapvetõen az alapharmonikusok szabják meg.

A szinkrongép túlgerjeszthetõsége lehetõvé teszi hálózati kommutációs áramirányítók (tirisztoros hídkapcsolás) frekvenciaváltóként való alkalmazását. A tirisztorok ugyanis csak a rajtuk átfolyó áram természetes nullátmeneténél hagyják abba a vezetést és „szigetelnek” a következõ gyújtó impulzusig. Túlgerjesztés esetén az áram „siet” a feszültséghez képest, ezért mire egy adott fázis feszültségét meg kell változtatni (nullátmenete van) az áram már kialudt, és az adott fázisra a másik tirisztorral ellenkezõ elõjelû feszültség kapcsolható. A banaz ÁH hálózati és az ÁM motoroldali áramirányítóból álló közbülsõ egyenáramú körös frekvenciaváltó táplálja a szinkrongépet. Ezt az elrendezést nevezik áramirányítós szinkron gépnek. Az ÁM motoroldali áramirányító a szinkrongép változó f₁ frekvenciájával üzemel, gyújtását önvezérléssel (pl. a tengely szöghelyzetérõl vett jellel) oldják meg. Az önvezérlés következtében a szinkronizmusból kiesés nem lehetséges. A fordulatszám és az áramszabályozást az ÁH hálózati áramirányító, a gerjesztés szabályozást az ÁG gerjesztõköri áramirányító látja el.

Veszteségmentes esetben

.	(4.18.)

A negatív elõjel a felvett pozitív irányok következménye. Az ÁH és ÁM áramirányítók tirisztorainak vezetési iránya miatt az egyenáram csak I_e>0 lehet. A P_m>0 motoros hajtáshoz U_e<0 egyenfeszültség középérték tartozik, és ÁH egyenirányító (EI), ÁM inverter (INV) üzemben dolgozik. A P_m<0 generátoros üzemben U_e>0 és ÁM EI, ÁH INV üzemben van. A 4.4. ábrában folytonos vonal szemlélteti a motoros, szaggatott a generátoros teljesítményáramlást.

4.14. ábraÁramirányítós szinkrongép (kapcsolási vázlat)

Az M=0-hoz tartozó üresjárási szögsebesség:

.	(4.19.)

Itt ψ_p a gerjesztésbõl származó pólusfluxus és α_p az -tõl mért gyújtásszög. Vagyis állandó ψ_p és α_p esetén a szögsebesség az U_e feszültséggel arányosan változik.

Generátoros üzemben az α_p≈0 begyújtási határon is üzemeltethetünk.

Az ÁM áramirányító gyújtásvezérlésében fázissorrendet cserélve a mechanikai jelleggörbének az origóra vett tükörképeit kapjuk. Ezzel 4/4-es üzem is megvalósítható.

Ha az ÁM áramirányító diódás híd, akkor a diódás szinkrongenerátort kapjuk, ami a begyújtási határon üzemel és csak generátoros üzemre képes.

c) Enercon gépek

Hõerõmûvekben a szinkron generátorok alkalmazása csaknem kizárólagos. Szélerõmûvekben a közvetlenül hálózatra kapcsolódó szinkron generátorok száma viszonylag csekély és fõleg a MW-os nagyságrendû, szigetüzemben is mûködõ erõmûvekben fordul elõ. Ennek oka a rendkívûl komoly üzemeltetési problémákban keresendõ.

Hálózatra közvetlenül kapcsolódó szinkron generátorok esetében a legsúlyosabb problémák a rendszer merevségében, lengési hajlamában és stabilitási kérdéseiben keresendõk. A merev rendszer kellemetlensége különösen hirtelen szélrohamok esetén mutatkozik meg, amikor is a nyomatéklökések gyengítetlenül továbbterjednek a mechanikai rendszeren a generátorig, és annak terhelési szöglengésén keresztül teljesítmény- és áramlökések formájában átadódik a hálózatnak. A generátor és a hálózat frekvenciájának azonossága és állandósága rögzíti a szinkron fordulatszámot, ami változó szélsebesség esetén erõsen leronthatja az aktuális teljesítménytényezõt és a turinából kinyerhetõ energiát.

Az Enercon nevû német szélturbinagyártó nagy újítása az, hogy a gépcsoport szögsebessége a lapátszög szabályozással viszonylag állandó értéken tartható, de – fõleg – a frekvenciaváltó közbeiktatásával megszûnik a generátor frekvencia kényszere. Ugyanakkor a nyomatéklökések alkalmával a nagy tehetetlenségi nyomatékú szélturbina lendítõkerékként viselkedik, átmenetileg tárolva az energia lengõ részét, csökkentve a tengelyek igénybevételeit.

A változó sebességû turbinák a következõ elõnyökkel rendelkeznek a hálózathoz mereven kapcsolt társaikkal szemben:

• több energia nyerhetõ ki a turbinából adott szélsebesség eloszlás esetén (jobb C_p,
• kisebbek a mechanikai igénybevételek a teljes rendszerben,
• könnyebb az indítás, és kisebb szélsebességenis el tud indulni a turbina,
• alacsony sebességeken a rendszer eredõ hatásfoka a generátor veszteségeinek csökkentésével is javítható,
• kisebb sebességeken csökken a zajszint,
• nincs szükség a szinkronozás mûveletére,
• jobb minõségû a termelt villamos energia.