УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ по ЭТ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ
Стр. 1 из 67
Оглавление
Введение
I.
Дизельные и бензиновые электростанции КСГЭП.
II.
Дизели.
III.
Синхронные генераторы.
IV.
Асинхронные генераторы Gen Set.
V.
Выбор ДЭС, предназначенных для электропитания традиционных нагрузок.
VI.
Источники бесперебойного питания (ИБП) переменного и постоянного тока.
VII.
Согласование совместной работы ДЭС и ИБП.
VIII.
Автоматические переключатели и системы синхронизации ДЭС.
IX.
Особенности эксплуатации структурных элементов КСГЭП.
X.
Сопутствующие системы и устройства.
XI.
Основные термины и понятия, относящиеся к КСГЭП.
Литература
Стр. 2 из 67
Введение
Питание потребителей электроэнергии осуществляется от систем электроснабжения.
Система электроснабжения (СЭС) – это совокупность устройств, предназначенных для
производства электроэнергии (ЭЭ) необходимого вида и качества, передачи и распределения ее
между потребителями.
СЭС может быть централизованной и автономной.
Под централизованной СЭС понимается государственная централизованная электросеть
Основой автономных СЭС являются автономные источники ЭЭ (дизельные и бензиновые
электростанции, газовые электрогенераторные установки).
Общим требованием, предъявляемым к СЭС является надежность, под которой понимается
способность системы бесперебойно снабжать потребителей электроэнергией при заданном
качестве и в заданных условиях.
Централизованная СЭС в общем случае не способна обеспечить в полной мере надежного
электропитания потребителей. Причина этого – неполадки, сопровождающие функционирование
централизованной электросети и относительно невысокие показатели качества ее
электроэнергии.
Неполадки в электросети – это любые отклонения параметров электроэнергии (напряжения,
частоты, формы кривой электрического тока) от установленных стандартных значений. На
территории России определены такие показатели качества электроэнергии сети: напряжение 220
В + 10%, частота 50 Гц + 1Гц (2%), коэффициент несинусоидальности формы кривой тока
(коэффициент нелинейных искажений – КНИ) < 5% (длительно) и < 10% (кратковременно).
Основные неполадки в электросети: полное исчезновение напряжения, длительные и
кратковременные “просадки” и всплески напряжения, высоковольтные импульсные помехи,
высокочастотные гармоники (шум), уход частоты.
Проблема надежного электропитания потребителей в полном объеме может быть решена только
при использовании автономных комплексных систем гарантированного электропитания.
Комплексная система гарантированного электропитания (КСГЭП) – это совокупность
устройств, объединенных с помощью силовых и информационно-управляющих электрических
цепей в единый комплекс, предназначенный для длительного качественного и бесперебойного
электропитания любых потребителей при любых неполадках в централизованной электросети
или при ее отсутствии.
При наличии централизованной электросети и ее исправности КСГЭП электрически связана с
нею.
0сновными структурными элементами (устройствами) КСГЭП являются:




дизельные (ДЭС) и бензиновые электростанции;
системы управления, синхронизации и включения ДЭС на параллельную работу между
собой и с централизованной электросетью;
источники бесперебойного питания переменного и постоянного тока;
силовые автоматические переключатели, выключатели и устройства распределения
электропитания.
Стр. 3 из 67
Особая роль в КСГЭП принадлежит источникам бесперебойного питания (ИБП), которые
предназначены для электропитания и защиты по цепи питания критичной нагрузки, т.е. нагрузки,
чувствительной к неполадкам в централизованной электросети. К такой нагрузке относятся
практически все современные устройства со сложным электронным оборудованием и, в первую
очередь, компьютеры и компьютерные сети, телекоммуникационные и телеметрические системы,
системы радио- и космической связи.
Наличие источников бесперебойного питания в составе КСГЭП придает последней
универсальность и функциональную завершенность.
Рис. 1. Общая структурная блок-схема КСГЭП
На рис. 1 приведена общая структурная блок-схема КСГЭП (информационно-управляющие цепи
не показаны). На схеме также даны названия фирм-производителей электрооборудования,
применение которого в автономных системах электроснабжения является наиболее
предпочтительным по соображениям надежности.
В состав КСГЭП входят: резервные ДЭС (ДЭС 1, ДЭС 2), система синхронизации ДЭС (СС ДЭС),
быстродействующие автоматические переключатели (АП1, АП2) интеллектуального типа
(например, ASCO), источники бесперебойного питания (ИБП1 – переменного тока, ИБП2 –
постоянного тока) и устройства распределения электропитания (УР1, УР2, УР3) для нагрузки с
электронным оборудованием и для нагрузки общего назначения.
Алгоритм функционирования КСГЭП следующий. Если централизованная электросеть исправна,
то электропитание всей нагрузки осуществляется за счет энергии сети. При этом переключатель
АП1 непрерывно контролирует качество электроэнергии альтернативных сетей (1й и 2й) и
автоматически подключает ИБП и нагрузку общего назначения к сети с лучшими параметрами
электроэнергии. При исчезновении напряжения в централизованной электросети переключатель
АП2 автоматически выдает команду на запуск резервных ДЭС, а затем (после появления на их
выходе напряжения) подключает к ним ИБП. На время запуска и выхода ДЭС на рабочий режим
питание нагрузки, подключенной к ИБП, осуществляется за счет энергии входящих в них
аккумуляторных батарей. Благодаря этому достигается бесперебойность электропитания
критичной нагрузки. Устройство синхронизации ДЭС (СС ДЭС) обеспечивает включение (при
необходимости) резервных ДЭС на совместимую, параллельную работу.
Вопросы для самоконтроля
Стр. 4 из 67
1. Что представляет собой система электроснабжения?
2. Какие неполадки имеют место в централизованной электросети?
3. Каковы стандартные показатели качества электроэнергии централизованной электросети
России?
4. Что представляет собой КСГЭП, каковы ее основные элементы?
5. Каков алгоритм функционирования КСГЭП?
6. Каково назначение ИБП?
I. Дизельные и бензиновые электростанции КСГЭП
Общие сведения
Источниками электроэнергии (ЭЭ) КСГЭП являются:



дизельные (ДЭС) и бензиновые (БЭС) электростанции;
источники бесперебойного питания (ИБП) переменного тока;
источники бесперебойного питания постоянного тока.
В любой ИБП входит (как обязательная составная часть) аккумуляторная батарея (АБ) –
автономный источник ЭЭ постоянного тока.
В ДЭС и БЭС механическая энергия топливных двигателей преобразуется в ЭЭ, поэтому они
относятся к первичным источникам ЭЭ.
ИБП переменного и постоянного тока относятся к вторичным источникам ЭЭ. Они в общем
случае преобразуют ЭЭ централизованной электросети с относительно низким ее качеством (или
ЭЭ аккумуляторной батареи) в ЭЭ высокого качества, с другими параметрами (или другого вида
тока).
Дизельные и бензиновые электростанции предназначены для использования в качестве основных
(постоянных) или резервных источников электроэнергии однофазного (220 В, 50 Гц) или
трехфазного (380/220 В, 50 Гц) переменного тока.
1. ДЭС компании F.G. Wilson
ДЭС F.G. Wilson (средней мощности)
Мировым лидером в проектировании и производстве высококачественных ДЭС в диапазоне от 10
кВА до 6500 кВА является компания F.G. Wilson (Великобритания). Объем продукции,
Стр. 5 из 67
выпускаемой ею, превышает 25000 единиц в год, из них 92% установок экспортируется в 170
стран мира, включая Россию.
ДЭС F.G. Wilson оснащены дизелями фирм Lister Petter, Perkins, Detroit Diesel и новыми (с1998 г.)
генераторами производства компании F.G. Wilson.
Особенности ДЭС F.G. Wilson серии Lister



Оснащены дизелями английской фирмы Lister Petter жидкостного охлаждения с частотой
вращения 1500 об/мин или 3000 об/мин.
Предназначены только для работы в режиме постоянного источника ЭЭ.
Мощностной ряд ДЭС в трехфазном исполнении (380/220 В, 50 Гц):


12,5 кВА, 17,5 кВА, 20 кВА (1500 об/мин);
14 кВА, 21,5 кВА, 30 кВА, 40 кВА (3000 об/мин).








Запуск и выход на рабочий режим за 25 …30 с.
Автоматическая стабилизация выходного напряжения с погрешностью не более + 0,5%.
Возможность контроля параметров работы дизеля и генератора.
Автоматическая защита от аварийных ситуаций с сигнализацией.
Открытое исполнение, всепогодные и шумоизолирующие кожухи.
Стационарный и передвижной (на шасси) варианты исполнения.
Встроенный топливный бак на 6 …20 часов непрерывной работы.
Возможны дополнительные устройства и системы.
Для обозначения ДЭС серии Lister принята буквенно-цифровая символика, в которой символы
означают:




L – Lister.
H – частоту вращения 3000 об/мин. У моделей с частотою 1500 об/мин – без буквы.
Число – номинальную мощность в кВА при 50 Гц.
SP – однофазные. У трехфазных – без букв.
Например: L20 – ДЭС серии Lister, 1500 об/мин, 20 кВА, с трехфазным выходом 380/220 В.
Примечание. Подробные технические характеристики ДЭС серии Lister изложены на стр. 27
каталога “Малая энергетика на защите большого бизнеса”.
Особенности ДЭС F.G. Wilson серии Perkins


Оснащены дизелями фирмы Perkins жидкостного охлаждения с частотой вращения только
1500 об/мин.
Предназначены для работы в режиме постоянного или резервного источника
электроэнергии.
Мощностной ряд содержит:

10 моделей однофазного исполнения (220 В, 50 Гц), мощностью от 18 кВА до

105 кВА;

29 моделей трехфазного исполнения (380/220 В, 50 Гц), мощностью от 27 кВА до 2200 кВА.



Запуск и выход на рабочий режим за 25 …30 с.
Автоматическая стабилизация выходного напряжения с погрешностью не более + 0,5 %.
Возможность контроля параметров работы дизеля и генератора.
Стр. 6 из 67





Применение в ДЭС серии Н (Р160Н – Р275НЕ) “электронного” дизеля (с 1998 г.). Его
особенность – наличие электронно-управляемой системы впрыска топлива,
обеспечивающей снижение уровня токсичности выхлопа, уменьшения шума и улучшенное
взаимодействие двигателя с системой его управления. ДЭС серии Н снабжены
микропроцессором контроля за работой двигателя и микропроцессором диагностики
неисправностей (с накоплением диагностических данных).
Автоматическая защита от аварийных ситуаций с сигнализацией.
Открытое исполнение, всепогодные и шумоизолирующие кожухи.
Контейнерное и трейлерное (передвижное) исполнение.
Возможны дополнительные устройства и системы.
Для обозначения ДЭС серии Perkins принята буквенно-цифровая символика, в которой символы
означают:





P – Perkins.
Число – номинальную мощность в кВА при 50 Гц.
Н – дизель с электронным управлением.
Е – для работы в качестве резерва. Без буквы Е – для постоянной работы.
SP – однофазные. У трехфазных ДЭС – без букв.
Например: P27 – ДЭС серии Perkins, 27 кВА, для постоянной работы, с трехфазным выходом
380/220 В.
Примечание. Подробные технические характеристики ДЭС серии Perkins изложены на стр. 3133 каталога “Малая энергетика на защите большого бизнеса”.
2. Общие сведения об устройстве ДЭС F.G. Wilson
В состав ДЭС F.G. Wilson в общем случае входят:




дизель-генераторный агрегат;
панель управления;
панель переключения нагрузки;
всепогодный кожух (контейнер) трейлер.
Основные элементы дизель-генераторного агрегата



Дизель-генератор (дизель и генератор переменного тока, соединенные с помощью
специального фланца своими валами и смонтированные на едином основании – стальной
раме).
Системы дизеля: смазки, топлива, охлаждения, выхлопа.
Стартерная аккумуляторная батарея с устройством для ее заряда от низковольтного
(12 В/ 24 В) генератора агрегата.



Автоматический регулятор частоты вращения вала дизель-генератора (или, что то же
самое, частоты напряжения генератора).
Устройства (датчики) защиты дизеля при возникновении предаварийной ситуации (низкое
давление смазочного масла, высокая температура охлаждающей жидкости, повышенная
частота вращения). Датчики в нужный момент выдают сигнал, приводящий в действие
отсекающий электромагнитный клапан (соленоид) топливной магистрали для останова
дизеля. Одновременно этот же сигнал включает соответствующую лампочку сигнализации
на пульте управления ДЭС (см. ниже).
В дизель-генераторном агрегате используется экранированный, влагозащищенный
бесщеточный синхронный генератор. Для охлаждения он снабжен вентилятором. Обмотки
генератора выполнены с применением изоляции высшего класса “H”. Выходное
Стр. 7 из 67


напряжение генератора с помощью автоматического регулятора поддерживается во всех
режимах работы ДЭС на уровне 220 В (или 300/220 В) с точностью + 0,5%.
Автоматический выключатель силовой электроцепи генератора с защитой последнего от
токов перегрузки.
На опорной раме дизель-генераторного агрегата в стальном кожухе установлен топливный
бак из пластика. Емкость бака рассчитана (для разных моделей ДЭС) на
8 …20 часов непрерывной работы.

Агрегат оснащен виброизоляторами для снижения вибрации, передаваемой на основание
фундамента.
Панель управления
Все ДЭС имеют панель управления, на которой расположены устройства управления, контроля,
сигнализации и защиты электростанции.
Панель управления крепится к стальной стойке, расположенной на силовой раме ДЭС.
Панель управления позволяет:


осуществлять управление работой дизеля (подготовка к пуску, пуск/ останов);
контролировать работу дизеля и генератора по измерительным приборам и сигнальным
(индикаторным) лампам.
На дизельных электростанциях F.G. Wilson применяются панели управления серий:


“LCP-1”, “LCP –2” на ДЭС серии Lister;
“1001”, “2001”,“4001”, “4001E” и “6000” – на ДЭС серии Perkins.
Обязательные элементы панелей управления всех серий
Органы управления:


кнопка (ключ) запуска двигателя;
кнопка аварийного останова дизеля (красного цвета).
Приборы:





вольтметр генератора ДЭС;
амперметр (ток генератора ДЭС);
вольтметр аккумуляторной батареи;
частотомер (тахометр);
счетчик времени работы (моточасов) ДЭС.
Сигнальные лампы:


“Низкое давление масла”;
“Перегрев охлаждающей жидкости”.
Панели управления серий “1001”, “2001”, “4001” и “4001E” имеют модульную конструкцию и
полностью взаимозаменяемы. По сравнению с приведенным перечнем оборудования они имеют
рад дополнительных органов управления, приборов, индикаторов сигнализации других
возможных предаварийных ситуаций при работе ДЭС.
Стр. 8 из 67
Панели управления серий “1001”, “2001”, “4001” и “4001E” обеспечивают возможность
автоматического запуска или останова ДЭС по сигналу (2-х проводная связь) от панели
переключения нагрузки TI (см. ниже), расположенной обычно на удалении от станции.
Для примера на рис. 3 показан внешний вид панели управления “2001”.
Рис.3 Панель управления “2001”
Панели управления “6000” представляют собой управляющие интеллектуальные модули, которые
помимо основных управляющих, контрольных и сигнальных функций (свойственных панелям
серий “1001”, “2001”, “4001” и “4001E”) могут осуществлять мониторинг, автоматическую
синхронизацию двух и более ДЭС между собой и параллельно с сетью, с последующим
распределением нагрузки между ДЭС и электросетью.
Панель переключения нагрузки
Панель переключения нагрузки (ППН) предназначена для подключения нагрузки к центральной
электросети или к ДЭС. В ДЭС фирмы F.G. Wilson используются ППН типов: TI, TX, TC, TM.
Наибольшее применение находит интеллектуальная панель TI, используемая в комплекте с
панелями управления: “LCP-2”, “2001”, “4001” и “4001E”. При пропадании напряжения в
центральной электросети панель TI автоматически выдает сигнал на запуск ДЭС и после
появления напряжения на ее выходе переключает нагрузку к станции (рис. 4). После
восстановления напряжения в электросети панель TI автоматически осуществляет обратное
переключение нагрузки с выдачей сигнала на останов ДЭС.
Стр. 9 из 67
Схема подключения панели TI к ДЭС и централизованной электросети
Панели TX и TC обеспечивают переключение нагрузки путем воздействие на органы управления,
расположенные на панелях управления ДЭС.
Непосредственное переключение цепи нагрузки в ППН осуществляется с помощью двух
многополюсных контакторов электромагнитного типа, имеющих блокировку от одновременного
включения
Панель ТМ предназначена для переключения нагрузки от электросети к ДЭС и обратно вручную,
воздействием на перекидной силовой переключатель (типа рубильника).
Примечание: Более подробная информация о составе оборудования и особенностях панелей
управления ДЭС F.G. Wilson изложена на стр. 37-42 каталога “Малая энергетика на защите
большого бизнеса”.
Кожухи, контейнеры, трейлеры для ДЭС F.G. Wilson
Всепогодные кожухи предназначены для защиты оборудования ДЭС от влияний внешней среды
и обеспечения нормальных условий ее работы вне специальных помещений. Кожух для ДЭС
серии Lister одновременно выполняет функции шумопоглащения.
Всепогодный кожух для ДЭС серий Lister
Стр. 10 из 67
Всепогодный кожух для ДЭС серий Perkins
Корпуса кожухов выполнены из оцинкованной стали и обладают высокой антикоррозийной
стойкостью. Кожухи легкодоступны для технического обслуживания (имеются поднимающиеся
или раскрывающиеся дверцы, откидывающиеся панели) и обеспечивают безопасную
эксплуатацию ДЭС.
Всепогодные кожухи с шумопоглащением используются с целью существенного снижения
уровня шума от ДЭС серии Perkins, устанавливаемой вне помещения или внутри его, и имеют
несколько большие размеры и массу, чем обычные всепогодные кожухи за счет применения
звукоизоляционного материала. Для установки ДЭС в непосредственной близости от жилых
помещений, в центре города и т.д. используется кожух или контейнер с супершумопоглащением.
Термальные контейнеры предназначены для эксплуатации ДЭС серии Perkins в особо тяжелых
климатических условиях с температурой окружающей среды до –60 О с. Контейнеры оборудуются
системами обогрева и вентиляции. При запуске дизеля ДЭС в контейнере автоматически
открываются жалюзийные решетки для протока охлаждающего воздуха. Это позволяет
удерживать тепло внутри контейнера и повышает эффективность работы подогревателей ДЭС
при низких температурах в зимнее время.
Передвижные ДЭС серии Lister в кожухе устанавливаются на одноосном шасси. Передвижные
ДЭС серии Perkins (мощностью от 27 кВА до 250 кВА) – это одно- или двухосные дорожные
трейлеры с установленными на них ДЭС в кожухах.
ДЭС в передвижном варианте сохраняет все свои функции в полном объеме.
Передвижная ДЭС Lister
Стр. 11 из 67
Передвижная ДЭС Perkins
Примечание: Подробная информация о кожухах для ДЭС F.G. Wilson изложена на стр. 34-36
каталога “Малая энергетика на защите большого бизнеса”
3. Дизельные и бензиновые электростанции компании Gen Set
Компания Gen Set (Италия) является одним из ведущих европейских производителей дизельных
и бензиновых электростанций мощностью от 0,9 до 45 кВА. Продукция компании поставляется в
более, чем 60 стран мира, включая Россию. За последние 20 лет компанией Gen Set было
продано более 250000 единиц техники.
Особенности дизельных и бензиновых электростанций компании Gen Set












Предназначены для электропитания потребителей однофазного (220 В, 50 Гц) или
трехфазного (380/220 В, 50 Гц) переменного тока.
Используются в основном в режиме резервного источника ЭЭ.
Оснащены дизелями фирм Yanmar, Lombardini, Kubota, Ruggerini, Deutz, Perkins или
бензиновыми двигателями фирм Honda, Suzuki, Briggs & Straton и синхронными или
асинхронными генераторами, производимыми компанией Gen Set. Частота вращения 3000
об/мин или 1500 об/мин.
Запуск ручной или электростартерный с выходом на рабочий режим за 15 …30 с.
Автоматическая стабилизация напряжения и частоты механическими или электронными
регуляторами.
Трехфазные асинхронные генераторы Gen Set допускают возможность одновременного
надежного питания потребителей однофазного и трехфазного тока.
Возможность контроля параметров двигателя и генератора.
Автоматическая защита от аварийных ситуаций с сигнализацией.
Всепогодные и шумоизолирующие кожухи
Переносное или трейлерное (2-х колесное) исполнение.
Встроенный топливный бак на 4 …8 часов непрерывной работы.
Возможны различные дополнительные устройства и системы.
Для обозначения различный моделей электростанций Gen Set принята буквенно-цифровая
символика, в которой символы означают:



MG – мотор-генератор (электростанция фирмы Gen Set).
Четырех- или пятизначное число – мощность однофазного режима в ВА (округленное
значение).
Одно- или двухзначное число – мощность трехфазного режима в кВА (округленное
значение).
Стр. 12 из 67

Дробное число – мощность в кВА (округленное значение):


числитель – трехфазный режим;
знаменатель – однофазный режим.



SS – наличие кожуха с шумопоглащением.
АЕ – электростартерный запуск.
K, L, H, DZ, PS, SK, Y – фирма-производитель двигателя (Kubota, , Lombardini, Honda,
Deutz, Perkins, Suzuki, Yanmar).
D – дизели при мощности электростанции менее 8 кВА.

Например: MG-3000 I-H/AE – электростанция Gen Set, мощностью 3000 ВА, с однофазным
выходом, двигатель фирмы Honda, электростартерный запуск;
MG 10/8 SS-K – электростанция Gen Set, мощностью 10 кВА в трехфазном режиме и 8 кВА – в
однофазном режиме, двигатель фирмы Kubota, имеется всепогодный шумоизолирующий кожух.
Общие сведения об устройстве дизельных и бензиновых электростанций Gen Set
Основой электростанций Gen Set является двигатель-генераторный агрегат, состоящий из
дизельного или бензинового двигателя и электрического генератора. Двигатель и генератор
напрямую соединены между собой и укреплены через амортизаторы на стальном основании
(раме). Двигатель снабжен системами (топливной, смазки, охлаждения), обеспечивающими
надежную работу электростанции. Запуск двигателя ручной или с помощью электростартера,
работающего от стартерной аккумуляторной батареи, закрепленной также на основании. В
двигатель-генераторном агрегате используются синхронные или асинхронные генераторы
производства компании Gen Set. Асинхронные генераторы Gen Set обеспечивают надежное
питание любой, в том числе “нелинейной” нагрузки, даже при соотношении мощностей, близком к
1:1. Электростанция имеет панель управления и устройства автоматики (или блок автоматики), с
помощью которых осуществляется управление станцией, контроль за ее состоянием и защита от
аварийных ситуаций.
Все электростанции Gen Set с двигателями жидкостного охлаждения оснащены кожухом,
защищающим их от воздействия погодных условий окружающей среды и снижающим уровень
шума при работе. У агрегатов с двигателями воздушного охлаждения только генератор имеет
кожух (для защиты от механических воздействий). Электростанции выполняются в переносном
или передвижном (на трейлере) вариантах.
Стр. 13 из 67
Вопросы для самоконтроля
1. Какие источники ЭЭ входят в состав КСГЭП?
2. Какие параметры ЭЭ обеспечивают ДЭС и БЭС в однофазном и трехфазном режимах
работы?
3. Каково назначение ИБП, входящих в состав КСГЭП?
4. Как расшифровать обозначение модели ДЭС: LH22?
5. Как расшифровать обозначение модели ДЭС: P175HE?
6. Как расшифровать обозначение модели электростанции: MG 5/4 I-H/AE
7. Что входит в состав ДЭС F.G. Wilson?
8. Что входит в состав дизель-генераторных агрегатов ДЭС F.G. Wilson?
9. Назначение датчиков защиты ДЭС.
10. Назначение панели управления.
11. Обязательные элементы всех типов панелей управления.
12. Назначение панелей переключения нагрузки.
13. Как функционирует панель TI?
14. Особенности панели ТМ.
15. Назначение кожухов, контейнеров ДЭС.
II. Дизели
4. Общие сведения о дизеле
Дизелем называется двигатель внутреннего сгорания, у которого топливо самовоспламеняется
благодаря высокой температуре сжатого воздуха.
Двигатель внутреннего сгорания – это поршневой тепловой двигатель в котором химическая
энергия топлива преобразуется в тепловую непосредственно внутри рабочего цилиндра, а
тепловая энергия преобразуется в механическую следующим путем.
В результате сгорания топлива образуются газообразные продукты с высоким давлением и
температурой 1600-2000 о С. Газообразные продукты сгорания, расширяясь, давят на поршень,
перемещающийся внутри цилиндра ограниченных размеров; при этом совершается полезная
работа.
Для получения определенного количества работы движение поршня должно быть возвратнопоступательным. С помощью особого кривошипно-шатунного механизма возвратнопоступательное движения поршня преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.
Возникающий на нем крутящий момент, преодолевая момент сопротивления внешней нагрузки,
совершает полезную работу, например, вращение ротора электрического генератора.
Своевременное заполнение цилиндра свежим зарядом воздуха и удаление отработавших газов
осуществляется с помощью газораспределительного механизма, который периодически
открывает и закрывает впускной и выпускной клапаны цилиндра.
Подача топлива в цилиндр в необходимом количестве в зависимости от нагрузки дизеля
обеспечивается системой топливоподачи.
Дизель, в зависимости от мощности, может иметь 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12 и более цилиндров.
Последовательность процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре, и
обусловливающих работу двигателя, составляет в совокупности рабочий цикл.
Стр. 14 из 67
Рабочий цикл современных двигателей состоит из 4-х тактов, Совершая возвратнопоступательное движение, поршень занимает различные положения в цилиндре. Крайнее
верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (в.м.т.), а крайнее нижнее –
нижней мертвой точкой (н.м.т.).
Схема работы 4-х тактного дизеля показа на рис. 10
1-й такт – впуск (всасывание) свежего воздуха (рис. 10, а) происходит при перемещении поршня
1 вниз от в.м.т. к н.м.т. Впускной клапан 3 открыт, а выпускной 6 – закрыт. Во время движения
поршня вниз в цилиндре создается разрежение и наружный воздух по всасывающему
трубопроводу поступает в цилиндр.
2-й такт – сжатие (рис. 10, б) начинается при обратном ходе поршня к в.м.т. при закрытых
клапанах. Воздух в цилиндре сжимается до давления 35-40 атм и нагревается до 500-600 о С и
более. Величина давления зависит от степени сжатия (отношения полного объема цилиндра к
объему камеры сжатия), которая для большинства дизелей составляет 14 …18.
В конце второго такта в цилиндр через форсунку 5 впрыскивается распыленное жидкое топливо,
которое воспламеняется вблизи в.м.т.
3-й такт – рабочий ход или расширение (рис. 10, в). При этом происходит горение топлива и
расширение продуктов сгорания. Горение топлива сопровождается выделением большого
количества тепла. Оба клапана закрыты. Давление в цилиндре доходит до 100-150 атм (у дизелей
с наддувом), а температура – до 1600-2000 о С.
4-й такт – выпуск (рис. 10, г). В конце рабочего хода, вблизи н.м.т. открывается выпускной клапан
6 и продукты сгорания выходят в окружающую среду. Температура газов 350-400 о С, а давление
3-4 атм.
Тепловой баланс дизеля
При сгорании топлива полезно преобразуется в механическую работу только 29-45%
выделяемого тепла. Остальное тепло теряется, а именно:
Стр. 15 из 67




уносится отходящими газами;
уносится охлаждающей жидкостью;
теряется из-за неполноты сгорания;
уходит в окружающую среду и теряется в виде потерей на трение.
Наддув дизелей
Эффективным способом повышения мощности дизеля является увеличение весового заряда
воздуха, поступающего в его цилиндры. Для этого используется, так называемый, наддув
дизеля. Суть его состоит в том, что рабочие цилиндры наполняются воздухом повышенного
давления, поступающим из специального агрегата наддува. У разных дизелей давление наддува
составляет от 1,3 до 2,5 атм (кг/ см 2). В качестве агрегата наддува используются, например,
газотурбинные нагнетатели, приводимые в действие отработавшими газами из цилиндров.
5. Общие сведения об устройстве дизеля
Неподвижные части двигателя образуют остов, внутри которого размещаются цилиндры,
поршни, кривошипно-шатунный механизм. К остову дизеля крепятся все агрегаты
вспомогательных систем:






газораспределения;
подачи топлива;
подачи воздуха;
смазки;
охлаждения;
пуска.
Остов двигателя состоит из фундаментной рамы, картера (станины), блок-цилиндров и крышек
рабочих цилиндров.
Фундаментная рама – нижняя часть остова – устанавливается на фундамент. Она совместно с
картером обеспечивает необходимую продольную и поперечную жесткость дизеля. В основании
рамы установлены коренные подшипники, являющиеся опорой для коленчатого вала.
Картер (станина) связывает воедино блок-цилиндры с фундаментной рамой и образует
полностью закрытую и непроницаемую для газов и масла полость для кривошипно-шатунного
механизма.
Блок-цилиндры, в которых разиещены гильзы цилиндров, являются одной из самых
ответственных частей остова. Гильзы цилиндров, установленные в блоках, омываются снаружи
охлаждающей водой.
Цилиндры могут располагаться в линию (L), а при их числе 8 и боле – также и V-образно.
Крышка (головка) рабочих цилиндров вместе с днищем поршня и стенками гильзы образует
камеру сгорания дизеля.
Кривошипно-шатунный механизм предназначен для преобразования возвратнопоступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала. Кривошипношатунный механизм состоит из поршневой группы (поршень с поршневыми кольцами и
поршневой палец), шатуна, коленчатого вала и маховика.
Поршень – одна из самых напряженных деталей двигателя выполняет следующие функции:
Стр. 16 из 67


воспринимает давление газов и передает его на поршневой палец, шатун и коленчатый
вал;
обеспечивает герметичность камеры сгорания.
Поршневые кольца, устанавливаемые в канавках на поршне, по назначению делятся на
уплотнительные и маслосбрасывающие. Первые служат для уплотнения подвижного сопряжения
поршень-цилиндр. Вторые – снимают излишки масла с зеркала цилиндра и отводят его в картер
двигателя.
Поршневой палец служит для шарнирного соединения поршня с шатуном.
Коленчатый вал (рис. 11) является самой сложной, напряженной и дорогой деталью
кривошипно-шатунного механизма. Вес вала составляет около 10% веса двигателя, а стоимость
его изготовления иногда достигает 25-30% от стоимости изготовления двигателя.
Вал воспринимает периодические нагрузки от давления газов и сил инерции возвратнопоступательно движущихся и вращающихся частей. Поэтому коленчатый вал подвергается
значительным изгибающим и скручивающим усилиям. К хвостовику коленчатого вала крепят
маховик, предназначенный для обеспечения равномерности вращения вала. Кроме того,
маховик выводит коленчатый вал из мертвых точек и значительно облегчает пуск дизелей,
особенно с малым числом цилиндров.
6. Система газораспределения
Система газораспределения служит для обеспечения наполнения цилиндров зарядом
воздуха и очистки их от отработавших газов.
Органами газораспределения являются впускные и выпускные клапаны, клапанные рычаги
и толкатели, распределительный вал с сидящими на нем кулачковыми шайбами.
Распределительный вал управляет клапанами с помощью кулачков. Приведение в
действие распределительного вала осуществляется от коленчатого вала (обычно через
зубчатые шестерни).
Стр. 17 из 67
7. Система подачи топлива
Система подачи топлива является одной из главных частей дизеля, от качества работы которой
зависят показатели его рабочего процесса и эксплуатационные характеристики.
Система подачи топлива состоит из топливного бака, топливного насоса высокого давления,
регулятора топливного насоса, форсунок, фильтров грубой и тонкой очистки,
топливоподкачивающего насоса, топливопроводов высокого и низкого давления.
Система подачи топлива должна обеспечить:




впрыск топлива в цилиндр в нужной последовательности и в количестве, соответствующем
нагрузке на валу дизеля. С ростом нагрузки без изменения частоты вращения количество
подаваемого топлива должно увеличиваться, а при снижении нагрузки – уменьшаться;
впрыск топлива в строго определенный момент и определенную его продолжительность;
высококачественное распыление и равномерное распределение топлива в объеме камеры
сгорания для более полного использования имеющегося в нем воздуха;
подачу одинаковых порций воздуха в каждый цилиндр.
Топливная система функционирует следующим образом (рис. 12)
Топливоподкачивающий насос 2 засасывает топливо из бака через фильтры грубой очистки 1 и
подает его через фильтры тонкой очистки 6 во впускную камеру 8 топливного насоса высокого
давления. Число секций насоса 7 соответствует числу цилиндров дизеля. Секции этого насоса
под большим давлением подают топливо по трубопроводам 9 к форсункам 11, которые
впрыскивают его в распыленном виде в цилиндры.
Как видно из схемы, топливо постоянно циркулирует из бака через фильтры, камеру насоса
высокого давления, перепускные клапаны 3 и 4 и снова в бак. Клапаны 3 и 4 поддерживают
необходимое давление топлива в системе.
В топливный насос высокого давления встроен регулятор. Он предназначен для автоматического
изменения подачи топлива в цилиндры с целью поддержания стабильности (постоянства)
частоты вращения вала дизеля при изменении его нагрузки. Чувствительным элементом
Стр. 18 из 67
регулятора является центробежный механизм, воздействующий на рейку топливного насоса
высоко давления 7, изменяющую количество топлива, подаваемого в цилиндры.
Форсунки предназначены для введения в камеры сгорания цилиндров и мелкого распыления
топлива, подаваемого насосом. Чем выше скорость истечения топлива из сопел форсунки, тем
лучше оно распыляется. А скорость истечения топлива зависит от давления топлива,
создаваемого насосом.
Топливные фильтры. Фильтрация дизельного топлива – это чрезвычайно важное средство
обеспечения нормальной и бесперебойной работы дизелей и снижения эксплуатационных
расходов. Для очистки топлива в системе топливоподачи устанавливают, как правило, два и
более последовательно работающих топливных фильтров, обладающих различными степенями
очистки.
По степени очистки различают фильтры грубой и тонкой очистки. Первая задерживает
посторонние частицы более 0,06-0,07 мм, а вторая – менее указанного размера.
Топливоподкачивающий насос предназначен для забора топлива из бака и подачи его к
топливному насосу дизеля под повышенным давлением, достаточным для преодоления
сопротивления трубопроводов низкого давления и фильтров, и обеспечения нормальной работы
топливного насоса высокого давления.
В отдельных случаях, когда топливная система имеет малое гидравлическое сопротивление,
подкачивающий насос не устанавливают и топливо из бака к насосу высокого давления идет
самотеком.
Производительность подкачивающих насосов в 10-25 раз превышает производительность насоса
высокого давления, а давление подкачки может лежать в пределах – 0,5-6 кг/см2.
По конструкции топливоподкачивающие насосы могут быть поршневыми, ротационными и
шестеренчатыми.
8. Система подачи воздуха и выхлопа
В систему подачи воздуха входят воздухоочиститель (воздушный фильтр), впускной
трубопровод, а для некоторых дизелей также устройство для продувки и наддува.
Воздухоочиститель очищает поступающий в двигатель воздух от пыли, которая
увеличивает износ его трущихся поверхностей.
По впускному трубопроводу воздух из воздухоочистителя поступает в цилиндры.
Впускные трубопроводы обычно выполнены в виде коллектора.
Устройства для продувки и наддува представляют собой воздушные нагнетатели.
Конструктивное исполнение их может быть различным. Наибольшее применение в
современных дизелях находят нагнетатели, приводимые в движение от газовых турбин,
которые используют энергию отработавших газов. Такие дизели называются дизелями с
газотурбинным наддувом.
Система выхлопа состоит из выпускного коллектора и глушителя. Выпускной коллектор в
большинстве случаев выполняется с двойными стенками, которые образуют водяную
рубашку охлаждения.
Стр. 19 из 67
Для уменьшения шума выхлопа, возникающего из-за колебаний газовой среды при
выпуске отработавших газов, к выпускному коллектору присоединяют глушитель.
Конструкция его может быть различной.
9. Система смазки
Система смазки предназначена для непрерывной и автоматической подачи масла ко всем
трущимся деталям двигателя, с целью уменьшения трения, повышения
износоустойчивости и охлаждения этих деталей.
В современных дизелях применяется в основном смешанная (комбинированная)
система смазки. В этой системе часть трущихся деталей смазывается принудительно под
давлением, создаваемым насосом, а другая часть – методом разбрызгивания масла.
Последнее реализуется с помощью специальных черпачков, имеющихся на нижних
головках шатунов. При разбрызгивании образуются мельчайшие капельки масла, которые
оседают на всех деталях, расположенных в полости картера, и смазывают их. Стекающее
масло скапливается в нижней части картера и снова разбрызгивается черпачками.
Смешанная система дизеля показана на рис. 13. При работе дизеля масло из картера
через приемный сетчатый фильтр 1 засасывается насосом 2 и затем нагнетается в
масляный фильтр грубой очистки 3. От него масло поступает в масляный холодильник 4.
Охлажденное масло идет в главную масляную магистраль, из которой направляется к
основным подшипникам коленчатого вала. От них по каналам в теле шатунов масло
поступает к поршневым пальцам. Часть масла направляется к фильтру тонкой очистки 7.
Отфильтрованное масло стекает в картер.
По каналам в перегородках блока и маслопроводам масло подводится к вспомогательным
механизмам дизеля.
Заданное (требуемое) давление в нагнетательной масляной магистрали поддерживается
клапанами 12 и 13, которые перепускают избыток масла в картер.
Ручной насос 6 служит для прокачки масляной системы дизеля пред его пуском.
Горячее масло из подшипников коленчатого и распределительного валов, со стенок
поршневой группы и других деталей сливается в картер, откуда насосом 2 оно снова
забирается и нагнетается в систему смазки.
Стр. 20 из 67
Масляные фильтры предназначаются для удаления из масла продуктов износа металлов
и окисления масла (нагар, смолистые вещества, пыль, частицы несгоревшего топлива). По
принципу действия все фильтры делятся на механические, поглощающие,
гидродинамические (типа центрифуг) и магнитные.
10. Система охлаждения
Система охлаждения служит для отвода тепла от стенок и головок цилиндров, поршней
клапанов и других деталей, нагревающихся от соприкосновения с горячими газами или
вследствие трения, и поддержания в них допустимой температуры.
В систему охлаждения в зависимости от типа дизеля отводится от 15% до 35% тепла,
образующегося при сгорании топлива.
Температурный режим системы охлаждения оказывает существенное влияние на работу
дизеля. При повышении температуры выходящей воды до 85-90 о С увеличивается
мощность двигателя, снижается удельный расход топлива, уменьшается износ стенок
цилиндра, уменьшаются в них температурные напряжения.
На рис. 14 показана замкнутая система охлаждения дизеля с турбонаддувом.
Основные узлы системы – насос 6, вентилятор 3, водяной радиатор 2, трубопроводы.
Насос 6, приводимый в движение от коленчатого вала дизеля, засасывает охлажденную в
радиаторе 2 воду и подает ее в рубашку блока цилиндров 8 по трубке 7 с отверстиями,
уложенной в боковом канале блока. Вода омывает гильзы цилиндров и охлаждает их.
После этого вода поступает в головки цилиндров, а оттуда в радиатор. Вентилятор 3,
приводимый во вращение от вала дизеля, обдувает воздухом трубки радиатора и
охлаждает находящуюся в них воду.
Для охлаждения подшипников турбонагнетателя 10 часть воды от трубки 7 поступает по
трубопроводу 9, а отводится по трубопроводу 11.
Стр. 21 из 67
11.Система пуска
Для пуска дизеля необходимо его коленчатый вал привести во вращение от постороннего
источника энергии с такой скоростью, которая обеспечивает необходимые условия для
нормального сжатия воздуха, смесеобразования и воспламенения горючей смеси.
Лучшими пусковыми свойствами обладают дизели с высокой степенью сжатия.
Для запуска холодного дизеля требуется большее усилие для проворачивания коленчатого вала,
чем у прогретого двигателя.
При недостаточно быстром вращении коленчатого вала ухудшается смесеобразование, а также
уменьшаются давление и температура сжимаемого воздуха. Последняя может оказаться
настолько низкой, что впрыскиваемое топливо не воспламенится.
Пусковая частота вращения для большинства дизелей лежит в диапазоне 100-200 оборотов в
минуту.
Пуск современных дизелей осуществляется с помощью электростартера, питающегося от
аккумуляторной батареи (АБ). Электростартер представляет собой малогабаритный
электродвигатель постоянного тока, используемый для прокручивания коленчатого вала дизеля и
снабженный специальным устройством для временного (на период пуска) сцепления с
коленчатым валом.
Мощность стартера равна примерно 7-10% мощности дизеля.
Электростартеры рассчитаны на кратковременную работу, продолжительность которой не должна
превышать 10-20 сек.
Источником электропитания стартеров являются стартерные АБ с напряжением 12 или 24 В.
Дизели с электростартерным пуском снабжены специальным электрическим генератором,
(зарядным генератором), предназначенным для подзарядки стартерных АБ в период работы
дизеля. Привод этих генераторов осуществляется от коленчатого вала дизеля.
Вопросы для самоконтроля
Особенности дизеля как двигателя внутреннего сгорания.
В чем состоит сущность отдельных тактов работы 4-х тактного дизеля?
С какой целью производится наддув дизелей?
Каково назначение кривошипно-шатунного механизма и из каких основных частей он
состоит?
5. Для чего предназначен коленчатый вал?
6. Какова роль маховика в дизеле?
7. Каково назначение системы газораспределения?
8. Из каких основных частей состоит система подачи топлива? Как она функционирует?
9. Каково назначение топливного насоса высоко давления?
10. Каково назначение регулятора, находящегося в топливном насосе?
11. Для чего служит и как приводится в действие турбонагнетатель дизеля?
12. Какие части и элементы входят в комбинированную систему смазки дизеля? Как она
функционирует?
13. Каково назначение системы охлаждения дизеля?
1.
2.
3.
4.
Стр. 22 из 67
14. Как циркулирует охлаждающая вода в замкнутой системе охлаждения дизеля? За счет
чего вода охлаждается?
15. Что представляет собой электростартер дизеля?
16. За счет чего поддерживается заряженное состояние стартерной аккумуляторной батареи
ДЭС?
III. Синхронные генераторы
Условные обозначения
СГ – синхронный генератор
ЭДС – электродвижущая сила
ЭМ – электрическая машина
ЭЭ- электрическая энергия
Синхронные генераторы используются в качестве источников ЭЭ переменного тока. Они
устанавливаются на всех тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на
автономных электростанциях (дизельных, бензиновых, газодвигательных).
12. Простейшая модель синхронного генератора
Простейшей моделью однофазного синхронного генератора (СГ) является виток В
электрического проводника (рис. 15, а), вращающийся в магнитном поле, образованном,
например, постоянным магнитом. Виток размещен на роторе Р, основу которого
составляет ферромагнитный цилиндрический сердечник. Концы витка соединены с
токопроводящими кольцами К, с которыми контактируют щетки Щ. К щеткам через ключ S
подсоединен приемник электрической энергии (нагрузка) с сопротивлением rн.
Простейшая модель однофазного СГ
Если с помощью внешнего двигателя Д ротор привести во вращение относительно оси
ОО1, то в витке в соответствии с законом электромагнитной индукции будет наводиться
(индуктироваться) переменная ЭДС “е” синусоидальной формы (рис. 15, б).
При замыкании ключа S под действием ЭДС в витке и в нагрузке потечет переменный
электрический ток i, т.е. генератор будет отдавать ЭЭ в нагрузку.
Стр. 23 из 67
Время (Т) полного цикла изменения ЭДС (или тока) называется периодом. Величина
обратная периоду, т.е. 1/Т=f есть частота ЭДС (или тока) – число периодов за 1 сек.
Единица частоты – герц (Гц).
В общем случае магнитное поле в СГ может создаваться не одной, а несколькими парами
магнитных полюсов. Тогда частота индуктируемой ЭДС будет определяться формулой
f = p . n / 60 (Гц), (1)
где, р – число пар полюсов, создающих магнитное поле в ЭМ;
n – частота вращения ротора, об/мин.
Так как в российской электроэнергетике принята частота 50 Гц, то согласно формуле
частота вращения ротора СГ должна быть строго определенной, а именно: при р = 1
(магнитное поле двухполюсное) n = 3000 об/мин, при р = 2 (поле имеет 4 полюса)
n = 1500 об/мин, при р = 3 n =1000 об/мин.
В модели СГ, приведенной на рис. 15, а, принципиально ничего не изменится, если виток
сделать неподвижным, а вращать магнит. Это свидетельствует о различных возможностях
конструктивного исполнения СГ.
13. Трехфазные СГ. Устройство, принцип работы. Способы возбуждения.
В настоящее время в автономных ДЭС и БЭС применяются не только однофазные, но и
трехфазные СГ (последние в большинстве случаев). Однофазные СГ представляют собой
частный случай трехфазных, поэтому ниже рассматриваются только трехфазные СГ.
Основными частями трехфазных СГ являются статор (неподвижная часть) и ротор (вращающаяся
часть).
Схема устройства 3-х фазного СГ
Стр. 24 из 67
Статор (рис. 16) состоит из сердечника и обмотки. Сердечник – это полый цилиндр 1, набранный
из отдельных изолированных друг от друга пластин электротехнической стали и запрессованный
в алюминиевый или стальной корпус 2. По внутренней цилиндрической поверхности сердечника
имеются пазы, в которые уложена трехфазная обмотка (фазы AX, BY, CZ), выполненная в виде
многовитковых катушек и называемая обмоткой якоря. Катушки обмоток смещены в
пространстве относительно друг друга на 120 эл. градусов и соединены по схеме “звезда”. (на
рис. 16 трехфазная обмотка условно изображена в виде трех витков AX, BY, CZ).
Ротор представляет собой электромагнит, обмотка которого питается постоянным током. Эта
обмотка при наличии в ней тока создает (возбуждает) в СГ магнитный поток и поэтому
называется обмоткой возбуждения (ОВ).
Элементы конструкции СГ
Основные элементы конструкции СГ показаны на рис. 17.
Если приводной двигатель Д (рис. 16) вращает ротор СГ с частотой nр то магнитный поток
вращается с ротором и, пересекая проводники обмотки якоря, наводит в его фазах переменные
ЭДС, одинаковой величины и частоты, но сдвинутые по фазе на 120 о относительно друг друга.
Величина ЭДС каждой фазы прямопропорциональна величине магнитного потока (Ф) и
частоте вращения ротора nр. Следовательно, при nр = const (условие постоянства частоты ЭДС)
изменить, при необходимости, уровень ЭДС генератора можно, только путем воздействия на ток
обмотки возбуждения, от которого зависит магнитный поток.
Стр. 25 из 67
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают СГ с независимым
возбуждением и с самовозбуждением.
При независимом возбуждении (рис. 18, а) обмотка возбуждения ОВ питается от
вспомогательного генератора постоянного тока – возбудителя В, который вращается от
приводного двигателя Д синхронного генератора.
При самовозбуждении (рис. 18, б) обмотка возбуждения СГ питается от обмотки якоря СГ через
выпрямитель. Процесс самовозбуждения состоит в следующем. При вращении ротора
остаточный магнитный поток его ферромагнитного сердечника наводит в обмотке якоря (статора)
ЭДС, которая выпрямляется и подается в обмотку ОВ, вызывая появление в ней тока. Магнитный
поток ротора усиливается, что ведет к последовательному возрастанию ЭДС в обмотке якоря,
тока в обмотке возбуждения и т.д. – т.е. происходит самовозбуждение генератора.
Схемы возбуждения СГ
Недостаток приведенных схем возбуждения СГ – это наличие щеток Щ и контактных колец КК в
цепи питания обмотки возбуждения ОВ, снижающих надежность цепи возбуждения и требующих
повышенного внимания при эксплуатации СГ.
Этого недостатка нет в схеме самовозбуждения СГ, приведенной на рис. 19, где в качестве
возбудителя (В) используется вспомогательный синхронный генератор, трехфазная обмотка
якоря которого размещена на роторе, а обмотка возбуждения (ОВВ) – на статоре. Обмотка
возбуждения ОВГ основного генератора (СГ) питается выпрямленным током обмотки
вращающегося якоря возбудителя В. Неподвижная обмотка возбуждения ОВВ возбудителя через
выпрямитель подключена к выходу основного СГ.
Рис. 19 Схема возбуждения бесщеточного СГ
Стр. 26 из 67
Принцип работы схемы. При вращении (двигателем Д) роторов СГ и возбудителя В за счет
остаточного магнитного потока статора возбудителя в его вращающейся трехфазной обмотке
наводится ЭДС, которая обусловливает появление тока возбуждения в обмотке ОВГ основного
СГ. Появившееся напряжение на выходе СГ выпрямляется и подается в обмотку возбуждения
ОВВ возбудителя. Магнитный поток в последнем возрастает, последовательно увеличиваются
ЭДС в обмотке якоря возбудителя, ток в обмотке ОВГ, напряжение на выходе СГ и т.д. до
установления на выходе последнего номинального напряжения (ЭДС), которое определяется
настройкой его автоматического регулятора напряжения (АРН).
Рассмотренная схема применяется в синхронных генераторах дизельных электростанций фирмы
F.G. Wilson.
Номинальные данные СГ, указываемые в техническом паспорте:





полная мощность – SH (в кВА);
коэффициент мощности – cos j;
частота вращения – nH (об/мин);
частота тока – f (Гц);
напряжение и ток возбуждения – Uвн, Iвн.
Номинальная активная мощность СГ определяется формулой: Рн = Sн . cos j, где j – угол сдвига по
фазе между напряжением и током нагрузки генератора.
14. Понятия об электромагнитных процессах и преобразовании энергии в СГ
Пусть приводной двигатель Д (рис. 20, а) вращает ротор СГ с частотой nр. В режиме
холостого хода (выключатель Q разомкнут) в СГ имеется только магнитное поле
возбуждения, которое наводит в обмотке якоря ЭДС.
Схема включения нагрузки СГ
Замкнув выключатель Q, подключим к СГ симметричную нагрузку – равные и однородные
сопротивления Z1, Z2, Z3. Под действием ЭДС в нагрузке и в фазах обмотки якоря СГ
потекут равные по величине токи IA, IB, IC, сдвинутые по фазе относительно друг друга на
Стр. 27 из 67
угол 120 о (рис. 20, б). Эти токи создают магнитное поле якоря, которое вращается с
частотой nя = 60 f/р (где f – частота тока). Так как частота тока СГ (см. формулу 1)
f=pxnp/60
то оказывается, что nя = nр, т.е. магнитное поле якоря вращается синхронно с
магнитным полем возбуждения (с ротором). Следовательно, указанные поля
относительно друг друга неподвижны и могут взаимодействовать. В результате этого
взаимодействия создается электромагнитный момент М.
Момент М приложен к ротору в направлении, противоположном его вращению, т.е.
является тормозным, нагружающим приводной двигатель Д и стремящимся замедлить
вращение ротора. Для продолжения нормальной работы СГ с постоянной частотой
вращения вращающий момент Мв приводного двигателя Д должен быть увеличен до
значения Мв = М. Другими словами, потребуется увеличить подводимую к СГ
механическую мощность. Эта операция реализуется автоматически, например, в
дизельных двигателях путем увеличения подачи топлива.
Величина электромагнитного момента М зависит от взаимного положения магнитных
полей ротора и статора СГ. Если поля взаимно-перпендикулярны – момент М
максимален. Это соответствует чисто активной нагрузке СГ (cos j = 1) и означает, что
механическая энергия приводного двигателя преобразуется генератором в в
электрическую энергию, полезно используемую в нагрузке.
Момент М равен нулю, если магнитные поля ротора и статора противополжнонаправлены или совпадают. Это имеет место при чисто индуктивной или емкостной
нагрузке генератора (cos j = 0). В этом случае полезного преобразования механической
энергии в электрическую не происходит и двигатель не нагружается.
При обычной активно-индуктивной нагрузке величина момента М и, следовательно,
нагрузка на приводной двигатель определяется активной составляющей полного
тока (I) СГ: Ia = I . cos j или активной составляющей мощности нагрузки:
P = S . cos j,
где Р – активная мощность, Вт;
S – полная мощность, ВА.
Таким образом, мощность нагрузки СГ в ваттах (Вт) определяет
механическую нагрузку на его приводной двигатель (например, дизель).
Заметим, что мощность нагрузки в вольтамперах (ВА) определяет степень
нагрева СГ.
Соответственно, номинальная мощность ДЭС в Вт – это предельно допустимая
мощность нагрузки на приводной двигатель. А номинальная мощность ДЭС в ВА –
это предельно допустимая мощность нагрузки на генератор из соображений его
нагрева.
Магнитное поле якоря не только создает тормозной момент, взаимодействуя с полем
возбуждения, но оно влияет на результирующее магнитное поле ЭМ. Это влияние,
называемое реакцией якоря, существенно сказывается на свойствах СГ. Характер и
степень проявления реакции якоря зависят как от вида нагрузки, так и от ее величины.
Стр. 28 из 67
При чисто активной нагрузке, когда поле якоря и поле возбуждения взаимноперпендикулярны (поперечная реакция якоря) магнитное поле ЭМ искажается, а
результирующий магнитный поток ЭМ несколько уменьшается.
При чисто индуктивной нагрузке, когда поле якоря и поле возбуждения взаимнопротивоположны, результирующий магнитный поток ЭМ уменьшается , т.е. реакция
якоря размагничивающая.
При чисто емкостной нагрузке поля якоря и ротора совпадают и происходит
увеличение результатирующего магнитного потока ЭМ, т.е. реакция якоря
подмагничивающая.
15. Влияние нагрузки на выходное напряжение СГ
Изменение тока нагрузки вызывает изменение напряжения на выходе СГ. Характер и
степень этого изменения оценивают по внешней характеристике СГ – зависимости
напряжения U от тока нагрузки I (тока якоря) при постоянном токе возбуждения
(Iв = const) и неизменной частоте вращения (nр = const).
Характеристики СГ: а – внешняя, б – регулировочная
Внешние характеристики СГ показаны на рис. 21, а. При активной нагрузке
(cos j = 1) с увеличением тока нагрузки от нуля до номинального значения Iн напряжение на
выходе СГ уменьшается. Причина этому – увеличение падения напряжения на
сопротивлении обмотки якоря и некоторое уменьшение ЭДС вследствие действия
поперечной реакции якоря.
Стр. 29 из 67
При активно-индуктивной нагрузке напряжение снижается из-за размагничивающего
действия реакции якоря. Так при cos j = 0,85 …0,9 и изменении тока от нуля до Iн
напряжение уменьшается на 25 …35%.
При активно-емкостной нагрузке увеличение тока нагрузке вначале сопровождается
заметным ростом напряжения из-за подмагничивающей реакции якоря. Дальнейшее
увеличение тока вызывает также снижение выходного напряжения вследствие роста и
падения напряжения в обмотке якоря.
Из рис. 21, а следует, что при одном и том же токе нагрузки (например, Iн) напряжение на
выходе СГ будет различным в зависимости от характера нагрузки. Таким образом,
напряжение на выходе СГ определяется не только величиной, но и характером
нагрузки.
Надежная работа практически всех потребителей электроэнергии возможна лишь при
постоянстве (стабильности) уровня выходного напряжения СГ.
Для поддержания напряжения СГ на одном уровне изменяют ток возбуждения так, чтобы
изменение ЭДС в обмотке якоря компенсировало отклонения напряжения от заданного
значения.
На рис. 21, б изображены регулировочные характеристики СГ, показывающие как надо
изменять ток возбуждения Iв при увеличении тока нагрузки, чтобы напряжение оставалось
неизменным (U = const) при постоянной частоте вращения (nр = const).
Регулирование (стабилизация) выходного напряжения СГ осуществляется
автоматическими регуляторами (АРН).
16. Параллельная работа СГ
В КСГЭП предусматривается возможность совместной (параллельной) работы дизельных
электростанций на общую нагрузку или с централизованной электросетью.
Процесс включения ДЭС на параллельную работу – это достаточно сложная и ответственная
техническая операция (процедура), которая требует строгого выполнения ряда условий и правил.
Рассмотрим включение ДЭС на параллельную работу с сетью. Представим сеть условно в виде
эквивалентного синхронного генератора СГ1 (рис. 22, а) бесконечно большой мощности.
Стр. 30 из 67
Схема и векторная диаграмма параллельной работы СГ с сетью
Для правильного включения СГ дизельной электростанции на параллельную работу с сетью (с
СГ1) должны быть соблюдены следующие условия:




равенство частот тока СГ и сети (fr = f);
равенство ЭДС СГ и напряжения сети (Eо = Uc);
одинаковый порядок чередования фаз СГ и сети;
нахождение строго в противофазе ЭДС СГ и напряжения сети (рис. 22, б)
При невыполнении этих условий в СГ в момент подключения к сети возможно появление больших
бросков уравнительного тока и механических ударов, способных вызвать аварию ДЭС.
Частоту СГ перед включением на параллельную работу точно уравнять с частотой сети
практически невозможно. Вместе с тем во избежание уравнительных токов, вызывающих
механические удары в дизеле и СГ ДЭС, включение должно производиться точно в тот момент,
когда ЭДС СГ (ЕА, ЕВ, ЕС) и напряжение сети (UA1, UB1, UC1) находятся строго в противофазе (рис.
22, б). В этом случае нежелательных уравнительных токов в системе СГ-сеть не будет.
Существуют два способа включения СГ на параллельную работу с сетью (с СГ другой ДЭС):
точный и способ самосинхронизации.
Точный способ состоит в следующем:





запускается дизель ДЭС и частота вращения доводится до номинальной;
возбуждается СГ и устанавливается равенство между его ЭДС и напряжением сети (Eo =
Uc);
проверяется порядок чередования фаз у СГ и сети, например, с помощью ламп
синхронизации Л (рис., а), подключенных параллельно контактам выключателя Q. При
одинаковом чередовании фаз СГ и сети все лампы одновременно загораются и гаснут с
частотой, равной разности частот сети и СГ ( f = f – fr). (При разном чередовании фаз
лампы загораются и гаснут не одновременно. В этом случае необходимо при выключенной
ДЭС поменять местами между собой два линейных провода на клеммовом щитке СГ);
воздействием на дизель частота СГ изменяется так, чтобы разность частот сети и СГ была
небольшой (0,1 …0,2 Гц);
в момент погасания ламп и нулевого показания вольтметра, присоединенного
параллельно одной из ламп, мгновенно замыкается выключатель Q, что означает факт
включения СГ на параллельную работу с сетью.
Стр. 31 из 67
Способ самосинхронизации состоит в том, что невозбужденный СГ (обмотка возбуждения
замкнута на резистор) приводится во вращение и при частоте, близкой к синхронной (0,95 nн),
включается в сеть. Вслед за этим сразу же включается возбуждение и СГ автоматически
втягивается в синхронизм с сетью.
После включения СГ на параллельную работу с сетью его ротор будет вращаться строго
синхронно с частотой сети, т.е. синхронно с роторами всех СГ энергосистемы. Такое синхронное
вращение поддерживается автоматически самим СГ: любая тенденция к изменению частоты
вращения ротора СГ будет парироваться соответствующим изменением его электромагнитного
момента М.
В современных комплексных системах гарантированного электропитания включение ДЭС (их
синхронных генераторов) на параллельную работу между собой или с централизованной
электросетью осуществляется автоматически. С этой целью ДЭС оснащаются специальной
аппаратурой (пульт управления серии “6000” ДЭС F.G. Wilson) или в состав КСГЭП вводится
система синхронизации ДЭС (например, ASCO SYNCHROPOWER, см. о ней ниже).
Особенности регулирования нагрузки СГ при параллельной работе ДЭС с сетью
При автономной работе ДЭС чтобы назгрузить ее СГ достаточно подключить к нему приемник
электрической энергии. Чем больше подключается к СГ приемников ЭЭ, тем больше его ток
нагрузки (активная и реактивная составляющие этого тока).
При параллельной работе ДЭС с сетью регулирование (изменение) тока нагрузки СГ (его
активной и реактивной составляющих) осуществляется по-другому, а именно:


для создания и изменения реактивной нагрузки воздействуют на величину тока в обмотке
возбуждения (обмотке ротора) – чем больше этот ток, тем больше реактивная нагрузка
генератора;
для создания и изменения активной нагрузки требуется воздействие на вращающий
момент дизеля ДЭС (путем изменения подачи топлива) – чем больше этот момент, тем
больше активная нагрузка генератора.
При включении дизельных электростанций КСГЭП на параллельную работу, (между собой или с
сетью) изменение их нагрузки осуществляется автоматически с помощью аппаратуры, о которой
речь шла выше. Причем нагрузка (активная и реактивная) параллельно работающих ДЭС будет
распределяться пропорционально мощностям последних.
17. Особенности синхронных генераторов ДЭС F.G. Wilson
С 1998 года ДЭС F.G. Wilson оснащаются новыми бесщеточными синхронными генераторами
производства фирмы F.G. Wilson. Эти генераторы подразделяются на восемь серий, каждой из
которых соответствует свой диапазон мощностей:
Серия
генераторов
Диапазон
мощности,
кВА
1000
2000
3000
5000
6000
7000
8000
9000
5-33
40-77
90-188
200-330
350-550
600880
9101650
17002200
Стр. 32 из 67
Системы возбуждения СГ F.G. Wilson
Самовозбуждение (рис. 19) – является стандартом для генераторов серий 1000-6000. При такой
системе возбуждения генератор недостаточно устойчив к броскам тока нагрузки и коротким
замыканиям.
Система возбуждения AREP. Является стандартом для генераторов серий 7000, 8000, 9000,
опцией для генераторов серий 1000-6000. В системе AREP электронный автоматический
регулятор напряжения питается от двух независимых обмоток СГ: одна выдает напряжение,
пропорциональное выходному напряжению генератора, а другая (компаундная или бустерная) –
выдает напряжение пропорциональное току в обмотке статора (якоря). Последнее обеспечивает
при больших бросках тока нагрузки удержание выходного напряжения на требуемом уровне (что,
например, при питании асинхронного двигателя гарантирует его надежный запуск).
У генераторов серий 1000-6000 бустерной обмотки нет, она устанавливается (по заказу) при
изготовлении машины.
Рис. 23 Схема возбуждения PMG генератора F.G. Wilson
Система возбуждения PMG (независимое возбуждение) является опцией для генераторов серий
2000-9000. Для обеспечения независимого возбуждения на генераторе устанавливается
дополнительный генератор с ротором-постоянным магнитом (рис. 23), от которого
осуществляется питание регулятора напряжения (АРН) и обмотки возбуждения возбудителя ОВВ.
Чтобы поддерживать выходное напряжение на одном уровне при больших бросках тока нагрузки,
система возбуждения PMG может быть модернизирована с использованием дополнительной
(бустерной) обмотки СГ.
Особенности автоматических регуляторов напряжения генераторов F.G. Wilson
С синхронными генераторами ДЭС F.G. Wilson используются электронные автоматические
регуляторы напряжения (АРН). Они обеспечивают стабилизацию выходного напряжения с
погрешностью не более + 0,5% и допускают возможность дистанционной настройки уровня
напряжения в пределах + 5%
Особенностью АРН генераторов F.G. Wilson является наличие в их составе модуля
регулирования нагрузки (МРН). С его помощью длительность переходных процессов в ДЭС при
“набросе” (включении) нагрузки уменьшается в 2 - 2,5 раза.
Действие модуля МРН состоит в следующем. При подключении нагрузки к генератору частота
вращения ДЭС снижается. Если она опустится ниже установленного порога, МРН снижает
Стр. 33 из 67
напряжение генератора на 15%, что ведет к уменьшению активной нагрузки на 25%. Дизель
быстрее возвращает частоту вращения к нормальному значению. Для избежания всплесков
напряжения порог обратного перевода напряжения к норме установлен, примерно, на 2 Гц ниже
значения частоты в установившемся режиме.
IV. Асинхронные генераторы Gen Set
В дизельных и бензиновых электростанция фирмы Gen Set наряду с синхронными генераторами
применяются асинхронные генераторы (АГ), производства той же фирмы. Эти генераторы
обладают уникальными нагрузочными свойствами, делающими их применение
предпочтительным во многих случаях.
Основными частями асинхронного генератора Gen Set являются статор и ротор.
Статор АГ подобен статору синхронного генератора. В пазах статора размещена трехфазная
обмотка (рис. 24) Однако в отличие от СГ каждая фаза обмотки АГ состоит из двух частей : одна
из них является обмоткой возбуждения 1, а другая – обмоткой якоря 2. Параллельно обмоткам
подключены (не входящие в конструкцию машины) три конденсатора, обеспечивающие совместно
с обмотками 1 возбуждение АГ (создание в нем магнитного поля). Общие точки обмоток и нулевая
точка соединены с выходными зажимами генератора (А, В, С, О).
Схема асинхронного генератора Gen Set
Ротор представляет собой твердотелый короткозамкнутый ферромагнитный цилиндр. Обмотки
на нем нет.
При вращении ротора происходит самовозбуждение генератора за счет магнитного потока
остаточной намагниченности материала ротора. Переменные ЭДС, наводимые в обмотках
статора этим магнитным потоком, вызывают появление токов в цепи конденсаторов. Эти токи,
проходя по обмоткам 1, 2 статора, усиливают вращающийся магнитный поток машины,
вследствие чего индуктируемая ЭДС и ток конденсаторов еще больше увеличиваются. Этот
Стр. 34 из 67
процесс продолжается до тех пор, пока ЭДС в обмотках машины не станет равной напряжению на
конденсаторах, что будет означать готовность АГ к работе в качестве источника электроэнергии.
Особенности асинхронного генератора Gen Set
1. Автоматическая стабилизация выходного напряжения без применения дополнительного
специального регулятора.
Объясняется это следующим. В режиме холостого хода частота ЭДС (частота вращения
ротора) несколько выше резонансной частоты индуктивно-емкостного контура,
образованного обмотками машины и конденсаторами. При увеличении нагрузки
генератора частота вращения ротора несколько снижается, приближаясь к частоте
резонанса контура. Вследствие этого полное сопротивление контура уменьшается, что
ведет к росту в нем тока, являющегося током возбуждения. Соответственно возрастают
магнитный поток и ЭДС машины, обусловливающие поддержание выходного напряжения
АГ примерно на одном уровне в рабочем диапазоне нагрузок.
2. Выходное напряжение имеет форму практически идеальной синусоиды за счет
подавления высших гармоник магнитного поля возбуждения действием вихревых токов в
теле ротора.
3. Допускает одновременную работу с трехфазной и однофазной нагрузками без
дополнительной перекоммутации (переключения) обмоток (в СГ подобное невозможно).
При этом допускаемая суммарная мощность нагрузки (однофазной и трехфазной) равна
мощности машины. Например, если с одной фазы снимается 1/3 мощности АГ, то
одновременно с трехфазного выхода можно снять 2/3 мощности и наоборот, т.е. 2/3
мощности – с одной фазы (или с двух фаз по 1/3) и 1/3 – с трех фаз. В СГ даже при
переключении обмотки суммарная мощность, снимаемая с одной и с 3-х фаз, не может
превышать 60% мощности машины.
4. Отсутствуют перенапряжения и не искажается форма синусоиды выходного напряжения
при питании “искажающей” (импульсной) нагрузки даже одновременно с одной и с трех
фаз. В СГ при однофазном питании даже нормальной нагрузки возникают перенапряжения
до 20% (перекос фаз) и еще больше при “искажающей” нагрузке.
5. Допускают кратковременную (до 10 с) трехкратную трехфазную симметричную токовую
перегрузку без значительного снижения напряжения за счет самофорсировки возбуждения,
что предотвращает ложное срабатывание устройства защиты при случайных
кратковременных (менее 10 с) перегрузках. Перегрузочная способность обеспечена
применением новой слоистой структуры и конструкции обмотки машины, а также
благодаря использованию самых последних достижений в технологии ее пропитки.
Вопросы для самоконтроля
1. От каких параметров зависит частота ЭДС (тока) СГ?
2. От каких параметров зависит ЭДИ и выходное напряжение СГ?
3. Способы возбуждения СГ.
4. Какова особенность возбуждения бесщеточных СГ?
5. За счет чего СГ нагружает приводной двигатель (дизель)?
6. Каковы причины снижения СГ при работе его нагрузки?
7. За счет чего автоматический регулятор (АРН) стабилизирует напряжение СГ?
8. Условия правильного включения СГ на параллельную работу с сетью (другими СГ).
9. Как создается и регулируется активная нагрузка СГ, работающего параллельно с сетью?
10. Как создается и регулируется реактивная нагрузка СГ, работающего параллельно с сетью?
11. В чем особенности системы возбуждения AREP генератора ДЭС F.G. Wilson?
12. В чем особенности системы возбуждения PMG генератора ДЭС F.G. Wilson?
13. Для чего введены в АРН ДЭС F.G. Wilson модули регулирования нагрузки (МРН)?
14. Как осуществляется стабилизация выходного напряжения асинхронного генератора Gen
Set?
Стр. 35 из 67
15. За счет чего в асинхронном генераторе Gen Set обеспечивается стабильность
синусоидальной формы выходного напряжения?
16. Как возбуждается и за счет чего поддерживается магнитное поле возбуждения в
асинхронном генераторе Gen Set?
V. Расчет мощности и выбор ДЭС для электропитания традиционной нагрузки
Для расчета мощности и выбора ДЭС для электропитания нагрузки общего назначения
(традиционной нагрузки) необходимо знать:
·
суммарную мощность нагрузки (потребителей электроэнергии);
·
вид (характер) нагрузки;
·
режим работы (использования) ДЭС;
·
температуру среды, в которой работает ДЭС.
18. Расчет суммарной мощности нагрузки ДЭС.
Общая расчетная максимальная мощность нагрузки ДЭС рассчитывается по формуле:
P max = P эд. + Р нагрев. + Р осв. + Р др. (кВт),
где Р эд.
– мощность, потребляемая электродвигателями различных устройств;
Р нагрев.
– мощность, потребляемая устройствами электронагрева;
Р осв.
– мощность, потребляемая устройствами освещения;
Р др.
– мощность, потребляемая другими устройствами.
В общем случае:
·
Рэд. = k’C1Рлифт + k’’C1Рвент. + k’’’C1Р нас. + … (кВт),
где Рлифт , Рвент. , Рнас. , … - установленная мощность электродвигателей лифтов,
вентиляторов, насосов и т.п.;
k’C1 , k’’C1 , k’’’C1 , … - коэффициенты спроса для оборудования, содержащего
электродвигатели;
·
Рнагрев = k’C2Р печи + k’’C2Р калориф. + k’’’C2Р обогр. + … (кВт),
где Рпечи , Ркалориф., Робогр. , … - установленная мощность электропечей, калориферов, других
обогревательных устройств и т.п.
k’C2 , k’’C2 , k’’’C2 , … - коэффициенты спроса для устройств электронагрева;
·
Росв. = k’C3Рнар. + k’’C3Ркор. + k’’’C3Рраб. пом. + … (кВт),
где Росв. , Рнар. , Ркор, Рраб. пом., … - установленная мощность устройств наружного освещения,
освещения коридоров, рабочих помещений и т.п.
Стр. 36 из 67
k’C1 , k’’C1 , k’’’C1 , … - коэффициенты спроса для устройств освещения.
Примечание: Коэффициенты спроса (kC) вычисляются как отношение мощности одновременно
работающих устройств к установленной мощности таких устройств.
Для предприятий и больших учреждений установлены следующие средние значения
коэффициента спроса kC:
·
электродвигатели станков
- 1 … 5 шт
0,8;
- 6 … 10 шт
0,7;
более 10 шт
0,6;
·
электродвигатели насосов, вентиляторов,
0,75…0,8;
компрессоров, дымососов и т.п.
·
электродвигатели лифтов, подъемников (до 3 шт)
0,3…0,4;
·
устройства нагрева
0,6…0,7;
·
сварочные трансформаторы
0,6…0,7;
·
электродвигатели строительных механизмов
·
устройства освещения рабочих помещений
·
устройства наружного освещения
0,6…0,65;
0,8…0,9;
1.
При расчетах мощности ДЭС нужно также учитывать потери мощности в сетях и на собственные
нужды ДЭС. Максимальная расчетная нагрузка ДЭС в этом случае составит
P max. расч. = P max . k пот./k с.н. (кВт),
где k пот - коэффициент, учитывающий потери мощности в сетях до 250 В
k пот = 1,1;
до 500 В
k пот =1,05;
k
с.н.
- коэффициент, учитывающий расход электроэнергии на собственные нужды ДЭС, k
0,95 …0,97.
с.н.
Для получения расчетной мощности нагрузки в киловольтамперах (кВА) необходимо мощность P
max. расч. разделить на cos j (обычно cos j = 0,8), т.е.
S max. расч. = P max. расч./0,8 (кВА)
19. Выбор мощности ДЭС
Стр. 37 из 67
=
По величине расчетной мощности P max. расч. (или Smax. расч.) из соответствующих таблиц
предварительно выбирается ДЭС так, чтобы ее мощность несколько превышала расчетную
мощность.
В зависимости от вида нагрузки выбираемая ДЭС может быть трехфазной или однофазной.
Трехфазная ДЭС требуется обычно тогда, когда среди потребителей электроэнергии имеются
устройства с трехфазными асинхронными двигателями (АД).
Если основной нагрузкой ДЭС являются устройства с мощными АД, то выбор ДЭС следует делать
с учетом того, что пусковой ток АД в 5 …7 раз больше его номинального значения. Это означает,
что для надежного запуска АД мощность ДЭС должна превышать расчетную мощность (мощность
АД) в два и более раза, либо необходимо применять дополнительные специальные устройства
для запуска АД.
При питании существенно «нелинейной» нагрузки, например, устройств, содержащих
выпрямители (в частности, источников бесперебойного – ИБП), расчет мощности и выбор ДЭС
должен производиться по методике, изложенной ниже (см. главу VII. Согласование совместной
работы ДЭС и ИБП).
Режим работы и мощность выбираемой ДЭС
В режиме постоянной работы рекомендуемая производителем нагрузка не должна
превышать 60 …80% мощности ДЭС из соображений достижения максимального срока службы. А
при использовании ДЭС в режиме резерва мощность нагрузки должна лежать в пределах 70
…90% от мощности станции.
Это означает, что мощность выбираемой ДЭС для постоянной работы должна превышать
мощность нагрузки в 1,25 …1,67 раза (в среднем – в 1,43 раза), а резервной ДЭС – в 1,11 …1,43
раза ( в среднем в 1,25 раза).
Следовательно, расчетное значение мощности (P max. расч. или S max. расч.) увеличивается в
указанное выше число раз и, исходя из полученных величин, по таблице окончательно
выбирается ДЭС, мощность которой лежит в вычисленном допустимом диапазоне мощностей.
Температура окружающей среды и мощность выбираемой ДЭС
Номинальная мощность ДЭС соответствует температуре +25о С окружающей среды. При более
высокой температуре и постоянстве величины нагрузки выбираемая ДЭС должна иметь большую
мощность.
Для генераторов ДЭС температура окружающей среды не должна превышать
+40о С (согласно нормам Международной организации по стандартизации).
Показателем верного выбора мощности ДЭС является температура его генератора. Так у
правильно выбранной ДЭС производства фирмы F.G. Wilson при температуре окружающей
среды +40о С предельная температура генератора не должна превышать
+ 125о С – при постоянной работе и + 150о С – при работе в режиме резерва.
20. Выбор типа (модели) ДЭС
Стр. 38 из 67
При окончательном выборе конкретного типа ДЭС должна быть принята во внимание следующая
дополнительная информация:
·
требуемая степень автоматизации ДЭС;
·
необходимость дистанционного управления и дистанционного контроля за работой ДЭС;
·
требования к ДЭС по шумовым характеристикам;
·
условия, при которых будет эксплуатироваться выбираемая ДЭС;
·
·
суточные или сезонные диапазоны изменения уровня напряжения в централизованной
электросети;
требуемый способ питания ДЭС топливом.
Существуют три степени автоматизации ДЭС:
1-я - ручной запуск/останов с автоматической отработкой предпусковых и остановочных
операций;
2-я - автоматический запуск/останов при пропадании напряжения в централизованной
электросети.
3-я - автоматический запуск ДЭС с автоматической синхронизацией с централизованной
электросетью или с другими параллельно работающими ДЭС.
Чем выше степень автоматизации процессов управления ДЭС, тем сложнее дополнительное
оборудование, тем больше затрат средств.
Дистанционное управление и дистанционный контроль за работой ДЭС требуют установки
дополнительного оборудования. Наличие его обеспечивает, с одной стороны, возможность
постоянного контроля технического состояния дизеля и генератора электростанции, а с другой –
уменьшение общих затрат на техническое обслуживание ДЭС.
Для снижения уровня шума при работе ДЭС оснащаются специальными шумопоглащающими
кожухами или контейнерами (см. выше, глава I).
При оценке предстоящей эксплуатации ДЭС следует учитывать место и способ ее размещения, а
именно:
·
вне помещения (наружная установка) или в помещении;
·
в отапливаемом или в не отапливаемом помещении;
·
в условиях повышенной влажности и (или) температуры;
·
стационарный или передвижной вариант использования (на шасси или в трейлере).
При наружной установке ДЭС помещают под специальный навес, в кожух или контейнер.
Если температурные условия применения ДЭС будут отличаться от тех, которые учитывались при
выборе ее мощности, то необходимо произвести проверку (корректировку) мощности по методике,
изложенной в предыдущем параграфе.
Стр. 39 из 67
При низкой температуре окружающей среды (менее +10о С) ДЭС должна быть оснащена
подогревателем дизеля для обеспечения быстрого и надежного его запуска. ДЭС может
комплектоваться дополнительными подогревателями электронного оборудования и генератора.
Изменения уровня напряжения централизованной электросети (в течение суток или сезона)
влияют в основном на функционирование коммутирующей аппаратуры при использовании ДЭС
как резервного источника электроэнергии. Для устранения возможных в этом случае проблем
рекомендуется:
·
стабилизация напряжения на обмотках соленоидов контакторов;
·
использование в качестве силовых переключающих устройств односоленоидных
двухпозиционных переключателей, обеспечивающих надежную развязку цепей электросети и
ДЭС (об односоленоидных переключателях см. ниже в главе VIII).
Каждая ДЭС снабжена основным топливным баком, обеспечивающим ее непрерывную работу в
номинальном режиме от 6 до 20 часов в зависимости от модели ДЭС. При необходимости
электростанция может быть оснащена дополнительным топливным баком и системой перекачки
топлива.
Вопросы для самоконтроля:
1.
Какова особенность выбора ДЭС, питающей мощные асинхронные электродвигатели?
2.
Как влияет температура окружающей среды на мощность выбираемой ДЭС?
3.
Какова должна быть мощность выбираемой ДЭС, предназначаемой для постоянной работы
(по сравнению с мощностью нагрузки)?
4.
Какова должна быть мощность выбираемой резервной ДЭС по сравнению с мощностью
нагрузки?
5.
Как выбрать мощность ДЭС, если ее мощность в таблице дана в кВА, а мощность нагрузки
дана в кВт?
VI. Источники бесперебойного питания
21. Общие сведения об источниках бесперебойного питания
В комплексных системах гарантированного электропитания в качестве источников ЭЭ кроме
дизельных электростанций используются также так называемые источники бесперебойного
питания (ИБП) переменного и постоянного тока.
ИБП предназначены для электропитания нагрузки, функционирование которой, вопервых, возможно только при высоком качестве и «чистоте» ЭЭ, а, во-вторых, не
допускает прерывания питающего электрического тока. Такая нагрузка называется
критичной. К ней в основном относятся устройства со сложным электронным оборудованием.
В любой ИБП входит (как обязательная составная часть) аккумуляторная батарея (АБ) –
автономный источник ЭЭ постоянного тока.
ИБП относятся к вторичным источникам ЭЭ. Они в общем случае преобразуют ЭЭ
внешней электросети с относительно низким ее качеством (или ЭЭ аккумуляторной батареи) в ЭЭ
высокого качества или другого вида тока.
Стр. 40 из 67
Для ИБП характерны следующие два режима работы:
·
нормальный – нагрузка питается за счет энергии электросети, а АБ находится в режиме
подзаряда;
·
аварийный (автономный) – нагрузка питается за счет энергии аккумуляторной батареи.
22. Общие сведения о неполадках в электросети
Современное электронное оборудование нуждается не только в бесперебойном, но и в
«чистом» без помех электропитании. Большинство возможных проблем работы такого
оборудования (например, компьютеров) связано именно с электропитанием, с неполадками в
электросети. К ним относятся любые отклонения параметров питающего напряжения от
установленных стандартных значений.
На территории России определены следующие показатели качества электроэнергии сети:
напряжение 220 В + 22 В (10%), частота 50 Гц + (2%), коэффициент несинусоидальности формы
кривой тока (коэффициент нелинейных искажений – КНИ) < 5% длительно и < 10%
кратковременно.
Основные неполадки в электросети: полное исчезновение напряжения, длительные и
кратковременные «просадки» и всплески напряжения, высоковольтные импульсные помехи,
высокочастотные гармоники (шум) уход частоты.
Диаграмма дает представление о соотношении наиболее часто встречающихся неполадок.
Ниже приведена таблица возможных неполадок в электросети, их причин и последствий.
Стр. 41 из 67
Виды неполадок в электросети.
Ситуация
Определение
Всплески
напряжения
Кратковременн
ые повышения
напряжения в
сети на
(Power
величину
Surges)
более 110% от
номинального
значения на
время более 1
периода
синусоиды (20
мс)
Высоковольт Кратковременн
ные
ые импульсы
выбросы
напряжения до
6000В и
(High Voltage длительность
ю до
Spikes)
(импульс
напряжения)
Кратковреме
нное
снижение
напряжения
(Power Sags)
(провал
напряжения)
Высокочасто
тный шум
(Electrical
Line Noise)
Выбег
частоты
(Frequency
Variations)
Диаграмма
Возможная
причина
Отключение
энергоемкого
оборудования
Последствия
Сброс
оперативной
памяти.
Возникновени
е ошибок.
Выход из
строя
аппаратуры.
Мерцание
освещения.
Удары
молний.
Искрение
переключател
ей.
Статический
разряд.
Сброс
оперативной
памяти.
Выход из
строя
элементов
аппаратуры.
Кратковременн
ое снижение
напряжения в
сети до
величины
менее 80-85%
от
номинального
значения на
время более 1
периода
синусоиды (20
мс).
Радиочастотн
ые помехи.
Помехи
электромагнит
ного или
другого
происхождени
я.
Включение
энергоемкого
оборудования
. Запуск
мощных
электродвигат
елей.
Сброс
оперативной
памяти.
Возникновени
е ошибок.
Выход из
строя
аппаратуры.
Мерцание
освещения.
Электромотор
ы. Реле.
Силовая
коммутационн
ая
электроника.
Передатчики.
Магнитные
бури.
Возникновени
е ошибок.
Сброс
оперативной
памяти.
«Зависание»
компьютерны
х систем.
Выход из
строя
накопителей.
Уход частоты
на величину
более 3Гц от
номинального
значения 50
Гц.
Нестабильнос
ть частоты
вращения
ротора
дизельгенератора
«Зависание»
компьютерны
х систем.
Выход из
строя
оборудования
10 мс.
Стр. 42 из 67
Методы
борьбы
Сетевые
фильтры
(не во всех
случаях),
стабилизат
оры, ИБП с
режимом
работы OnLine.
Сетевые
фильтры,
стабилизат
оры, ИБП с
режимом
работы
LineInteractive и
On-Line.
Стабилизат
оры (не во
всех
случаях),
ИБП с
режимом
работы OffLine (не во
всех
случаях),
LineInteractive и
On-Line.
Стабилизат
оры, ИБП с
режимом
работы OffLine (не во
всех
случаях),
LineInteractive
(не во всех
случаях) и
On-Line.
ИБП с
режимом
работы OnLine, OffLine и LineInteractive
Длительное
снижение
напряжения
(Brownout)
Падение
напряжения в
сети на
длительное
время.
(посадка
напряжения)
Исчезновени
е
напряжения
(Power
Failure)
Отсутствие
напряжения в
электросети
более 40 мс.
ДЭС.
Нестабильнос
ть источника
электроэнерг
ии.
Перегрузка на
линии
электропитан
ия.
Включение
энергоемкого
оборудования
. Запуск
мощных
электродвигат
елей.
Неполадки на
электростанц
ии, линии
электроперед
ачи.
Срабатывани
е защиты от
короткого
замыкания.
.
Программные
сбои. Потеря
данных.
(не во всех
случаях).
Потеря
данных.
Выход из
строя
оборудования
.
Стабилизат
оры, ИБП с
режимом
работы OffLine (не во
всех
случаях),
LineInteractive и
On-Line.
Потеря
файлов.
Искажение
данных.
Выход из
строя
аппаратуры.
ИБП с
режимом
работы OffLine (не во
всех
случаях),
LineInteractive и
On-Line.
23. ИБП переменного тока
ИБП данного типа предназначены для электропитания потребителей (нагрузки)
переменного тока. На наш взгляд ИБП, производимые американской компанией Liebert, являются
наиболее предпочтительными для применения в КСГЭП. Эта компания общепризнанно является
мировым лидером в производстве ИБП, выполненных по наиболее совершенной технологии OnLine, позволяющей полностью защитить критичную нагрузку по цепи питания от любых неполадок
во внешней электросети.
Диапазоны мощностей ИБП компании Liebert, работающих в режиме On-Line: от 700 ВА до
800 кВА.
On-Line – это технология или схема построения ИБП, характерная наличием двойного
преобразования входного напряжения и постоянно работающего инвертора.
В нормальном режиме работы входное переменное напряжение (Uвх) внешней электросети
выпрямляется (рис. 25), а затем с помощью инвертора снова преобразуется в переменное (Uвых.),
подводимое к нагрузке.
Стр. 43 из 67
Рис. 25. ИБП по схеме ON-Line)
При исчезновении входного напряжения инвертор, постоянно подключенный к АБ,
мгновенно переходит на питание от нее, продолжая питать нагрузку переменным током без
разрыва синусоиды выходного напряжения, без искажения ее формы и при отсутствии каких-либо
переходных (коммутационных) процессов.
Таким образом, ИБП питает нагрузку идеально отфильтрованным, стабильным (по
величине и частоте) напряжением синусоидальной формы в любом режиме работы:
нормальном – при питании от внешней электросети или аварийном (автономном) – при
питании за счет энергии встроенной аккумуляторной батареи.
Двойное преобразование входного напряжения в системе On-Line полностью
защищает выход ИБП (и, следовательно, его нагрузку) от любых помех со стороны входа –
питающей электросети. Это хорошо иллюстрируется вышеприведенной таблицей (см. последний
столбец).
Все ИБП типа On-Line оснащены байпасом (bypass) – устройством обхода схемы двойного
преобразования напряжения и питания нагрузки напрямую напряжением внешней электросети (в
некоторых ИБП – через фильтр). Различают автоматический и ручной переход в режим байпаса.
Автоматический – срабатывает при перегрузке ИБП или при неисправности в его узлах, ручной
переход в режим байпаса используется при техническом обслуживании.
Наличие режима байпаса расширяет функциональные возможности ИБП, повышает
надежность электропитания нагрузки.
Все ИБП производства компании Liebert выполнены на основе полупроводниковой
электронной техники.
Стр. 44 из 67
Рис. 26. Схема силовых цепей ИБП серии AP 4300
На рис. 26 для примера приведена схема силовой
электроцепи ИБП серии АР 4300, мощностью 10 кВА.
Трехфазное напряжение (380 В, 50 Гц) внешней
электросети подводится к низкочастотному (50 Гц) 3-х
фазному выпрямителю 1. Выпрямленное и сглаженное
напряжение преобразуется вспомогательным инвертором 2
в переменное напряжение прямоугольной формы с
частотою 17 кГц. Последнее через трансформатор Тр
подается на однофазный высокочастотный выпрямитель 3,
к выходу которого подключен 3-х фазный инвертор 4. С его
помощью строго постоянное напряжение на выходе
выпрямителя 3 преобразуется в трехфазное переменное
напряжение частотою 50 Гц, которым питается критичная
нагрузка. Между всеми устройствами (1, 2, 3, 4) и на выходе
имеются индуктивно-емкостные фильтры (на рис. 26 – не
изображены).
Управление
транзисторами
обоих
инверторов
осуществляется с помощью специальных задающих
генераторов (на схеме не показаны). Причем транзисторы
выходного
трехфазного
инвертора
управляются
с
использованием ШИМ (широтно-импульсного модулятора),
обеспечивающего получение почти чисто синусоидальной
формы выходного напряжения. Стабильность величины этого напряжения и его частоты
достигается за счет высокой стабильности частоты управляющих сигналов задающих
генераторов. На схеме показано место подключения к силовой цепи аккумуляторной батареи.
Зарядное устройство, подзаряжающее АБ при нормальной работе ИБП, на схеме не изображено.
На фотографии представлен внешний вид ИБП модели АР-4300.
Дополнительные особенности ИБП типа On-Line производства Liebert
·
Микропроцессорное управление и диагностика.
·
Защита нагрузки от статических разрядов, разрядов атмосферного электричества и
импульсных помех в соответствии со стандартом EN 500 82-1.
·
Защита нагрузки от высокочастотных гармоник и переходных процессов со стороны
внешней электросети в соответствии со стандартом EN 55022-А.
·
Возможность нормальной работы в широком диапазоне изменения выходного напряжения
без перехода на питание от АБ за счет наличия на входе ИБП плавного стабилизатора
напряжения (для примера, в ИБП модели АР 4300 этот диапазон составляет от –18% до +26%
от напряжения 380 В).
·
Вход/выход ИБП гальванически развязаны с помощью изолирующего трансформатора в
основной цепи (см. рис. 26 – трансформатор Тр).
·
Использование передовых технологий продления срока службы АБ, а именно: технологии
температурной компенсации зарядного тока АБ и технологии виртуальной батареи.
·
Возможность наращивания времени автономной работы путем подключения внешних
блоков АБ. Например, ИБП модели АР 4300 с встроенной АБ может работать автономно 12 …
19 минут, а с внешними АБ – до 3,5 - 4,5 часов.
Стр. 45 из 67
·
Повышенная перегрузочная способность, высокая надежность. Так ИБП модели АР 4300
может работать с нагрузками: 110% - 1 час, 125% - 10 мин., 150% - 1 мин., 200% - 5 с.
·
Расширенные коммуникационные возможности, надежное программное обеспечение.
·
Низкий уровень акустических шумов (у АР 4300 – менее 56 …58 dB).
Другие типы ИБП переменного тока
При локальном (отдельном)
применении компьютеров и относящихся к ним
вспомогательных электронных устройств используются ИБП небольшой мощности. Они
выполняются как по схеме On-Line, так и по другим – упрощенным – схемам, а именно: по схемам
Off-Line и Line-Interactive.
Рис. 27. ИБП по схеме Off-Line
ИБП типа Off-Line также имеет в своем составе инвертор (рис. 27). Однако последний
вступает в работу от АБ только при исчезновении напряжения внешней электросети. Особенность
схемы Off-Line – наличие автоматического переключателя, коммутирующего цепь питания
нагрузки.
Рис. 28. ИБП по схеме Line Interactive
Достоинства схемы – простота и экономичность: недостаток – нет стабилизации входного
напряжения при работе в нормальном режиме и относительная затянутость
(- 4 мс) процесса переключения в аварийный режим работы (от АБ).
Стр. 46 из 67
ИБП типа Line-Interactive по схеме подобны ИБП типа Off-Line. Отличие лишь в том, что на
входе имеется ступенчатый стабилизатор (бустер), построенный на основе автотрансформатора
(рис. 28). Вследствие этого ИБП способен выдерживать длительные глубокие «просадки»
входного сетевого напряжения без перехода на АБ. Достоинства и недостатки те же, что и у
схемы Off-Line.
ИБП типа Off-Line и типа Line-Interactive используют, как правило, для питания персональных
компьютеров, малых сетевых узлов, рабочих станций периферийных устройств.
24. ИБП постоянного тока.
ИБП данного типа предназначены для электропитания потребителей (нагрузки) постоянного
тока. Поэтому их еще называют системами электропитания постоянного тока.
ИБП постоянного тока (системы электропитания постоянного тока) находят применение в
телекоммуникационной и телеметрической технике, в системах мобильной телефонной связи,
радио- и космической связи, в медицинском оборудовании, устройствах сигнализации, защиты и
т.п.
В настоящее время одним из конкурентоспособных производителей и поставщиком ИБП
постоянного тока является норвежская компания Tellus Emi AS. Продукция этой компании
удовлетворяет самым строгим требованиям, предъявляемым в настоящее время к силовому
электрооборудованию.
В общем случае обязательными структурными элементами ИБП постоянного тока
являются: выпрямитель, аккумуляторная батарея (АБ) и устройство управления и
распределения ЭЭ.
Рис. 29. Структурная блок-схема ИБП постоянного тока
Выпрямители ИБП фирмы Tellus Emi AS комплектуются (рис. 29) из отдельных
унифицированных выпрямительных модулей (УВМ), каждый из которых имеет собственное
устройство управления и контроля. Несколько таких модулей, включенных параллельно в
конфигурацию N + 1, подсоединенные к их выходу АБ и модуль распределения нагрузки МРН
образуют совместно с общим модулем управления и контроля МУК законченную систему
электропитания постоянного тока – ИБП постоянного тока.
В нормальном режиме работы, т.е. при исправной
электросети переменного тока
выпрямительный блок ИБП осуществляет электропитание потребителей постоянного тока и
подзаряд АБ. При исчезновении напряжения в электросети бесперебойное электропитание
потребителей продолжается за счет АБ без какого-либо прерывания тока нагрузки.
Стр. 47 из 67
Модульный принцип конструкции ИБП позволяет путем
выбора различных сочетаний модулей и АБ реализовать систему
электропитания
с
любыми
выходными
параметрами
и
характеристиками.
Фирма Tellus Emi AS производит ИБП постоянного тока в двух
вариантах исполнения:
·
в виде стоек (шкафов) на мощности от 500 Вт до сотен кВт с
встроенными АБ (серия SKB);
·
в настенном исполнении на мощности от 500 Вт до 4,5 кВт с
внешними АБ (серия ASL).
Особенности этих ИБП:
·
Выходное напряжение: 12, 24, 36, 48, 60, 110 В (SKB);
12, 24 ,36, 48 В (ESL).
·
Ток нагрузки: 10 …1000 А (SKB);
6 … 60 В (ESL).
·
Стабильность выходного напряжения в статическом и динамическом режимах - + 0,5 %.
·
Пульсация напряжения – менее 50 мВ.

КПД – более 88 …90%.
·
Работоспособность ИБП
температур – 20 … + 45 о С.
сохраняется
в
диапазоне
·
ИБП управляются и контролируются микропроцессорным
модулем.
·
Возможность наращивания всех элементов структуры ИБП путем параллельного
подключения других блоков для увеличения зарядного тока АБ, количества выходов для
нагрузки, емкости АБ.
Ниже представлен внешний вид стоечного и настенного вариантов ИБП постоянного тока
фирмы Tellus Emi AS.
Примечание: Подробные технические характеристики ИБП производства компаний Liebert и
Tellus Emi AS изложены в каталоге «Малая Энергетика на защите большого бизнеса».
Вопросы для самоконтроля:
1.
Что является обязательной составной частью любого ИБП переменного или постоянного
тока?
2.
К какому виду источников ЭЭ относятся ИБП?
3.
Каково назначение ИБП?
Стр. 48 из 67
4.
За счет чего обеспечиваются высокие показатели качества ЭЭ в ИБП типа On-Line?
5.
Что такое байпас и его назначение в ИБП типа On-Line?
6.
Какие режимы работы характерны для ИБП?
7.
За счет чего обеспечивается возможность нормальной работы ИБП типа On-Line при
изменении в широком диапазоне входного напряжения?
8.
Чем отличаются ИБП типа On-Line от ИБП типа Off-Line или Line-Interactive?
9.
В чем состоит отличие ИБП типа Off-Line от ИБП типа Line-Interactive?
VII. СОГЛАСОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ДЭС И ИБП
ДЭС и ИБП при сопоставимых мощностях - два трудно согласуемых между собой
источника электроэнергии. В ряде случаев они должны работать совместно в
системах электропитания сложного электронного оборудования. Выбор ДЭС для
совместной работы с ИБП — ответственная и многофакторная задача.
25.
Проблемы совместной работы ДЭС и ИБП
Электропитание современных компьютерных сетей, телекоммуникационных систем и
другого сложного электронного оборудования, как правило, осуществляется с использованием
источников бесперебойного питания (ИБП), работающих в основном режиме за счет энергии
централизованной электросети. В КСГЭП ИБП используются в комплексе с централизованной
сетью и резервной ДЭС, что повышает надежность системы электропитания потребителей.
Вместе с тем, выбор ДЭС для совместной работы с ИБП затруднен, так как в процессе
работы системы ДЭС – ИБП имеют место существенные проблемы, суть которых в следующем.
·
Дизельные электростанции являются источниками ограниченной мощности по отношению к
питаемой ими нагрузке.
·
Производимые отечественными и зарубежными фирмами серийные ДЭС предназначены
для питания в основном активно-индуктивной нагрузки с гармоническим характером тока,
имеющим незначительный коэффициент нелинейных искажений — КНИ < 5…7 % [1]. ИБП
же относятся к существенно нелинейным нагрузкам. Электрический ток, потребляемый ими,
носит импульсный характер, вызывающий не только повышенный нагрев генератора
электростанции и снижающий тем самым ее полезную мощность, но и приводящий к
снижению динамической устойчивости системы ДЭС-ИБП. Для обеспечения нормального
температурного режима работы генератора и предотвращения динамической неустойчивости
системы, мощность ДЭС приходится увеличивать.
Естественно, возникают вопросы:
·
каким должно быть соотношение мощностей ДЭС и ИБП?
·
какие факторы являются при этом определяющими?
·
·
как необходимо рассчитывать мощность ДЭС с учетом работы с ИБП и другими
нагрузками?
как уменьшить запас мощности ДЭС при ее работе на нелинейную нагрузку?
Авторы попытались обобщить основные аспекты данной проблемы и предлагают Вашему
вниманию некоторые направления ее решения.
Стр. 49 из 67
26.
Проблемные факторы
Генератор ДЭС
26.1.
26.2.
ИБП относятся к разряду существенно нелинейных нагрузок, не имеющих постоянного
активно-индуктивного сопротивления (импеданса). Ток, потребляемый ИБП, носит
импульсный характер (пульсирует и даже прерывается) из-за наличия на его входе
выпрямителя (диодного или тиристорного).
В синхронном генераторе ДЭС, от которой питается ИБП, импульсный ток из-за
наличия в нем высших гармонических составляющих (не участвующих в передаче
мощности в нагрузку) создает повышенные тепловые потери [2]…[6], снижающие
нагрузочные возможности (мощность) ДЭС. Поэтому, согласно общепринятому нормативу,
мощность ИБП с наиболее распространенным 6-полупериодным выпрямителем на входе
не должна превышать 80 % мощности ДЭС, то есть мощность ДЭС должна составлять не
менее 125 % мощности ИБП.
26.3.
Из-за существенно нелинейного тока, потребляемого ИБП, форма кривой напряжения
на выходе ДЭС также искажается. Причина — падение напряжения на импедансе обмотки
статора генератора, так как напряжение на выходе генератора определяется разностью
наведенной в нем ЭДС и указанным падением напряжения [2]…[6]. Из-за этого всплеску
тока, когда падение напряжения на импедансе обмотки велико, соответствует провал
напряжения; провалу тока, когда падение напряжения в обмотке мало, — всплеск
напряжения и т.д.
26.4.
Искажение формы кривой напряжения генератора ДЭС отрицательно сказывается на
системе автоматического регулирования напряжения (АРН). Так как измеряемое
чувствительным элементом системы АРН напряжение нестабильно, постоянно меняется,
то это вносит определенную нестабильность в работу АРН.
26.5.
В состав ДЭС, помимо системы АРН, входят также системы автоматического
регулирования частоты и автоматического управления нагрузкой. Несмотря на то, что все
три системы между собой конструктивно
(электрически) не связаны, между ними
существует связь через частоту вращения ДЭС. При питании от ДЭС обычной линейной
нагрузки указанная связь себя никак не проявляет (что указывает на полную
совместимость всех систем), так как и частота, и напряжение, и ток в установившемся
режиме стабильны, а длительность переходных режимов очень мала. Однако при
нелинейной нагрузке, когда из-за искажения формы напряжения в системе АРН могут
возникать сбои, степень совместимости систем ДЭС снижается, и их взаимовлияние
«раскачивает» систему ДЭС – ИБП, в которой возможно появление автоколебаний,
опасных и для ДЭС, и для ИБП [8]. Тенденция к «раскачиванию» возрастает при
уменьшении соотношения мощностей ДЭС и ИБП, ибо при этом увеличивается степень
искажений напряжения генератора ДЭС.
При использовании тиристоров в зарядных выпрямителях ИБП, когда эти устройства будут
составлять основную нагрузку для ДЭС, риск возникновения нестабильности между
системами ДЭС может возрасти, так как в системах с тиристорными выпрямителями
пульсации и всплески напряжения особенно велики.
Стр. 50 из 67
Двигатель ДЭС
Современные форсированные дизельные двигатели способны за один шаг (в один
прием) сразу после запуска приять только 60 % нагрузки от номинальной мощности.
Поэтому для надежной работы дизеля номинальная мощность ДЭС (при прочих равных
условиях) должна составлять: РДЭС = РИБП / 0,6 = 1,67 РИБП. (Здесь РИБП — входная
мощность ИБП).
26.6.
После полного нагружения ДЭС источником бесперебойного питания избыточную
мощность станции можно использовать для подключения другой некритичной нагрузки.
26.7.
Дизели последних моделей с двойным турбонаддувом за один шаг могут принять
нагрузку, равную не более 55 % своей мощности. Это означает, что дизель ДЭС,
мощностью РДЭС = РИБП / 0,55 = 1,82 РИБП, будет работать со значительной недогрузкой
(при отсутствии других потребителей). Это обстоятельство негативно скажется на его
состоянии из-за сильной карбонизации, вызванной скоплением в цилиндрах несгоревших
газов. Однако с этим придется смириться, если требуемая скорость переключения ИБП на
резервную ДЭС при сбоях в сети становится весьма важным аспектом работы комплексной
системы гарантированного электропитания.
27. Основные направления решения проблем при согласовании ДЭС и ИБП
27.1.
Снижение степени влияния искажения формы кривой напряжения генератора на
работу системы АРН возможно:
·
путем такого подключения чувствительного (измерительного) элемента системы АРН,
при котором измеряется «среднее» напряжение или «трехфазное» (а не однофазное). На
величину «среднего» или «трехфазного» напряжения импульсы фазного напряжения
влияют значительно меньше;
·
путем применения на выходе системы АРН (полевого) МОП-транзистора, что повышает
способность АРН надежно работать с более высоким уровнем искажения формы
напряжения;
·
применением в системе регулирования напряжения генератора транзисторных АРН,
которые менее восприимчивы к пульсациям напряжения, чем, например, АРН тиристорного
типа.
27.2.
Уровень искажений формы кривой напряжения генератора с линейной нагрузкой
является минимальным, если обмотка его статора соединена по схеме «звезда» и
выполнена с шагом намотки, равным 2/3 от полюсного деления. В этом случае, несмотря
на некоторое уменьшение основной (1-й) гармоники напряжения, существенно
«подавляются» высшие («паразитные») гармоники [2]. При нелинейной нагрузке степень
искажения кривой напряжения у такого генератора также будет меньше (при прочих
равных условиях).
Дополнительно уровень искажений формы кривой напряжения генератора ДЭС можно
снизить:
·
путем уменьшения активно-индуктивного сопротивления обмотки статора, возможного
за счет специального изготовления машины (например, увеличением в ней воздушного
зазора, что снижает индуктивное сопротивление рассеяния) [2]…[6]. Фирма “F.G. Wilson”
– мировой лидер в производстве ДЭС – с 1998 года использует в своих ДЭС новые
генераторы (см. главу III) с увеличенным воздушным зазором;
Стр. 51 из 67
·
путем увеличения мощности выбираемой ДЭС, так как с ростом мощности генератора
уменьшается активно-индуктивное сопротивление его обмотки [2]…[6]. Хотя этот путь
сопряжен, естественно, с увеличением материальных затрат, он не должен быть
исключен из числа возможных решений, особенно в случаях, когда повышение мощности
может оказаться вынужденным и по другим соображениям.
27.3.
Для ДЭС с асинхронными генераторами фирмы Gen Set проблем, показанных в п.п.
1.1…1.5 не существует, так как на выходное напряжение таких генераторов импульсный
ток нагрузки влияния не оказывает (см. главу IV).
27.4.
Исключить нежелательное увеличение мощности ДЭС из-за причин, показанных в п.п
2.1, 2.2, можно, если ИБП будет нагружать ее постепенно, плавно (или ступенями). В этом
случае нагрузка к генератору ДЭС (и, следовательно, к дизелю) будет прикладываться за
промежуток времени ∆t, достаточный для «безболезненного» выхода дизеля на режим
полной нагрузки. Такой процесс обеспечивается со стороны ИБП плавным увеличением за
время ∆ t > 1 с тока ДЭС от нуля до рабочего значения, что будет одновременно
сопровождаться плавным уменьшением до нуля тока аккумуляторной батареи (АБ) ИБП.
27.5.
Для правильного выбора мощности ДЭС следует также учитывать долю мощности,
идущую на заряд АБ ИБП при включении ДЭС и ИБП на совместную работу. Эта доля тем
больше, чем дольше ИБП работал до того в автономном режиме, так как степень разряда
АБ в этом случае будет значительной.
27.6.
Мощность выбираемой ДЭС можно снизить, если на время приема ею основной
нагрузки ИБП подзарядку АБ не производить (этот вопрос должен решаться с фирмойпроизводителем ИБП).
27.7.
Так как уменьшение входного коэффициента мощности ИБП (< 0,8) снижает
нагрузочные возможности (мощность) ДЭС, то мощность выбираемой ДЭС в этом случае
должна быть дополнительно увеличена в 1 / р раз, где р = 0,93…0,98.
Использование во входной цепи ИБП 12-и полупериодного выпрямителя и специального
THD-фильтра позволяет существенно снизить нелинейные искажения формы входного
тока (до 4 % в ИБП модели 600 Т фирмы Liebert) и тем самым обеспечить возможность
снижения соотношения мощностей ДЭС и ИБП до величины 1,1 … 1,2 (при учете
рекомендаций п.п. 4 и 6).
27.8.
27.9.
Целесообразно выходное напряжение современных ИБП синхронизировать по частоте
и согласовать по фазе с напряжением ДЭС. Это обеспечивает перевод нагрузки ИБП на
байпас и обратно мгновенно, без прерывания электропитания нагрузки. Данное
обстоятельство предъявляет высокие требования к показателям электронных регуляторов
частоты вращения ДЭС, которые должны быть стабильны во всех режимах работы системы
ДЭС — ИБП. Реализация данного условия повышает степень совместимости ДЭС и ИБП.
28.
Расчет мощности ДЭС для совместной работы с ИБП
1.
Изучите технические характеристики и свойства существующего ИБП, для которого
выбирается ДЭС, а именно:
·
мощность;
·
КПД;
·
входной коэффициент мощности;
·
коэффициент нелинейных искажений (КНИ);
·
способность плавно или ступенями нагружать ДЭС;
Стр. 52 из 67
·
мощность, необходимую для заряда АБ (при ее разряде на 50 … 80 %);
·
способность перехода на питание от ДЭС с задержкой заряда АБ на время перехода.
2.
Произведите предварительный выбор типа ДЭС, используя руководство по выбору ДЭС
и необходимые методики.
3.
Мощность ДЭС (РДЭС) в случае выбора ДЭС с нефорсированным двигателем
определяется по формуле:
РДЭС = 1,25 1/р (РИБП / η + РЗар.АБ) + РД
(кВт),
где: РДЭС — выходная мощность ИБП
(кВт);
η — КПД источника (ИБП);
РЗар.АБ — мощность, идущая на заряд АБ ИБП (кВт);
РД — суммарная мощность других некритичных нагрузок, которые будут питаться от ДЭС
(рассчитывается на основании существующих методик) (кВт);
1,25 — нормативный коэффициент (см. фактор 26.2.);
р — коэффициент, учитывающий снижение нагрузочной способности ДЭС при входном
коэффициенте мощности ИБП < 0,8 (см. п. 27.2.).
Для получения мощности в кВА следует мощность РДЭС разделить на входной коэффициент
мощности ИБП (обычно 0,8), то есть Р = РДЭС / 0,8
(кВА).
Из таблиц выбирается ДЭС с номинальной мощностью, несколько превышающей РДЭС (в
кВт) или P (в кВА).
4.
Если ИБП способен плавно нагружать ДЭС, то независимо от вида выбираемой ДЭС
(с турбонаддувом или без него), ее мощность определяется по формуле, приведенной выше в п.
3. При этом следует помнить, что другая (некритичная) нагрузка (РД) должна подключаться к ДЭС
только после подключения к ней ИБП.
5.
Если вся мощность ИБП сразу (скачком) прикладывается к ДЭС с форсированным
дизелем, то ее мощность определяется по формулам (см. 26.6., 26.7.):
РДЭС = 1,67 (РИБП / η + РЗар.АБ) или РДЭС = 1,82 (РИБП / η + РЗар.АБ)
(кВт).
В этом случае мощность выбираемой ДЭС будет превышать мощность, потребляемую ИБП,
соответственно на 67 % и 82 %, что перекрывает нормативную величину, равную 25 % (см.
26.2) и исключает необходимость учета коэффициента «р».
Избыточную мощность ДЭС можно использовать для питания другой (некритичной) нагрузки
(после подключения ИБП к ДЭС). Величина избыточной мощности:
Ризб. = 1,67 (РИБП / η + РЗар.АБ) – 1,25 1/р (РИБП / η + РЗар.АБ)
(кВт),
или
Ризб. = 1,82 (РИБП / η + РЗар.АБ) – 1,25 1/р (РИБП / η + РЗар.АБ)
Стр. 53 из 67
(кВт).
6.
Если мощность ИБП сразу (скачком) прикладывается к ДЭС с форсированным
двигателем, а заряд АБ ИБП будет происходить с задержкой на время, необходимое для
подключения ИБП к ДЭС, то ее мощность определяется по формулам:
РДЭС = 1,67 (РИБП / η) или РДЭС = 1,82 (РИБП / η)
(кВт).
Величина избыточной мощности:
Ризб. = 1,67 (РИБП / η) – 1,25 1/р (РИБП / η + РЗар.АБ)
(кВт),
или
Ризб. = 1,82 (РИБП / η) – 1,25 1/р (РИБП / η + РЗар.АБ)
(кВт).
7.
Расчет необходимой мощности ДЭС с асинхронным генератором Gen Set
производится по тем же формулам (п.п 3…6), необходимо лишь заменить в них нормативный
коэффициент «1,25» на «1».
Примечание. В п.п. 3 и 4 расчета при окончательном определении мощности ДЭС нужно
учесть также потери мощности в сетях и на собственные нужды ДЭС. При этом максимальная
расчетная мощность будет:
РДЭСРасч. =
РДЭС · kпот
k с.н.
,
где: kпот — коэффициент, учитывающий потери мощности (в сетях с напряжением до 500 В kпот
= 1,1);
kс.н. — коэффициент, учитывающий расход электроэнергии на собственные нужды (k с.н.
= 0,95 …0,97).
Номинальная мощность выбранной ДЭС должна незначительно превышать КДЭСРасч. (в кВт)
или КДЭСРасч./0,8 (в кВА).
ЛИТЕРАТУРА
1.
Стандарт на электрические машины. ГОСТ 183-74.
2.
Электрические машины. А.В. Иванов-Смоленский. Москва, изд. «Энергия», 1980 г.
3.
Электрические машины, ч.1 и 2. Учебник для ВУЗов. Д.Э. Брускин, А.Е. Зорхович, В.С.
Хвостов. Москва, изд. «Высшая школа», 1987 г.
4.
Электрические машины,
«Госэнергоиздат», 1958 г.
ч.1
и
2.
М.П.
Костенко,
Л.М.
Пиотровский.
Москва,
5.
Электрические машины. Ю.А. Кулик. Москва, изд. «Высшая школа», 1971 г.
6.
Электрические машины и микромашины. Н.Н. Александров. Москва, изд. «Колос», 1983
Стр. 54 из 67
7.
Источники бесперебойного питания Liebert. М.А. Антипов, С.В. Алхименков. СанктПетербург, «Экспресс-Электроника» № 5, 1999 г.
8.
Уникальные свойства дизельных электростанций фирмы Gen Set против нелинейности
нагрузок. М.А. Антипов, В.М. Пожидаев, Санкт-Петербург, «Экспресс-Электроника» №3, 1999 г.
Вопросы для самоконтроля:
1.
Каково влияние импульсного характера тока нагрузки на свойства синхронного
генератора ДЭС?
2.
Причины возможной динамической
сопоставимости их мощностей?
3.
Какие ограничения на выбор мощности ДЭС накладывает наличие турбонаддува в
дизеле при работе электростанции с ИБП?
4.
Какие существуют пути снижения степени искажения формы кривой напряжения
синхронного генератора при питании импульсной нагрузки?
5.
Каким образом можно снизить влияния искажения формы кривой напряжения генератора
на работу системы автоматического регулятора напряжения?
6.
неустойчивости
систем
ДЭС-ИБП
при
Пути снижения мощности выбираемой ДЭС при ее работе с ИБП?
VIII. Автоматические переключатели и системы синхронизации ДЭС
Основная цель использования КСГЭП – обеспечение надежного и качественного
электропитания потребителей.
Наличие альтернативных источников ЭЭ в КСГЭП, надежное согласование ДЭС и ИБП, их
высокие надежностные показатели – сами по себе еще не обеспечивают надежного
гарантированного электропитания потребителей.
Из структурной схемы КСГЭП (рис.1 во введении) следует, что все источники объединены в
единую систему с помощью силового коммутирующего оборудования. Следовательно,
надежность функционирования КСГЭП обусловлена в том числе и надежностью автоматических
переключателей и системы синхронизации ДЭС (если их более 2-х) между собой.
Известны недостатки традиционных силовых переключателей с двумя электромагнитными
контакторами: постоянное нахождение их обмоток под напряжением, зависимость от его
величины силы контактного давления, возможность возникновения режима “дребезга” контактов,
снижающего надежность электрического контакта и способного привести, в конечном счете, к
отказу коммутирующего устройства.
Подобные недостатки полностью отсутствуют
переключателях производства компании ASCO.
в
автоматических
односоленоидных
29. Автоматические переключатели ASCO
В переключателях “ASCO” удержание контактных групп в замкнутом состоянии
осуществляется механическим путем за счет оригинальной конструкции механизма
переключения. При этом обмотка электромагнита (соленоида) обесточена. Переключение
контактных групп происходит под действием кратковременного (~ 0,1 с) импульса тока,
подаваемого в обмотку соленоида.
Стр. 55 из 67
Принцип устройства и работы переключателя можно понять из рисунков. Сердечник 2
соленоида 1 (рис.1) через серьгу 3 связан с проушиной выступа 4 маховика 5. На последнем
имеется палец 6, свободно входящий в вилку 7 коромысла 8 с подвижными контактами. При
подаче в обмотку соленоида импульса напряжения сердечник 2, преодолевая сопротивление
пружины 10, втягивается внутрь соленоида. Серьга 3, увлекаемая сердечником, поворачивает
маховик
против
хода
часовой
стрелки
(рис.
2).
Вследствие этого палец 6, перемещаясь вправо, смещает в ту же сторону вилку 7.
Соответственно с этим коромысло поворачивается относительно оси 9 по ходу часовой стрелки,
что приводит сначала к размыканию вспомогательных контактов 11, а затем силовых контактов
левой контактной группы. При полном втягивании сердечника (рис.3) обмотка соленоида
обесточивается. За счет инерционности движущихся частей (особенно маховика) выступ 4
смещается влево от продольной оси сердечника 2, который под действием пружины 10 начинает
двигаться вниз. Коромысло, продолжая поворот, обеспечивает замыкание контактов правой
контактной группы (рис.4). Сердечник 2 в конце движения через серьгу заклинивает маховик, а с
ним и остальные подвижные части механизма. Контакты правой контактной группы остаются
надежно замкнутыми. Если вновь подать в обмотку соленоида импульс напряжения, произойдет
обратное переключение, т.е. правые контакты разомкнутся, а левые – замкнутся. С
использованием вспомогательных контактов 11, число которых может быть любым, легко
реализуются различные автоматические алгоритмы работы переключателя.
Стр. 56 из 67
Достоинства переключателей ASCO
1.
Высокая надежность, обусловленная наличием только одного соленоида, простотой и
малым количеством рабочих деталей, а также тем, что на обмотку соленоида напряжение
подается кратковременно. Следовательно, расход энергии и тепловыделение сведены к
минимуму.
2.
Двухпозиционный принцип переключения обеспечивает развязку двух источников питания, а
большой зазор между силовыми контактами позволяет добиться прерывания дугового разряда
и бесшумной работы .
3.
На качество замыкания не оказывают влияния колебания напряжения или даже
кратковременное прекращение подачи электроэнергии.
Постоянное значение силы
удержания контактов в замкнутом состоянии обеспечивает минимальное значение
температуры контактов, что также увеличивает надежность и срок службы переключателей.
4.
Простота дистанционного управления.
5.
Механическая блокировка подвижных частей исключает случайное размыкание контактов
при вибрации или ударных перегрузках (сейсмоустойчивость переключателей по шкале
Рихтера – 9 баллов)
6.
Повреждение обмотки соленоида не вызовет нежелательного размыкания силовых
контактов переключателя.
7.
Динамическая устойчивость по току – 200 кА
Существующие серии переключателей «ASCO» рассчитаны на переключение токов
от 30 до 4000 А. Наличие микропроцессора расширяет возможности и области применения
переключателей, облегчает и упрощает их техническое обслуживание.
Назначение переключателей ASCO
Переключение нагрузки без перебоев электропитания ( режим с перекрытием контактов).
·
Переключение нагрузки с заданной временной задержкой ( на период вхождения резервной
дизельной электростанции в рабочий режим или для подготовки ее к останову; для
предотвращения отключения основного источника питания при кратковременных
исчезновениях в сети напряжения и т. п.)
·
Переключение нагрузки с предварительной синхронизацией резервной дизельной
электростанции (ДЭС) и центральной электросети.
·
Автоматическая выдача команды на запуск двух резервных ДЭС при неисправности
центральной электросети и переключение нагрузки на ту ДЭС, дизель которой запустился
быстрей (с отключение второй ДЭС).
·
Автоматический тестовый контроль дизеля резервной ДЭС (с периодичностью от одного до
семи дней) сроком до одного года без использования внешнего источника).
Наибольшее применение находят следующие типы коммутационных аппаратов ASCO:
·
Автоматические переключатели ASCO 940 (на токи от 30 до 4000 А)
Стр. 57 из 67
·
Автоматические переключатели с изолированным байпасом ASCO 962 (на токи от 150 до
4000 А)
·
Автоматические переключатели с закрытым переключением и с изолированным байпасом
ASCO 434 (на токи от 150 до 4000 А)
·
·
Автоматические выключатели (контакторы) ASCO 920 (на токи от 30 до 225 А)
Автоматические переключатели ASCO серии 7000, обладающие функциональными
возможностями всех вышеперечисленных АВР-ов. Главная отличительная особенность
данной серии - многофункциональность микропроцессорной панели управления.
ASCO 940
ASCO 962
ASCO 436
ASCO 434
Примечание: Более подробная информация об автоматических переключателях ASCO изложена
на стр. 55-61 каталога «Малая энергетика на защите большого бизнеса».
30. Система синхронизации ДЭС и управления электропитанием ASCO SYNCHROPOWER
В главе III «Синхронные генераторы» были рассмотрены два способа включения на
параллельную работу генераторов ДЭС – точный и способ синхронизации. Для реализации обоих
способов необходимо специальное оборудование и аппаратура.
Компания ASCO производит системы синхронизации (ASCO SYNCHROPOWER),
обеспечивающие возможность включения нескольких ДЭС на параллельную работу между собой
и с центральной электросетью. Эти системы позволяют осуществлять указанное включение как
автоматическим путем, так и вручную.
Система синхронизации ДЭС и управления электропитанием ASCO SYNCHROPOWER
предназначена для обеспечения синхронной параллельной работы на общую нагрузку
(резервную шину) нескольких (до 5-6) ДЭС. В состав каждой системы ASCO SYNCHROPOWER
входят:
·
секции управления генераторами;
·
главная секция управления;
·
секции распределения электропитания.
Стр. 58 из 67
Введение в состав системы устройства связи PowerQuest ASCO делает возможным локальный
или дистанционный контроль за распределением резервной мощности. PowerQuest ASCO при
использовании в системе, работающей в среде Windows, позволяет с одного персонального
компьютера контролировать и управлять несколькими параллельно работающими ДЭС и до 128
автоматическими выключателями (переключателями).
·
Особенности секции управления генератором
Предназначена для автоматического запуска (или останова) и
включения генератора одной ДЭС на параллельную работу с резервной
электрической шиной.
·
Содержит:
1.
Блок управления (с ручным, микропроцессорным и
релейными устройствами управления). На пульте ручного управления
расположены командные многопозиционные переключатели и
нажимные кнопки, необходимые для управления ДЭС;
2.
Измерительные приборы (вольтметры, амперметры,
ваттметр, частотомер) аналогового, цифрового или аналого-цифрового
типа с погрешностью менее +_1%;
3.
Устройства визуального оповещения и индикации
(теплоизлучающие или с задней подсветкой);
4.
Автоматический выключатель для подключения генератора
параллельно аварийной сетевой шины.
Особенности главной секции управления
Предназначена для централизованного управления работой всей системы.
Секция устанавливает приоритет увеличения или снижения мощности
параллельно работающих ДЭС и в соответствии с заданием меняет количество
работающих ДЭС. Включение в схему управления программируемых логических
устройств обусловливает маневренность системы и позволяет добиться полного
соответствия управляющей логики специфическим требованиям заказчика.
Функциональные задачи секции: централизованное управление работой системы
с помощью программируемых логических устройств, оптимизация сетевой шины,
контроль за потреблением нагрузки, обеспечение передачи информации и
сигналов управления через интерфейс и дистанционный контроль PowerQuest
ASCO 3000. Содержит:
1. Пульт ручного управления (командные многопозиционные переключатели,
нажимные кнопки, необходимые для управления работой всей системы),
органы ручного включения на параллельную работу;
2. Измерительные приборы (вольтметры, амперметры, ваттметр, частотомер,
синхроскоп) аналогового, цифрового или аналого-цифрового типа с
погрешностью менее ± 1%;
3. Устройства визуального оповещения и индикации (теплоизлучающие или с
задней подсветкой);
4. Терминал для интерфейса пульта оператора (для возможности изменения
рабочих параметров и временных задержек в работе системы), который
может быть защищен паролем.
Стр. 59 из 67
·
Особенности секции распределения нагрузки
Содержит различные выключатели, переключатели, реле давления
(мембранные переключатели), панели управления и автоматические
переключатели ASCO.
·
Содержит измерительные приборы аналогового, цифрового или
аналого-цифрового типа.
·
Для питания нагрузки используются автоматические выключатели,
монтируемые в металлическом, литом корпусах или в корпусе с изоляцией.
·
Автоматические переключатели ASCO 940. 962, 434 и новой серии
700 могут монтироваться в шунтированных распределительных щитах для
уменьшения длины питающей кабельной сети.
Вопросы для самоконтроля:
1.
Каков принцип работы автоматических переключателей ASCO?
2.
За счет чего обеспечивается удержание замкнутого (или разомкнутого) состояния контактов
в автоматических переключателях ASCO?
3.
Возможно ли одновременное замыкание ( или размыкание) всех контактов в
переключателях ASCO?
4.
Возможно ли явление “дребезга контактов” в переключателях ASCO?
5.
Каковы основные достоинства автоматических переключателей и выключателей ASCO?
6.
Каков состав системы синхронизации ASCO SYNCHROPOWER?
ТЕРМИНЫ
Источники электроэнергии
1. Источник электрической энергии - устройство, обеспечивающее получение электрической
энергии (ЭЭ) путем преобразования в нее других видов энергии, а также изменяющее ее
параметры или род тока.
2. Первичный источник ЭЭ - устройство, обеспечивающее преобразование другого вида
энергии в ЭЭ (электромашинный генератор, электрохимический генератор, термоэлектрический
генератор, фотоэлектрический и термоэмиссионный преобразователи).
3. Вторичный источник ЭЭ - устройство, предназначенное для обеспечения потребителей
электрической энергией с параметрами, отличающимися от параметров ЭЭ первичных
источников (выпрямитель, инвертор, конвертор и т.п.).
4. Аккумулятор электрический - устройство для накопления электрической энергии с целью
последующего ее использования.
5. Аккумуляторная батарея (АБ) - блок аккумуляторов, соединенных электрически и
конструктивно для получения необходимых значений тока и напряжения. АБ используется в
качестве автономного источника ЭЭ постоянного тока.
Стр. 60 из 67
6. Агрегат - соединение в одно целое двух или нескольких машин для производства общей
работы.
7. Двигатель-генераторный агрегат или двигатель-генератор (мотор-генератор) общее
название электроагрегатов, в которых двигатель (внутреннего сгорания, ветровой,
электродвигатель) вращает электромашинный генератор.
В зависимости от вида двигателя различают электроагрегаты:



дизельный (дизель-генератор);
бензиновый;
ветровой.
Электроагрегат типа электродвигатель - генератор является преобразователем вида тока
(переменного в постоянный, постоянного в переменный) или преобразователем частоты
переменного тока (например, 50Гц в 400 Гц).
8. Автономная электростанция - система, обеспечивающая электропитание потребителей
электрической энергии в отсутствие централизованной электросети или при ее неисправности.
Автономная электростанция - это двигатель-генераторный агрегат в комплексе с устройствами и
системами управления, контроля, защиты, переключения нагрузки, транспортировки и др. К
автономным электростанциям относятся: дизельные (ДЭС), бензиновые(БЭС) и ветровые (ВЭС)
электростанции. Автономные электростанции могут быть стационарными и передвижными
(переносными) Автономные электростанции (например, ДЭС) и централизованная электросеть
относятся к первичным источникам ЭЭ.
9. Источник электропитания (источник питания электроэнергией) - электроустановка, от
которой осуществляется питание электроэнергией потребителя.
10. Электроснабжение - обеспечение потребителей электроэнергией.
11. Система электроснабжения - совокупность устройств, предназначенных для производства
электроэнергии необходимого вида и качества, передачи и распределения ее между
потребителями.
Нагрузка
1. Приемник электроэнергии - устройство, функционирование которого связано с потреблением
электрической энергии.
2. Потребитель электроэнергии - один или группа приемников электрической энергии
предприятия или организации.
3. Нагрузка


устройство, потребляющее электроэнергию (потребитель ЭЭ);
мощность электроэнергии, потребляемая устройством (потребителем ЭЭ).
4. Виды электрических нагрузок:



линейная - нагрузка, в которой ток и напряжение связаны между собой линейной
(пропорциональной) зависимостью;
нелинейная - нагрузка, в которой ток и напряжение связаны между собой нелиней ной
зависимостью (например, компьютер, выпрямитель, монитор и пр.);
«критичная» - нагрузка, чувствительная к неполадкам в электросети и нуждающаяся в
специальном источнике питания, обеспечивающем требуемое качество электроэнергии
Стр. 61 из 67
(файловые серверы, рабочие станции, персональные компьютеры, компьютерные и
телекоммуникационные сети и др.)
5. Мощность нагрузки:



полная - кажущаяся суммарная мощность, потребляемая нагрузкой и учитывающая
активную и реактивную составляющие мощности. Равна произведению действующих
(среднеквадратичных) значений тока и напряжения (S=U х I). Единица измерения: вольтампер (ВА);
активная - полезная мощность, отбираемая любой нагрузкой из электросети (или от ДЭС)
и преобразуемая в дальнейшем в любой вид энергии (механическую, тепловую,
электрическую и т.п.). Вычисляется как интеграл произведения мгновенных значений
потребляемого тока и напряжения, усредненный за период их изменений или как
произведение: P=U x I x cosj при гармоническом характере тока и напряжения,
причем cosj - коэффициент мощности, а j-угол сдвига фаз между током и напряжением.
Единица измерения активной мощности: ватт (Вт); реактивная - мощность, не
совершающая полезной работы, но принципиально необходимая, например, для создания
вращающегося магнитного поля в асинхронных электродвигателях, для заряда
конденсаторов и т.п. Единица измерения: вольт-ампер реактивный (ВАР).
Показатели качества электроэнергии
1. Коэффициент мощности - показатель, характеризующий линейные и нелинейные искажения,
вносимые нагрузкой в электросеть. Равен отношению мощностей активной и полной P/S (Вт/ВА),
потребляемых нагрузкой. Плохое значение коэффициента мощности - 0.8 и меньше (0.7 - у
компьютерного оборудования, 0.65 - у двухполупериодных выпрямителей). При наличии только
гармонических искажений коэффициент мощности равен косинусу угла сдвига фаз между током и
напряжением (cos j).
2. Коэффициент нелинейных искажений (КНИ) - показатель, характеризующий степень отличия
формы напряжения или тока от идеальной синусоиды. Типовые значения КНИ: 0% - синусоида;
3...5% - форма, близкая к синусоиде; до 21% - трапецеидальная или ступенчатая фор-мы; 43% прямоугольная форма.
3. Крест-фактор нагрузки - показатель, характеризующий
способность источника ЭЭ питать нелинейную нагрузку,
потребляющую импульсный ток. Равен отношению амплитуды
импульсного тока в нелинейной нагрузке Im (нелин.) к амплитуде
тока гармонической формы Im (лин.) при эквивалентной
потребляемой мощности
4. Неполадки в электросети - любые отклонения параметров
питающего напряжения от установленных стандартных значений.
На территории России определены такие параметры качества
электроэнергии сети: напряжение 220 В±10%; частота 50Гц±1 Гц
(2%); коэффициент КНИ<8% (длительно) и <12%
(кратковременно). Основные неполадки в электросети: полное
исчезновение напряжения; длительные и кратковременные
«просадки» и всплески напряжения; высоковольтные импульсные
помехи; высокочастотные гармоники (шум); уход частоты.
Стр. 62 из 67
Средства гарантированного питания
1. Установка гарантированного питания (УГП) - автоматическое устройство, обеспечивающее
электропитание нагрузки за счет энергии автономного источника ЭЭ (ДЭС или АБ) в случае
исчезновения напряжения в централизованной электросети.
2. Источник бесперебойного питания (ИБП) - автоматическое устройство, обеспечивающее
электропитание критичной нагрузки за счет энергии АБ при любых неполадках в электросети и с
мгновенным переключением от нее на АБ. ИБП -это наиболее совершенный вид УГП.
Режимы работы ИБП:



нормальный - нагрузка питается за счет энергии электросети, а АБ находится в режиме
подзаряда;
аварийный (автономный) - нагрузка питается энергией АБ, преобразованной в энергию
переменного тока;
«холодный старт» - режим автономного «запуска» ИБП при отсутствии напряжения на его
входе. «Холодный старт» дает возможность, например, срочно передать факс или вывести
данные на принтер, завершить критичные задачи при обесточивании электро сети.
3. Система гарантированного питания (СГП) - совокупность устройств, обеспечивающих
длительное, бесперебойное и качественное электропитание различного вида нагрузок при любых
неполадках в централизованной электросети. Основа гарантированного электропитания
критичной нагрузки - наличие: альтернативных первичных источников электроэнергии, как
минимум, двух, например, централизованной электросети и резервной дизельной электростанции
(ДЭС); источника бесперебойного питания (ИБП); автоматических быстродействующих
переключателей нагрузки.
Схемы построения ИБП, их элементы, узлы, методы повышения качества.
1. Инвертор (преобразователь) - устройство преобразующее постоянное напряжение в
переменное. Основные их типы : инверторы, генерирующие напряжение прямоугольной формы,
инверторы с пошаговой аппроксимацией и инверторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).
Наибольшая степень приближения формы напряжения к идеальной синусоиде возможна в
инверторах с ШИМ. Кроме того «интеллектуальные» инверторы, используемые в ИБП сериях
UPStation GXT, а также АР-200, АР-400, АР-4300 производства компании Liebert, автоматически
корректируют форму выходного напряжения при работе с нелинейной нагрузкой путем
управления шириной отдельных импульсных составляющих.
2. Off-Line - схема построения ИБП, характерная наличием преобразователя (инвертора),
который формирует выходное напряжение только при работе от АБ. В нормальном режиме
нагрузка питается напряжением сети (Uвх.). Особенность схемы Off-Line - наличие
автоматического переключателя, коммутирующего цепь питания нагрузки. Достоинство схемы простота и экономичность; недостаток – нет стабилизации входного напряжения (Uвх.) при работе
в нормальном режиме и относительная затянутость (~4 мс) процесса переключения в аварийный
режим работы (на АБ). ИБП по схеме Off-Line используют для питания персональных
компьютеров или рабочих станции, локальных вычислительных сетей
Стр. 63 из 67
3. Line-Interactive - схема построения ИБП, подобная
схема Off-Line. Отличие лишь в том, что на входе имеется
ступенчатый стабилизатор (бустер), построенный на
основе автотрансформатора. Вследствие этого ИБП
способен выдерживать длительные глубокие «просадки»
входного сетевого напряжения без перехода на АБ.
Достоинства и недостатки те же, что и у схемы Off-Line.
ИБП по схеме «Line-Interactive» используют для питания
персональных компьютеров, рабочих станций и файловых
серверов локальных вычислительных сетей, офисного
оборудования и т.п. Примером такого ИБП является Power
Sure InterActive компании Liebert.
4. Booster (бустер) - ступенчатый автоматический
регулятор напряжения на основе автотрансформатора.
Используется в ИБП, выполненных по схеме «LineInteractive». Могут работать как на повышение, так и на понижение напряжения.
Стр. 64 из 67
5. On-Line - схема построения ИБП, характерная наличием двойного преобразования входного
напряжения и постоянно работающего инвертора. В
нормальном режиме работы входное переменное
напряжение (Uвх.) выпрямляется, а затем с помощью
инвертора снова преобразуется в переменное (Uвых.). При
исчезновении входного напряжения инвертор, постоянно
подключенный к АБ, мгновенно переходит на питание от
нее, продолжая питать нагрузку переменным током без
разрыва синусоиды выходного напряжения и без искажения
ее формы. Двойное преобразование входного напряжения
полностью защищает выход ИБП от любых помех со
стороны входа. ИБП, построенные по схеме On-Line, как
правило, оснащены на входе плавным стабилизатором
напряжения с широким диапазоном стабилизируемого
напряжения, что предотвращает преждевременный
неоправданный переход инвертора на питание от АБ.
Недостатки ИБП по схеме On-Line: относительная
сложность, более высокая стоимость, а двойное
преобразование энергии несколько снижает КПД. ИБП по
схеме On-Line используют для питания файловых серверов
и рабочих станций локальных вычислительных сетей и
другого оборудования с повышенными требованиями к качеству электропитания. Примером таких
ИБП являются модели серии UPS Station GXT производства компании Liebert. На сегодняшний
день схема On-Line является самым совершенным решением, позволяющим полностью защитить
критичную нагрузку от всех существующих неполадок электропитания.
6. Bypass («обход») - дополнительный режим работы ИБП,
построенного по схеме On-Line, заключающийся в обходе схемы
двойного преобразования напряжения и питании критичной
нагрузки отфильтрованным входным сетевым напряжением.
Различают автоматический и ручной переход в режим «обхода».
Автоматический - производится устройством управления ИБП в
случае перегрузки по его выходу или при неисправностях в его
узлах. Этим критичная нагрузка защищается как от неполадок в
питающей сети, так и от неполадок в самом ИБП. Ручное
переключение в режим «обхода» используется при проведении
технического обслуживания ИБП или при его замене без
прерывания питания критичной нагрузки.
7. Входной изолирующий трансформатор - трансформатор, стоящий во входной цепи ИБП и
осуществляющий гальваническую развязку ИБП и внешней сети. Необходим при использовании
негерметичных АБ с жидким электролитом, когда существует вероятность его утечки и короткого
замыкания на землю.
8. Выходной изолирующий трансформатор - трансформатор, стоящий в выходной цепи ИБП
между инвертором и нагрузкой и обеспечивающий гальваническую развязку ИБП и нагрузки.
Такими трансформаторами оснащены, например, все ИБП серий AP 200, AP 4300, AL 7200, AL
7400 и 600 T производства компании Liebert.
9. THD-фильтр - устройство, устанавливаемое во входной
цепи ИБП, построенного по схеме On-Line, и служащее для
снижения нелинейных искажений (уменьшения КНИ).
Выпрямитель на входе ИБП потребляет импульсный ток,
который и является причиной искажений формы кривой
Стр. 65 из 67
напряжения и тока в электросети. THD-фильтры на входе мощных ИБП серий AL 7200 и AL 7400
производства компании Liebert снижают значение КНИ в электросети до 5...10%.
10. Температурная компенсация зарядного тока АБ - технология, существенно продлевающая
срок службы АБ. Разработана компаниейLiebert. Герметичные АБ крайне чувствительны не только
к температуре окружающей среды, но и к величине зарядного тока, зависящего, в свою очередь,
от этой температуры. Подбор оптимального зарядного тока позволяет в несколько раз увеличить
срок службы АБ.
11. Виртуальная батарея - технология, при которой основная АБ включается в работу только при
неполадках в электросети, длительностью более 1...2 с. При кратковременных неполадках
используется энергия конденсатора большой емкости (виртуальной батареи), подключенного
параллельно АБ. Это приводит к уменьшению случаев кратковременного использования
основной АБ и увеличению срока ее службы. Технология виртуальной батареи, а также
технология температурной компенсации зарядного тока являются одними из самых передовых
технологий продления срока службы АБ. Они используются в ИБП серий UPS Station GXT, AP200, AP 400, AP 4300, AL 7200, AL 7400, 600 T производства компании Liebert.
12. Последовательное резервирование - схема,
состоящая из двух и более модулей ИБП и предназначенная
для повышения надежности всей системы. При этом один из
ИБП является основным, а все остальные - резервными.
Обязательным условием является наличие раздельного
входа Bypass у каждого модуля ИБП. Их подключение
осуществляется так, как показано на рисунке. При
нормальной работе основного ИБП он полностью питает
нагрузку, а при выходе из строя - автоматически переключается в режим Bypass, и нагрузку
питает резервный ИБП. В схеме допускается использование как отдельных, так и единых
комплектов АБ для всех модулей ИБП. Схема предусмотрена в ИБП серий AP 200, AP 400, AP
4300, AL 7200, AL 7400, 600 T производства компании Liebert.
<>
13. Параллельное резервирование, наращивание мощности - схема, состоящая из двух и
более модулей ИБП, соединенных параллельно по входу и по выходу для повышения надежности
всей системы или для наращивания отдаваемой в нагрузку мощности. Обязательное условие
такого подключения - наличие дополнительного блока синхронизации фаз выходных напряжений
модулей. При резервировании и исправной работе всех модулей ИБП нагрузка распределяется
пропорционально между ними. При выходе из строя одного ИБП нагрузку питают оставшиеся
Стр. 66 из 67
модули. В схеме допускается использование как отдельных АБ, так и единого комплекта АБ для
всех модулей. Схема предусмотрена в ИБП серий AL 7200, AL 7400 и 600 T производства
компании Liebert.
Распределение электроэнергии
1. Распределительное устройство - электроустановка, предназначенная для приема и
распределения электроэнергии и содержащая аппаратуру управления, устройства защиты и
автоматики, измерительные приборы, сборные и соединительные шины, вспомогательные
устройства.
2. Аппаратура управления и защиты - устройства, обеспечивающие коммутацию (включение,
выключение, переключение) электрических цепей и защиту источников, потребителей и
электросетей от аварийных режимов [10]. К аппаратуре управления и защиты относятся:
автоматические выключатели и переключатели, контакторы, магнитные пускатели,
электромагнитные реле, контроллеры, рубильники, предохранители. К аварийным режимам
относятся:



короткое замыкание в проводах от источника до потребителя;
возникновение токов перегрузки источников, потребителей и электросетей;
понижение (повышение) напряжения на зажимах потребителей ниже (выше)
установленных значений.
3. Короткое замыкание (КЗ) - замыкание источника электроэнергии на очень малое
электрическое сопротивление [10]. Для защиты источников и электросетей от последствий KЗ
автоматические выключатели снабжаются устройствами электромагнитного расцепления
(выключения).
4. Токи перегрузки - токи источников, потребителей и в электрических сетях, превышающие их
номинальные значения. Для защиты различных устройств от токов перегрузки автоматические
выключатели снабжаются устройствами расцепления (выключения) с чувствительными
элементами теплового действия.
5. Номинальный ток - значение тока длительного режима работы, на которое рассчитан
источник или потребитель электроэнергии.
Стр. 67 из 67