Энергетическая независимость (Часть 1)
Выбор автономной электрогенераторной установки
Алгоритм выбора электрогенераторной установки (ГУ) описан сотни раз в отечественных и иностранных технических изданиях. Практически все описания не имеют принципиальных различий. Но «дьявол кроется в деталях», поэтому сосредоточимся именно на подробностях.
Назначение и критичные параметры установки
Прежде всего нужно четко определить: генераторная установка нужна для бытового или промышленного применения, для постоянного, временного или резервного электроснабжения, так как для всех указанных целей требуются разные установки, и использовать, например, бытовую установку для коммерческих целей или, наоборот, промышленный генератор в быту совершенно невозможно. От целевого назначения генератора в значительной мере зависит, какого качества и, следовательно, стоимости необходимо подбирать агрегат. Бытовые ГУ не рассчитаны на промышленное применение ни по мощности, ни по допустимой длительности непрерывной работы. Производители проектируют и изготавливают свои генераторы в соответствии с назначением. Генератор, предназначенный для ограниченной по времени работы, не разрабатывают и испытывают на надежность так же, как генератор, предназначенный для непрерывной подачи мощного электропитания на строительный объект.
Определившись с назначением генераторной установки, проанализируйте, какие ее параметры наиболее важны для вас: мощность; режим работы (источник питания основной, резервный, другой); необходимость параллельной работы; фазы – 3-фазный, 1-фазный; топливная система – дизель, бензин, газ; расход топлива; степень автоматизации управления; запуск – ручной, автоматический; комплектация – на раме, в кожухе, на шасси, с подогревателем; время работы без присутствия человека, габариты и масса оборудования; уровень шума; цена.
Нагрузка и необходимая мощность установки
Правильный выбор мощности генераторной установки очень важен. От него зависят работоспособность подключаемого к ГУ оборудования, срок службы ГУ, от мощности зависит и стоимость генераторной установки. Если к сети, в которую планируется подавать электропитание от ГУ, подключено много потребителей со сложным электрическим устройством, то для грамотного расчета необходимой мощности рекомендуется привлечь инженера-электрика. В данной статье мы опишем лишь общие принципы такого расчета, не вдаваясь глубоко в теорию электротехники.
Мощность полная и полезная. Как и у всех машин, у электроприборов имеется мощность полная и полезная, которая меньше полной, так как часть мощности всегда затрачивается на преодоление механического (трение обмотки) и электрического сопротивления, нагрев и т. п. Полная мощность равна произведению силы тока на напряжение, и потому в техдокументации электроприборов указывается в кВА (киловольт-амперы). Полезная мощность, которая нас больше интересует, выражается в кВт. При проведении расчетов для ГУ не следует путать эти параметры.
Суммарная мощность потребителей. Следует начать с определения, какие потребители будут подключаться к нашей ГУ. Для потребителей, не имеющих электромоторов, при подсчете можно просто взять значение потребляемой мощности, указанное в их паспорте.
Для потребителей, оснащенных электромоторами, должна рассчитываться полная потребляемая и уже по ней «пусковая мощность», так как для пуска электромотора требуется мощность, в 3–3,5 раза превышающая его номинальную. Нужно учесть, что в технических параметрах электромоторов под номинальной (полезной) мощностью в кВт понимается механическая мощность, отдаваемая электромотором на валу, а потребляемая им мощность в кВт должна определяться по известному значению номинального тока, напряжения и коэффициенту мощности cos ϕ. Для однофазных электромоторов cos ϕ = 1,0, для трехфазных: cos ϕ = 0,8.
Рассчитав потребляемую мощность каждого прибора, необходимо проанализировать, будут ли все приборы включаться и работать одновременно. Если такая ситуация в принципе невозможна, суммарную мощность рекомендуется посчитать по максимально возможному списку потребителей, включающихся одновременно. При включении ГУ после полного отключения электропитания рекомендуется, если есть такая возможность, чтобы не перегружать ГУ, включать мощные потребители поочередно, начиная с самого мощного.
Некоторые специалисты рекомендуют производить расчет по полной мощности потребителей, для этого придется пересчитать потребляемую мощность в кВт в полную в кВА (если она не указана в паспорте оборудования) путем деления паспортного значения потребляемой мощности в кВт на cos ϕ, которое также должно быть указано в техдокументации.
Если в будущем планируется подключить к ГУ дополнительное электрооборудование, его следует включить в расчет мощности потребителей. Если расчет выполняется в теплое время года, рекомендуется учесть возможное увеличение потребляемой мощности в зимний период за счет электрообогревателей и т. п.
Мощность ГУ (+запас). Один из самых главных параметров ГУ – выходная мощность. У любого генератора есть два параметра: мощность номинальная и максимальная. В пределах номинальной мощности ограничений по времени работы ГУ нет. Но на режиме максимальной мощности установка может работать лишь временно – от нескольких минут и до 1 ч, в зависимости от производителя, чаще всего 20–30 мин. Затем наступит перегрев, и тепловая защита отключит установку. К сожалению, в паспортных данных многие производители приводят именно максимальную мощность. Кроме того, у электрогенератора имеется коэффициент мощности cos ϕ, но некоторые производители в паспортных данных приводят номинальную мощность без учета cos ϕ, и пользователю приходится высчитывать ее самостоятельно. Эти нюансы нужно учитывать, чтобы не ошибиться при выборе ГУ.
Имейте также в виду, что номинальная мощность электрогенератора должна превышать сумму мощностей всех подсоединяемых одновременно приборов, которые будут работать более пяти минут, на 20–30%. Это обусловлено тем, что электростанция заработает в наиболее оптимальном режиме лишь в том случае, когда подключенная к ней нагрузка не превышает 40–80% от номинальной мощности. К тому же для определения номинальной мощности трехфазного генератора необходимая мощность умножается на коэффициент cos ϕ=0,8; а для однофазного – на cos ϕ=1,0.
Если расчет будет неверным и выбранная мощность генераторной установки (ГУ) окажется близкой к мощности подключаемых к ней потребителей без необходимого запаса, то скорее всего ГУ будет работать с перегрузкой, особенно если в дальнейшем к сети будут подключаться новые потребители. Перегрузка приведет к повышенному расходу топлива и сокращению срока службы установки. Соответственно при грамотном подборе ГУ можно будет в случае необходимости безбоязненно подключать к сети новых потребителей.
Схема подключения установки
Схема подключения ГУ к потребителям зависит от формы использования генератора. Если ГУ резервная (аварийная), то она подключается через АВР (система автоматического ввода резерва). Генераторная установка «боится» обратных токов, и в случае внезапного включения постоянного электроснабжения генератор, подключенный к сети, может просто сгореть, поэтому его защищает АВР, либо может быть установлен рубильник с взаимоисключающими положениями: питание от генератора либо от сети. При подключении ГУ рекомендуется между ним и сетью установить стабилизирующее устройство. Для работы ГУ характерны колебания напряжения, которые могут привести к выходу из строя техники, чувствительной к таким нарушениям.
Рекомендуется проанализировать график изменений в потреблении мощности в течение суток. Иногда может оказаться, что подключение параллельно двух-трех небольших ГУ выгоднее, чем одной ГУ большой мощности, в течение суток можно отключать 1–2 ГУ и экономить таким образом топливо. К тому же повышается общая надежность электроснабжения. Для такой схемы необходимы системы плавного перевода нагрузки на питание от разных ГУ. Важным аспектом параллельной работы двух-трех ГУ является распределение нагрузок. Общая нагрузка должна распределяться системами управления ГУ пропорционально их номинальным мощностям. Простейшее регулирование осуществляют за счет механического регулятора оборотов двигателя. Однако при таком способе мало учитывается выходная мощность генератора, что может вызвать значительную неравномерность в распределении нагрузки из-за различия характеристик регуляторов и двигателей ГУ. К тому же частота тока продолжает зависеть от нагрузки. Все эти недостатки исключаются при использовании электронной системы распределения. Выходная мощность электроагрегатов распределяется от общей точки – частоты 50 Гц.
На стабильность выходного напряжения оказывает влияние и качество системы управления двигателя, ее способность поддерживать постоянные обороты при изменениях нагрузки, наличие AVR (автоматического регулятора напряжения).
Максимально допустимые колебания напряжения и частоты
Частота тока ГУ зависит от частоты вращения двигателя. Большинство ГУ оснащаются механическими регуляторами. В этом случае частота вращения двигателя зависит от величины нагрузки: чем больше нагрузка, тем меньше частота. Обычно механический регулятор настраивается так, что при нагрузке 75–90% частота равна 50 Гц. На малых нагрузках (10–30%) частота будет равна 52–53 Гц. Большинство электрооборудования допускает такие отклонения по частоте. Однако для электронной техники необходима постоянная частота 50 Гц. В таких случаях двигатель ГУ оснащается более дорогим электронным регулятором, обеспечивающим поддержание постоянной частоты вращения. Поэтому при выборе ГУ нужно сначала проанализировать чувствительность оборудования к колебаниям частоты тока, а потом выбирать, каким регулятором должна быть оснащена ГУ.
Время для выхода ГУ на рабочий режим. Необходимо учитывать, что генераторам с двигателями внутреннего сгорания требуется некоторое время на определение отсутствия напряжения в общей сети (автоматической системе обычно от 1 до 30 сек., обслуживающему персоналу – неопределенное время), запуск двигателя и выход на рабочий режим (примерно 5–15 сек.). При отсутствии постоянного подогрева ДВС требуется время на его прогрев (от 5 до 30 мин.) для выхода на номинальные характеристики, чтобы обеспечить питание без сбоев.
Если установка не запустится с первого раза, попытки повторяются, это удлиняет время до подачи электропитания, и если некоторые приборы-потребители чувствительны к отключению питания (например, охранная сигнализация, медицинское оборудование), в системе должен быть предусмотрен ИБП (источник бесперебойного питания).
Выбор 1-фазного или 3-фазного генератора
К однофазным генераторам, вырабатывающим переменный ток напряжением 220 В и частотой 50 Гц, можно подключать только однофазные нагрузки.
К трехфазным генераторам (380/220 В, 50 Гц) подключаются и те, и другие (на приборной панели имеются соответствующие розетки, или клеммные колодки на 400 и 230 В). Однако это не означает, что 3-фазные генераторы лучше 1-фазных, так как «универсальны». К одной фазе можно подключить электроприборы суммарной мощностью не более 1/3 от номинальной мощности 3-фазной ГУ. Однофазные электроприборы надо равномерно подключать ко всем трем фазам генератора, чтобы избежать «перекоса» фаз, то есть неравномерного напряжения вследствие неравномерной нагрузки по фазам, что может привести к перегреву обмоток и выходу из строя генератора. Разница мощностей потребителей на разных фазах не должна превышать 20–25%. Очевидно, что соблюсти все эти условия непросто, поэтому если на вашем объекте нет оборудования с трехфазными электромоторами, лучше выбрать для него однофазную ГУ, она будет дешевле и надежнее, а ее мощность будет использоваться полнее.
Тип генератора: синхронный, асинхронный, инвенторный
Синхронные генераторы конструктивно сложнее асинхронных, как правило, имеют более низкий класс защиты от попадания пыли, мусора и воды, так как втягивают внутрь конструкции воздух для охлаждения, чего не нужно делать асинхронным генераторам (у них «закрытая» конструкция). Синхронные генераторы выдают менее «качественный» (то есть с бóльшими колебаниями напряжения) ток, но лучше выдерживают пиковые нагрузки и реактивные токи (до 65% от номинальной мощности), поэтому их рекомендуется использовать для питания мощного электроинструмента. Для питания таких потребителей хватит синхронного генератора меньшей мощности по сравнению с асинхронным.
Асинхронные генераторы более долговечны, более устойчивы к короткому замыканию, выходное напряжение у них имеет меньше нелинейных искажений. Поэтому от них можно запитывать даже электронную, компьютерную технику и приборы без электродвигателей. Однако перегрузки они не выдерживают, и это нужно учитывать при подборе по мощности.
Рекомендуется выбирать синхронные или асинхронные «самовозбуждаемые» бесщеточные генераторы, они не требуют обслуживания и не создают помех.
Самый современный и инновационный тип генераторов – инверторные. В этих ГУ используется инверторная система с регулятором широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Инверторные электростанции сочетают в себе все преимущества синхронных и асинхронных генераторов. Это означает, что к ним можно подключить и компьютеры, и электроинструмент. Переменный ток преобразуется в постоянный, путем фильтрования очищается от искажений и вновь преобразуется в переменный по нагрузке, в результате получается ток с высокостабильными выходным напряжением и частотой. Инверторные электростанции имеют намного меньшую массу и габаритные размеры (примерно в 2 раза), чем ГУ других типов аналогичной мощности. Это достигается тем, что генератор напрямую соединяется с двигателем внутреннего сгорания без массивного маховика. Также благодаря электронному «интеллектуальному» управлению расход топлива у этих ГУ ниже, чем у аналогичных других типов.
Однако инверторные ГУ имеют невысокие мощности и обычно используются в качестве резервного источника энергии для бытовых нужд или небольших предприятий с маломощным оборудованием. Подавляющее большинство моделей инверторных электростанций оснащаются бензиновым двигателем, современными системами воздушного охлаждения и совершенными системами шумопоглощения.
