Введение.
К надежности электроснабжения ряда потребителей электроэнергии (например, агрегатов, обеспечивающих безаварийную остановку технологических процессов предприятий химической промышленности, посадочных устройств самолетов, систем АСУП и КИП различных производств, государственных систем связи, устройств запуска космических аппаратов, устройств слежения и управления спутниками, космической радиосвязи, устройств радиорелейных линий, в ряде случаев лифтов высотных зданий, агрегатов собственных нужд атомных электростанций, больниц с устройствами, поддерживающими жизнедеятельность человека), использующих электроэнергию от сети внешнего электроснабжения, предъявляются весьма высокие требования.
Так, например, время старта космических кораблей назначается с точностью до долей миллисекунды (время старта советского космического грузового транспортного корабля «Прогресс-6» было назначено и осуществлено 13 мая 1979 г. в 7 ч 17 мин 9 с 901 мс)*. Перерыв электроснабжения системы запуска на доли миллисекунды не обеспечил бы оптимальные условия запуска.
Для обеспечения надежного электроснабжения таких потребителей широко используются специальные установки резервного электроснабжения. Так, в США в 1970 г. такие установки составили 6% всей установленной мощности электростанций, хотя годовая выработка ими не превышала 0,02 % общего производства электроэнергии (т. е. они весьма редко работали).
В последние годы во всех промышленно развитых странах создано значительное количество резервных источников питания электроэнергии, отличающихся друг от друга по конструкциям, электрическим схемам, времени вхождения в нормальный режим.
Резервные источники по конструктивным признакам можно разделить на две группы [29]: I— без накопителей энергии и II— с накопителями энергии (рис. 2.32).
Первая группа в зависимости от наличия первичного двигателя
может быть подразделена на источники с первичными двигателями (машинные) (поз. А) и источники прямого преобразования энергии (безмашинные) (поз. Б). Вторая группа по виду накопления энергии делится на источники с накопителями механической энергии (поз. В) и источники с накопителями электроэнергии (поз. Г). Каждая подгруппа подразделяется на несколько разновидностей.
Рис. 2.32. Классификация резервных источников питания электроэнергией:
1 —дизельные и бензиновые электроагрегаты; 2 — газотурбинные установки; 3 — турбинные установки; 4— электроагрегаты на базе топливных элементов, МГД-генераторов; 5 — электроагрегаты с инерционными маховиками; 6 — электроагрегаты с пневмогидравлическими аккумуляторами; 7 - аккумуляторные батареи; 8 — реактивные электрические элементы
Резервные источники без накопителей энергии. Для источников с первичными двигателями в качестве привода используются бензиновые (1—200 кВт), дизельные (20—2000 кВт) двигатели, агрегаты при мощности 500 кВт и выше, газовые и паротурбинные установки. По условиям поддержания непрерывности электропитания они могут быть использованы в режимах ненагруженного, нагруженного резерва, а также в режиме параллельной работы с основными источниками питания электроэнергии. При работе в режиме ненагруженного резерва перерыв электроснабжения определяется временем предпускового подогрева, запуска, вывода на рабочий режим и приема нагрузки. Для агрегатов, находящихся в прогретом состоянии нагруженного резерва, перерыв электроснабжения определяется временем подачи сигнала на пуск, вывода на рабочий режим и приема нагрузки.
Рис. 2.33. Резервный дизельный электроагрегат:
1 — первый электродвигатель; 2 —второй электродвигатель; 3 — нагрузочный генератор; 4 —вал; 5 —реле; 6 — вспомогательный генератор; 7 —дизельный двигатель; 8 — муфта; 9 — внешняя сеть; 10 — нагрузка
Рис. 2.34. Резервный источник с инерционным маховиком:
1 — внешняя сеть; 2, 3—автоматические выключатели; 4 — ответственные потребители; 5 — генератор; 6 — инерционный маховик; 7 — электродвигатель; 8 — электромагнитная муфта; 9 — двигатель внутреннего сгорания
* «Известия», 15 мая 1979 г. № 114 (19179).
Рис. 2.35. Резервные источники с незагруженной (а) и нагруженной (б) аккумуляторной батареей:
1— внешняя сеть; 2 — переключатель; 3 — потребитель; 4 — инвертор; 5 — выпрямитель; 6 — аккумуляторная батарея
С первой попытки общая продолжительность перерыва составляет около 10 с. Для некоторых потребителей недопустимы перерывы электроснабжения длительностью даже в сотые доли секунды. Для таких и аналогичных условий предлагается следующая схема электропитании (рис. 2.33) [29]. Система состоит из двух источников питания (основного и вспомогательного), нагрузочного генератора и двух электродвигателей. Первый электродвигатель соединен с внешней сетью, второй получает электропитание от вспомогательного источника.
В нормальном режиме ответственный потребитель получает электропитание от нагрузочного генератора, приводимого во вращение вторым электродвигателем. При отказе вспомогательного источника реле отключает электропитание второго электродвигателя от вспомогательной системы и нагрузочный генератор вращается первым электродвигателем.
К источникам прямого преобразования относятся системы с топливными элементами в качестве резервного источника для космических объектов.
Рис. 2.36. Резервный источник с непрерывным электропитанием потребителя от инвертора:
1, 3—5 — см. на рис. 2.35; 2 — аккумуляторная батарея
Резервные источники с накопителями энергии. Резервные источники питания электроэнергией с вращающимися генераторами обеспечивают высокую надежность, но при этом постоянно расходуется ресурс первичных двигателей, повышается стоимость систем резервного питания. Резервные источники накапливают энергию в нормальном режиме, а в аварийном возвращают ее в прямом или преобразованном виде.
В электроагрегатах с инерционным маховиком при нормальном режиме основного источника питания электроэнергией маховик приводится во вращение электродвигателем, питаемым от основного источника. В аварийном режиме потребители питаются от генератора, приводимого в движение за счет кинетической энергии маховика, который в течение короткого времени обеспечивает работу генератора. Для более длительного электропитания потребителей в аварийном режиме предусматривается подключение дизельного двигателя или электродвигателя с автономным источником питания электроэнергией. На рис. 2.34 приведена одна из таких систем.
В электроагрегатах с пневмогидравлическим аккумулятором в качестве накопителей применяется сжатый газ или жидкость, которые используются для первичного пневмо- или гидродвигателя, вращающего генератор электроэнергии.
Резервные источники с аккумуляторными батареями состоят из выпрямителей (электромашинных или полупроводниковых статических преобразователей), аккумуляторной батареи и (если это необходимо) преобразователей постоянного тока в переменный. В отношении поддержания непрерывности электропитания возможны схемы ненагруженного и нагруженного резерва и непрерывного питания от инвертора.
Рис. 2.37. Резервный источник с однотипными инверторами (а) и с параллельно работающими инверторными модулями (б):
1, 7 — независимые секции шин распределительного устройства; 2—5 — см. на рис. 2.35
Электропитание по схеме на рис. 2.35,а осуществляется от основного источника, аккумуляторная батарея непрерывно подзаряжается.
При прекращении питания от основного источника автоматически включается инвертор для питания потребителя от аккумуляторной батареи. Максимальная продолжительность перерыва электропитания при исчезновении напряжения сети 50 мс — 6 с.
Рис. 2.38. Резервный источник с применением накопителей механической и электрической энергии одновременно:
1 — основной источник электропитания; 2 — аналого-цифровой преобразователь; 3, 5, 12—автоматические выключатели; 4—аккумуляторная батарея; 5— вспомогательный генератор; 7 — регулятор частоты вращения электродвигателя постоянного тока; 8 — электродвигатель постоянного тока; 9 — генератор переменного тока; 10 — потребитель электроэнергии; 11 —электродвигатель переменного тока; 13 — маховик
Рис. 2.39. Резервный источник бесперебойного электропитания при резервировании питания от сети:
1, 8 — внешняя сеть; 2 — выпрямитель; 3 — инвертор; 4 — статический переключатель; 5 — аккумуляторная батарея; 6 — потребитель; 7 — трансформатор
Электропитание по схеме на рис. 2.35,6 осуществляется от сети основного питания, инвертор синхронизирован с основным источником и работает на холостом ходу. При выходе из строя основного источника нагрузка переводится на питание от предварительно заряженной аккумуляторной батареи.
Перерыв электропитания продолжается 15—40 мс. Схема резервного непрерывного электропитания от инвертора показана на рис. 2.36. В нормальном и аварийном режимах электропитание осуществляется от инвертора, который включен между основным источником и потребителем. При выходе из строя основного источника электропитание подается от аккумуляторной батареи. При непрерывном электропитании от инвертора обеспечивается высокое качество электроэнергии и независимость частоты и напряжения у потребителя от основного источника. Перерыва электропитания при отказе основного источника не происходит. Поскольку надежность статических инверторов ниже аккумуляторных батарей, предусматривают резервирование работающего инвертора однотипным, находящимся в режиме холостого хода и включаемым быстродействующим выключателем (рис. 2.37,а).
Для потребителей, требующих наивысшей надежности, используются схемы, предусматривающие несколько комплектов аккумуляторных батарей с зарядными устройствами и инверторами (рис. 2.37,б).
В некоторых резервных источниках для обеспечения большой надежности используются одновременно накопители механической и электрической энергии (рис. 2.38). В нормальном режиме работы потребитель питается от основного источника через электродвигатель переменного тока и генератор. При выходе из строя основного источника генератор вращается электродвигателем постоянного тока, который механически соединен с электродвигателем переменного тока и генератором. Имеется маховик для кратковременного вращения генератора. Электродвигатель постоянного тока в аварийном режиме получает питание от аккумуляторной батареи, заряд которой может осуществляться от аварийного дизельного электроагрегата, запускаемого на время аварии основного источника.
На рис. 2.39 приведена одна из таких схем.
Источники электроэнергии с реактивными элементами (конденсаторами) используются для резервирования небольших мощностей и электроэнергии и здесь не рассматриваются.
