567_Kozljaev_JU._D._SAbornik_zadach_i_uprazhnenij_po_kursu_EHlektropitanie_

Кs

1.0

Км(вых)=0.8

0.6

Рис. 2.3. Нагрузочные характеристики источников с Км НОМ = 0.7 и Км НОМ = 0.8 при линейных активно-индуктивных нагрузках

Значения Км(вых) современных источников напряжения инверторного типа близки к значениям 0.7…0.8.

При работе источника на комплекс разнотипных нагрузок (линейных, нелинейных) вводят понятие эквивалентной нелинейной нагрузки, под чем понимают комбинированное включение 50 % линейной активно-индуктивной нагрузки с Км = Км(вых) и 50 % нелинейной нагрузки, представляющей неуправляемый диодный выпрямитель с емкостным фильтром (значение емкости С 2.5 мкФ/Вт, коэффициент амплитуды тока Ка = 3). Коэффициент передачи мощности для таких нагрузок не превышает значения Кs = 0.7.

2.7. Перегрузочные характеристики источников (ПХИ)

ПХИ определяют способность источника передавать в нагрузку большие токи при гарантировании определенного качества параметров выходного напряжения. ПХИ существенно зависят от природы источника. Так электрохимические источники (например, аккумуляторы кислотного типа) имеют весьма малое внутреннее сопротивление, поэтому кратность максимального тока по отношению к номинальной (рассчитанной на нормальный режим работы) может превышать значений К = 50…100. Вторичные источники питания на основе преобразователей (выпрямителей, инверторов) критичны к перегрузкам, как по величине кратности тока, так и по допустимому времени перегрузки. Для предупреждения отказов полупроводниковых приборов в таких устройствах предусматривается контроль и «принудительное» ограничение тока с помощью цепей управления с отрицательной обратной связью по току. Это обеспечивает работоспособность перегруженного источника при некотором снижении качественных показателей (точности поддержания выходного напряжения, коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения и др.). Так например, источник напряжения инверторного типа с номинальной мощностью 5 кВА при рабо-

42

те на нелинейную нагрузку 4 кВА, имеет коэффициент искажения синусоидальности напряжения Кu = 5%. При увеличении нагрузки до 5.2 кВА, коэффициент искажения возрастает вдвое .

3. Источники переменного тока

А. Первичные источники

Первичным источником переменного тока является синхронный генератор (СГ). СГ преобразует механическую энергию вращения ротора (рис. 2.4) в электрическую, возбуждаемую магнитным полем ротора в неподвижных статорных обмотках генератора. Работа СГ основана на законе электромагнитной индукции, согласно которому напряжение, возбуждаемое в статорных обмотках пропорционально числу витков обмоток (W) и скорости изменения магнитного потока, «сцепленного» с ними. Ротор приводится во вращение движителем под воздействием потоков воды, пара, воздуха продуктов сгорания топлива и др. Соответственно, генерирующие устройства называют гидрогенераторами, парогенераторами, ветрогенераторами, дизельными и т. д.

Конструктивно ротор и обмотки статора выполнены таким образом, чтобы при его вращении потокосцепление с обмотками изменялось по синусоидальному закону. Число пространственно распределенных выходных обмоток определяет число фаз генерируемого напряжения СГ. ЭДС генератора и её частота описываются уравнениями:

где Фm = Фо + Фрег ‒ амплитуда магнитного потока (регулируется схемотехническими средствами), Ф 0 ‒ остаточный магнитный поток ферромагнитного ма-

териала, n ‒ частота вращения ротора, k1, k2 ‒ коэффициенты пропорциональности, обусловленные конструкцией ротора.

Напряжение на выходных зажимах нагруженного генератора зависит от внутреннего сопротивления генератора, величины и характера нагрузки. Поддержание напряжения на нормативном уровне обеспечивается системой автоматического регулирования [1].

В системах общего электроснабжения энергия объединенных в рабочую группу ряда СГ через цепочку трансформаторных подстанций и линий электропередачи подается потребителю. Поэтому непосредственно для потребителя источником энергии переменного тока является конечная трансформаторная подстанция (ТП). Мощность, ЭДС источника, его внутреннее сопротивление Zi и, соответственно, внешняя характеристика определяются трансформатором ТП и параметрами токораспределительной сети от трансформатора до точки подключения потребителя.

43

Рис. 2.4. Функциональная схема генерирования электрической энергии

ссинхронным генератором (а) и эквивалентная схема источника (б)

Вавтономных системах на основе дизель-генераторов названные параметры определяются непосредственно генератором. Так как параметры электрической энергии жестко нормируются стандартами, то из (2.4) и уравнения внешней характеристики источника (2.3) следует, что для поддержания Е или U и частоты f на требуемом уровне необходимы системы управления потоком кинетической энергии (скоростью вращения ротора) и регулирования величины Фm в зависимости от величины мощности и характера нагрузки.

Для потребителей с мощностью свыше 2 кВт, как правило, используют трехфазные источники переменного напряжения, представляющие комбинацию трех однофазных источников с одинаковой величиной эдс, различающихся по фазе на 120 эл. град. При соединении источников (выходных обмоток генератора или трансформатора ТП) по схеме «звезда» (рис. 2.5) с отводом от общей точки потребитель имеет возможность получать линейные или фазные напря-

жения, различающиеся в 3 раз. Отечественными стандартами определены уровни напряжений Uл = 380 В, Uф = 220 В.

К особенностям трехфазных источников относится:

1. При равномерной (симметричной) загрузке трех фаз линейными потребителями ток в нейтральном проводнике (IN) равен нулю.

2. В случае неравномерной загрузки фаз ток IN 0 , его величина зависит от степени разбаланса фазных нагрузок.

3. При нелинейных фазных нагрузках ток IN 0 и при определенных условиях может превышать ток в фазных проводниках в 1.73 раза.

4. Суммарная мощность трехфазного источника равна сумме мощностей трех фаз. При одинаковой загрузке фаз S = 3Sф, Р = 3Рф.

44

A B C

Рис. 2.5. Соединение обмоток трансформатора по схеме «треугольник-звезда с выводом нейтрали» и векторная диаграмма эдс выходных обмоток

Еа, Еb, Еc ‒ фазные эдс, Еab,Еbc, Еca ‒ линейные эдс

Б. Вторичный источник переменного тока

Вторичным источником является преобразователь энергии постоянного напряжения или двухкаскадный преобразователь переменного напряжения СОЭ в переменное напряжение для питания потребителя. На основе таких устройств строятся источники или установки бесперебойного питания (ИБП/УБП) ответственных потребителей.

Для маломощных потребителей (не более 300…500 Вт) выпускаются ИБП с прямоугольной формой полуволны напряжения и с регулируемой длительностью импульсов. ИБП большой мощности имеют выходное напряжение синусоидальной формы. Возможности ИБП по мощности принципиально ограничены технологическими и технико-экономическими факторами, поэтому нормативные электрические характеристики и показатели обеспечиваются при определенных условиях их загрузки (п. 2.2...2.4).

4.Источники постоянного тока

4.1.Аккумуляторы, аккумуляторные батареи свинцового типа. Эксплуатационные характеристики аккумуляторов

Аккумуляторы преобразуют потенциальную энергию химически активных элементов в электрическую. Аккумуляторы способны запасать энергию, хранить её в течение длительного времени. Аккумуляторный элемент состоит из пары химически активных электродов, помещенных в сосуд, заполненный электролитом. Распространены технологии изготовления аккумуляторов, в которых электролитом пропитаны изолирующие сепараторы, разделяющие положительные и отрицательные пластины. В промышленных приложениях наибольшее распространение получили свинцовые аккумуляторы. Положительным электродом аккумулятора служит двуокись свинца (PbO 2 ), отрицательным – чистый свинец (Pb), электролитом ‒ водный раствор серной кислоты (H2SO4+H2O) [2]. Электроды выполнены в виде пластин с большой площадью

45

рабочей поверхности. Электрическая емкость аккумуляторов пропорциональна площади пластин. Соответственно, размеры и масса пластин жестко определяют емкость аккумулятора. При разряде аккумулятора активная масса пластин (Pb, РbO2) превращается в пассивную массу (PbSO4), способную при заряде восстанавливать активные свойства. При нарушении рекомендуемых разработчиком условий эксплуатации аккумуляторов обратимость химической реакции при заряде/разряде может быть нарушена, частично или полностью.

Напряжение элемента относительно невелико. Для получения необходимого для потребителя напряжения элементы собирают (соединяют последовательно) в батареи.

Из большого числа эксплуатационных характеристик аккумуляторов ниже приводятся наиболее востребованные на практике.

1.Электродвижущая сила аккумуляторного элемента или напряжение на за-

жимах ненагруженного элемента: Еэл 0.85 + d [B], где d ‒ плотность электролита при температуре 200 С. У заряженного аккумулятора d = 1.21…1.25 кг/л (в зависимости от конструкции аккумулятора), соответственно, Еэл = 2.06…2.1 В. При полном разряде аккумулятора плотность электролита снижается до значе-

ния d = 1.0.

2.Напряжение аккумуляторного элемента при разряде: U = Eэл-I·Ri, где Ri ‒ внутреннее сопротивление элемента. Величина Ri зависит от размеров и конструкции пластин, плотности электролита. Величина сопротивления заряженного элемента типа OPzS емкостью 1000 А.ч составляет 310 4 Ом. При полном разряде аккумулятора величина сопротивления практически удваивается. Из-за малого сопротивления Ri величина тока короткого замыкания может быть очень большой. Для названного выше типа аккумулятора в зависимости от сопротивления цепи Iкз ≈3500...7000 А.

3.Номинальная электрическая емкость, определяемая количеством электричества (С = ITр [А.час]), которое заряженный аккумулятор способен отдать в нагрузку при оговоренных производителем условиях разряда (ток разряда (I), время разряда (Тр), температура электролита или окружающей среды). Обычно,

для определения Сном принимается Тр = 10 час при температуре электролита 200 С и конечном напряжении разряда элемента Uкр = 1.8 B. Соответственно, ток 10-часового разряда называют номинальным и обозначают Iном или IC10, а номинальную емкость обозначают индексом С10. При интенсивном разряде аккумуляторов большим током, конечное напряжение разряда может быть ниже значения Uкр = 1.8В (табл. 2.1).

4.Коэффициент отдачи по емкости Кс = Cр/Cном, где Ср ‒ количество электричества, полученное в условиях отличных от номинального режима. При времени разряда Тр < 10 час, Кс < 1.0. Снижение отдаваемой емкости при «коротких» режимах разряда объясняется интенсивным образованием на поверхности пластин аккумулятора панциря из сернокислого свинца (PbSO4), затрудняющего участие в химической реакции внутренних фрагментов активной массы пластин. В табл. 2.1 приведены типовые значения Кс = f(Тр).

46

Табл.2.1. Приближенная зависимость коэффициента отдачи аккумулятора, допустимая величина напряжения элемента в конце разряда*

5. Отклонение температуры электролита от номинальной (200 С) вызывает изменение емкости аккумулятора. При уменьшении температуры снижается активность химических реакций, соответственно, емкость аккумулятора уменьшается: Сt = С20º/(1– (20 t) ), где 0.008 1/ºС ‒ температурный коэффициент емкости. Например, при t = 0 0 С и t = –200 С отношения Сt/С20º равны 0.862

и0.76, соответственно.

6.Для определения емкости аккумулятора (номинальной или паспортной) необходимо учитывать комплекс условий: ток разряда (Ip), температуру среды окружения (t), время разряда (Тр), иные особенности, отмечаемые производителем в паспорте аккумулятора:

С учетом деградации батареи из-за неизбежной потери воды из раствора электролита (потери составляют до 20 % за период эксплуатации 10…15 лет) при проектировании систем электропитания Сном выбирают на 20 % больше С10 , что учитывается в выражении (2.5) множителем 1.2.

7. При хранении аккумуляторы склонны к саморазряду. Допустимый срок и условия их хранения без подзаряда регламентируется разработчиком аккумуляторов и, как правило, не превышает 3…6 месяцев.

8. Для получения напряжения источника постоянного тока высокого напряжения аккумуляторные элементы соединяют последовательно. Батарея из «N» элементов имеет эдс Ебат = ЕэлN; внутреннее сопротивление Ri(бат) = Ri(эл)N. Для ориентировочных оценок можно принимать Еэл = 2В, Ебат = 2·N B. Например, для построения батарей с напряжением U1 = 60 В и U2 = 360 В, требуемое число элементов составит: N1 = 30 и N2 = 180, соответственно.

9. Рабочее напряжение на зажимах элемента/батареи зависит от режима их работы и величины тока:

При заряде батареи током Iз: Uбат = Eбат + IзRi(бат).

При разряде током Iр: Uбат = Eбат ‒ IрRi(бат).

_________________________________________________________________

*Снижение напряжения ниже указанных значений Uкр приводит к деградации пластин аккумулятора (то есть к нарушению обратимости химической реакции, эквивалентной потере активной массы химических элементов).

47

10. Допускается параллельное включение нескольких однотипных аккумуляторных групп батарей (Nгр) для увеличения результирующей емкости. Номинальная емкость отдельной группы определяется из условия Сном(гр) ≥ Сном/Nгр. Батареи разных производителей даже при одинаковой номинальной емкости могут отличаться значениями Е и Ri, что неизбежно проявится через 4…6 лет их эксплуатации в виде непредвиденного снижения отдаваемой емкости.

11. В нормальном режиме работы установки электропитания эксплуатация батарей проводится в режиме непрерывного (буферного) подзаряда напряжением Uбуф = NUэл(зар) ± 1 %, где Uэл(зар) ‒ напряжение элемента в конце заряда батареи (порядка 2.35...2.4 В). Отклонение напряжения подзаряда на ± 2 % (в том числе за счет пульсаций) уменьшает срок службы батареи на 20 %.

12. Напряжение подзаряда должно корректироваться в зависимости от температуры окружающей среды. Температурный коэффициент коррекции составляет пз 0.008В /0 С . В качестве примера табл. 2.2 иллюстрирует зависи-

мость величины напряжения буферного подзаряда батареи из 24 элементов ти-

па OPzS (Uэл = 2.23 В при Т = 20 0 С ).

Табл. 2.2.

4.2. Общие характеристики промышленных аккумуляторов

А. Номинальные «ряды» аккумуляторов

Классический аккумулятор (OPzS) (со свободным электролитом, обслуживаемые, вентилируемые) [3].

Типовой ряд номинальных значений емкости аккумуляторов: 200, 250, 300,

350, 420, 490, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1375, 1590, 1680,1910, 2040, 2150, 2240, 2470, 2600, 2710, 2800, 3150, 3360, 3500, 4000, 4500, 5000, 6000

…12000 А.час. Удельная емкость с 14...18А.час / кг , плотность электролита 1.24 г/см 3 , масса электролита составляет 25…30 % от общей массы элемента.

Герметизированные аккумуляторы с клапаном избыточного давления

(OPzV), выполненные по технологии АGM (необслуживаемые, электролит адсорбирован в стекловолокнистом сепараторе, разделяющем пластины). Индекс V в обозначении серии подчеркивает наличие клапана VRLA (Valve Regulated Lead Acid) для защиты от избыточного внутреннего давления, способного разрушить корпус аккумулятора при неправильной эксплуатации.

Типовой ряд аккумуляторов включает элементы с емкостью от 200 до 3000 А.час и модулей с напряжением 12 В (Сном = 22…79 А.час.), с напряжением 6 В (Сном = 100…165 А.час.) и с напряжением 4 В (Сном = 100…230А.час) [4].

48

Аккумуляторы с желеобразным электролитом, герметизированные ‒

необслуживаемые, с клапаном избыточного давления. Электролит смешан с кремний‒содержащим наполнителем в виде густого геля (желе), что исключает текучесть электролита и допускает размещать элементы с емкостью до 1500 А.час в горизонтальном положении. Типовой ряд аккумуляторов ограничен максимальной емкостью 3000 А.час [5]. Для примера в приложении П.1 приведены справочные параметры ряда типов аккумуляторных модулей .

Б. Алгоритм выбора аккумуляторной батареи (АБ)

В соответствии с расчетным выражением (2.2) исходными данными для расчета параметров АБ для систем бесперебойного питания оборудования при отказах первичных источников являются:

а) электрические параметры: номинальное напряжение батареи, суммарная величина тока потребления от аккумуляторной батареи (ток разряда батареи) Ip и время разряда (Тр); б) температура окружающей среды;

в) справочные параметры температурной зависимости емкости от температуры и отдачи емкости от времени разряда. Номенклатура аккумуляторов и их справочные параметры; г) дополнительные условия (число групп АБ, условия обслуживания).

4.3. Примеры задач по теме раздела 4.1

ПРИМЕР 1. Определить параметры АБ с номинальным напряжением U = 48 В. Ток аварийного разряда батареи (при отказе сети) 250 А, время аварийного разряда 5 час, число параллельных групп Nгр = 2. Аккумуляторы необслуживаемые, температура в аккумуляторном помещении может меняться от –10 до +30º С.

Решение:

1.Необходимое число элементов каждой из параллельных групп аккумуляторных батарей:

Nэл = Uном/Uэл(ном) = 48/2 = 24.

2.Величина емкости разряда двух групп батарей:

Ср = Iр·Тр = 260·5 = 1300 А.час.

3.Емкость разряда одной группы: Ср.гр = Ср/Nгр = 1250/2 = 650А.час.

4.С учетом эффекта деградации АБ за период 10...12 лет необходимую величину емкости разряда следует увеличить на 20 %. Коэффициент отдачи емкости при Тр = 5 час. равен Кс = 0.7 (табл. 2.1), температурный коэффициент α = 0.008.

По формуле 2.5 рассчитываем необходимую величину емкости группы при заданных условиях:

5. Из справочной таблицы П.1.2 выбираем аккумулятор с рекомбинацией газа (необслуживаемый) типа 12 OPZv-1500 с номинальной емкостью С10 = 1500 А.час.

ПРИМЕР 2. Аккумуляторная батарея из элементов типа 12 OPZv-1500 состоит из одной группы последовательно соединенных элементов (см. предыдущий пример). Определить время разряда, величину ЭДС заряженной батареи, максимальное и минимальное напряжение батареи при переходе из режима содержания (буферного подзаряда) в режим разряда током Iр = 0.1Сн. При определении ЭДС принять значение плотности электролита d = 1.24.

Определите напряжение на зажимах потребителя и допустимое значение суммарных потерь мощности в цепи при условии: потери напряжения в цепи питания составляют 4 % от величины Ебат(ном).

Решение:

1.По формуле, представленной в разделе 2.3.1, п. А, находим ЭДС элемен-

та: Еэл = 0.85 + d = 0.85 + 1.24 = 2.09 B.

Величина ЭДС батареи: Ебат(ном) = Еэл·N = 2.09·24 = 50.16 B.

2.В буферном режиме (режим подзаряда) напряжение элемента батареи равно 2.35 В, следовательно: UАБ(буф) = Uэл(буф)N = 2.35·24 = 56.4 B.

3.Напряжение элемента в конце разряда равно Uэл(кр) = 1.8 В, соответственно: UАБ(кр) = 1.8·24 = 43.2 В.

4.Так как номинальная емкость выбранного типа аккумулятора Сн = 1500

А.час, ток разряда Ip = 0.1Cн = 150 A, то расчетное время разряда Тр = Сн/Iр = 10 час.

5. Суммарное сопротивление цепи передачи энергии (сопротивлений проводов, соединительных контактов, защитных устройств, внутреннего сопротивления батареи) при Uц = 0.04Ебат = 50.16·0.04 = 2.006 В не должно превышать величины:

Rц = Uц/Ip = 2.006/150 = 0.0134 Ом.

Заметим, что внутреннее сопротивление батареи при t = 20º C составляет величину Ri (бат) = Ri(эл)· Nэл = 0.28·10¬³·24 = 6.72 ·10¬³ Ом. Следователь-

но, допустимое сопротивление цепи передачи энергии от батареи к нагрузке (RL) не должно превысить значения RL = Rц–Ri(бат) = 6.662·10¬³ Ом.

ПРИМЕР 3. Аккумуляторный модуль с номинальным напряжением 12 В является элементом устройства бесперебойного питания (Unterruptive Power System-UPS) компьютера. Определите необходимую номинальную емкость аккумулятора, достаточную для завершение вычислительных операций и сохранения данных при внезапном отказе сети. Необходимое время резервирования Тр = 10 мин. (0.17 час.), мощность потребления компьютером P = 400 Вт. КПД устройства сопряжения аккумулятора с компьютером (инвертора напряжения) ηи = 0.8. Конечное время разряда элемента батареи принять Uкр = 1.6 В. Коэффициент отдачи емкости аккумулятором при Тр ≈ 10 минут принять равным Кс = 0.25 [6].

50