Аварийно електрозахранване с дизелови агрегати част 3

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2015

Аварийно електрозахранване с дизелови агрегати част 3Аварийно електрозахранване с дизелови агрегати част 3

B първите две части на статията бяха представени основните компоненти на дизеловите електрически агрегати с акцент върху особеностите при употребата им като източник на аварийно електрозахранване.

Разгледани бяха дефинициите за номинална мощност в зависимост от режима на работа и влиянието на факторите на околната среда върху мощността на агрегатите, както и типични схеми на електрически уредби с агрегати за аварийно захранване и взаимодействието им с UPS системи. Тук ще се спрем на спецификите на възбудителните системи и влиянието на товарите върху пусковите процеси на електрозахранващите агрегати.

Възбудителни системи на дизелови агрегати
Безколекторното възбуждане предлага надеждност и простота на обслужването и много добри функционални и икономически показатели за диапазона на мощности, обичаен за агрегатите за аварийно захранване. Поради това този тип възбуждане практически няма алтернатива при съвременните агрегати от този вид. Системите за безколекторно възбуждане включват основните компоненти, показани на фигури 1 и 2.

Източник на възбудителния ток за синхронния генератор (СГ) е възбудителният генератор (ВГ). Двата генератора са монтирани на един вал. ВГ е също синхронна машина, само че обърната - котвената му намотка се намира на ротора, а възбудителната - на статора. Индуцираното в котвената намотка променливо напрежение се изправя от въртящ се изправител (ВИ) и се подава на възбудителната намотка на СГ. ВИ представлява диоден мост, монтиран също на вала на генератора.

Регулирането на възбудителния ток на СГ се реализира посредством изменение на възбудителния ток на ВГ, като за целта управляем изправител (УИ) се командва от регулатора на възбуждане (РВ) по обратна връзка (ОВ) по напрежение на изводите на СГ. Голямото предимство на безколекторното възбуждане е пълното отсъствие на подвижни електрически връзки – четкови апарати или колектори, които присъстват в другите системи на възбуждане.

Основните различия в схемите за безколекторно възбуждане се наблюдават основно при избора на източника на захранване на управляемия изправител. Двата основни варианта са генератор с постоянни магнити и схема със самовъзбуждане.

Схемата на безколекторно възбуждане с генератор с постоянни магнити (PMG, Permanent Magnet Generator) е показана на фиг. 1. PMG e малък генератор на променливо напрежение, също монтиран на общия вал. Предимството на тази конфигурация е независимостта на източника на възбудителен ток от напрежението на статора на генератора. То “пропада” най-много в два случая - при късо съединение и при заклинване на ротора на голям асинхронен двигател по време на пуск.

А точно в тези случаи е важно да се форсира възбуждането, така че генераторът да доставя достатъчно голям ток за достатъчно дълго време, така че защитите на повредения участък да го изключат, без да се загуби захранването на цялата уредба. Също така, управляемият изправител, захранван с PMG не е чувствителен към нелинейните изкривявания на напрежението в захранваната уредба.

При схемите със самовъзбуждане (фиг. 2) се спестява една въртяща се машина, каквато е PMG. Кратността на възбуждането по време на късо съединение може да се повиши чрез компаундиране. Източникът на захранване за компаундиране са токови трансформатори, монтирани на изводите на СГ. Те могат да добавят ток във възбудителната намотка на ВГ по два начина.

Единият е през отделен изправител, свързан последователно на УИ. При втория метод се използват ферорезонансни вериги, захранвани и от статорното напрежение, и от токовите трансформатори. Тези вериги захранват УИ, осигурявайки му относително постоянно захранващо напрежение. Поради сложността си, решенията с компаундиране се срещат обикновено при агрегати с голяма мощност.

Чувствителността на схемите със самовъзбуждане към хармониците идва от опасността от разсинхронизиране управлението на УИ. Този проблем се преодолява с добавяне на входящи филтри на УИ.

Общо взето, производителите на дизелови агрегати разработват и двата варианта на безколекторно възбуждане, като предлагат едното или другото решение в зависимост от конкретните изисквания.

Някои особености на регулаторите на възбуждане за дизелови електрически агрегати
Хармониците влияят също така и на точността на измерване на напрежението в обратната връзка. Системи, при които се измерва и усреднява напрежението и в трите фази на СГ, в много голяма степен решават този проблем.

И накрая, един специален закон за регулиране, който намира широко приложение при агрегатите, захранващи изолирани системи, каквито са тези за аварийно захранване.
Асинхронните двигатели, както ще стане дума и по-нататък, натоварват агрегата по време на пускането и развъртането си със значително по-голяма мощност и ток, отколкото в установен режим.

Когато мощността на асинхронните двигатели в захранваната уредба представлява значителна част от мощността на агрегата, това предизвиква съществено “пропадане” на напрежението и честотата, което след определена граница може изобщо да провали пускането на двигателите и да “събори” целия дизелов агрегат.

Ако обаче регулаторът на възбуждане се стреми да поддържа не постоянно напрежение на изводите на генератора, а такова, което е пропорционално на честотата, в момента на пропадане на честотата ще получим по-ниско напрежение. Тогава въртящият момент на асинхронните двигатели, който се явява спирачен момент за дизеловия двигател, се намалява и това благоприятства по-бързото набиране на мощност и обороти, тоест възстановяване на пропадането на честотата и паралелно с него пропадането на напрежението. Процесът е подобен на този при пускане на асинхронен двигател с понижено напрежение.

Така че регулатори на възбуждане с характеристика напрежение/честота 1:1 V/Hz и дори 2:1 V/Hz намират приложение при дизел агрегатите.

Анализ на товарите
Както отбелязахме, изчисляването на преходните процеси е трудна задача, която изисква отчитане на електрическите и динамични характеристики на товарите от една страна, и същите на дизеловия двигател, синхронния генератор и възбудителната система, от друга.

Решението на тази задача, при което се достига до количествена оценка на пропадането на честотата и напрежението в пусков режим, практически остава в полето на производителите на дизелови агрегати. За потребителя е важно да отчете правилно тази част от факторите, която е свързана с товарите, и да я предостави на доставчика, който да избере подходящата конфигурация.

От гледна точка на пусковите характеристики и нелинейните изкривявания е практично товарите да се групират примерно така:
• Двигатели (следва да се разглеждат заедно с пусковите си устройства).
• Осветителни товари: лампи с нажежаема жичка и халогенни лампи; луминесцентни лампи (с феромагнитен или с електронен баласт); газоразрядни лампи (с феромагнитен или с електронен баласт); LED лампи.
• Резистивни товари, отоплителни уреди и др.
• UPS
• Честотни регулатори, софтстартери, захранващи блокове и други електронни устройства, включващи полупроводникови изправители на входа си.

Най-ярки особености при включване демонстрират електродвигателите. Системите, които биха се захранвали от авариен дизелов агрегат, най-вероятно ще включват предимно асинхронни двигатели с кафезен ротор, доколкото синхронните двигатели и двигателите с навит ротор намират по-ограничено приложение и при големи мощности.

При директен пуск стойността на пусковия ток на асинхронния двигател достига 3-10 пъти номиналния ток, а факторът на мощността е от порядъка на 0,1-0,6. По-големите стойности са характерни за двигателите с по-малка мощност. Поради това едновременното пускане на група малки асинхронни двигатели с дадена сумарна номинална мощност е по-тежко за захранващата уредба, отколкото пускането на един голям двигател със същата мощност.

Големият стартов ток обуславя значителен пад на напрежението при включване и голяма пълна стартова мощност (kVA). Поради относително ниския фактор на мощността, кратността на активната стартова мощност не е толкова голяма, но също е значително по-висока от номиналната.

Падът на напрежението води до намаляване на въртящия момент на двигателите и това може да доведе до неуспешно развъртане, съпроводено с поддържане на голям ток на заклинил ротор, а оттам да се стигне до претоварване и изключване на целия агрегат. Може да се приеме, че границата на пада на напрежението, след която има опасност от такъв сценарий, е 30%.

Изобщо захранването от дизелов електрически генератор на товар, който се състои преобладаващо от асинхронни двигатели, е предизвикателство. От една страна, високите пускови мощности на двигателите изискват избор на преоразмерен агрегат, а от друга - съществува ограничение на натоварването на агрегата отдолу.

Дизеловите двигатели не функционират добре при продължителна работа с малък товар. Производителите посочват долно ограничение на товара от порядъка на 30% от номиналната мощност. Решението в тези случаи е или да се добавят и други типове товари към шините на агрегата, или да се използват подходящи стартови методи за двигателите.

Методите за пускане с понижено напрежение (звезда-триъгълник, автотрансформаторно или реакторно пускане, софт-стартер) значително облекчават дизеловия агрегат в началния момент на пуска. Същевременно, както е добре известно, прилагането на тези методи се ограничава от факта, че пониженият пусков ток върви заедно с понижен пусков момент.

Правилно подбраният стартов метод трябва да обезпечава положителна разлика между двигателния и спирачния момент във всеки един етап от развъртането и тази разлика да е достатъчно голяма, така че развъртането да приключи за достатъчно кратко време.

При прекомерно увеличаване на времето за развъртане се стига до термично претоварване както на двигателя, така и на електрическия генератор на дизеловия агрегат. Пускането с честотни преобразуватели осигурява най-плавен старт, в това число и на товари с голям спирачен момент, но пък е скъпо и освен това създава проблем с нелинейните изкривявания, към които дизеловите агрегати са особено чувствителни.

Както стана вече дума, използването на възбудителни регулатори с V/Hz характеристика е още един от методите за овладяване на пропадането на честотата и напрежението при пускане на асинхронни двигатели.

Разбиването на товарите на групи, които се пускат с известно закъснение една след друга, облекчава пуска и позволява по-малко преоразмеряване на агрегата. Подходящо е първо да се пускат по-големите товари.

Пропадането на напрежението по време на пуск на асинхронни двигатели може да повлияе и на други типове товари. Например може да предизвика загасване на газоразрядни лампи. Поради това, препоръчително е такива чувствителни към напрежението консуматори да се включват след развъртане на двигателите.

Резистивните товари имат практически постоянна мощност и висок фактор на мощността при пуск и при установен режим. Лампите с нажежаема жичка и халогенните лампи се доближават до тях, когато оценяваме влиянието им върху дизеловия агрегат, доколкото първоначалният им ток на включване, макар и с голяма амплитуда, е много краткотраен и не е нужно да се отчита. По същите съображения може да не се отчита и първоначалният ток на включване при газоразрядните лампи.

По отношение на нелинейните изкривявания обаче флуоресцентните и газоразрядните лампи с електронен баласт, LED лампите, както и, разбира се, всички електронни устройства с изправители, имат сериозно влияние, което следва да се отчита. Освен процентът на нелинейни изкривявания, при захранване на UPS от дизелов генератор е важно да се вземе предвид неговата пълна консумация.

Тя включва максималния товар на шините на UPS, разделен к.п.д. за пълното преобразуване AC-DC-AC плюс максималната зарядна мощност за батериите. При липса на каталожни данни за тази зарядна мощност, 15% от номиналната мощност на UPS може да се приеме като достатъчно консервативна оценка.

Влияние на нелинейните товари
Степента, в която хармоничните съставки на тока, генерирани от товарите, влияят върху напрежението, се определя от пада на напрежение върху съпротивлението на цялата уредба. А значителен дял в това съпротивление заема вътрешното съпротивление  на електрическия генератор.

То е доста по-голямо от еквивалентното съпротивление на електроенергийната система (включително с понижаващия трансформатор). Следователно, влиянието на нелинейните товари в една уредба, захранвана от дизелов агрегат, е по-голямо, отколкото при захранване от електроенергийната система. Когато се изследват кратните на 3 хармоници, се взема предвид съпротивлението с нулева последователност на генератора (х0), а за останалите хармоници - свръхпреходното (х"d).

Изкривяванията на захранващото напрежение влияят:
• Върху самия електрически генератор; той трябва да бъде оразмерен по ток, включващ и висшите хармоници и да има подсилена изолация.
• Върху възбудителната система на генератора, както вече стана дума.
• Върху останалите товари; някои от тях биха могли да са чувствителни към нелинейни изкривявания в захранващото напрежение.
• Върху фазовите и неутрални проводници на кабелите - и те трябва да бъдат оразмерени по ток, включващ и висшите хармоници.

Степента на влиянието на нелинейните товари зависи от процентното съотношение на мощността им спрямо общия товар. Наличието на по-голям линеен товар значително облекчава негативните последствия от нелинейните изкривявания.

Основните подходи за ограничаване на негативните влияния на нелинейните товари, приложими към уредбите, захранвани от дизелови генератори включват:
• Използване на индивидуални филтри на клемите на нелинейните товари.
• Присъединяване на нелинейни товари, генериращи кратни на 3 хармоници (като например осветителните кръгове с газоразрядни и луминесцентни лампи или компютърните товари) през разделителен трансформатор “триъгълник-звезда”.

Този метод също така дава и още една полезна възможност - уредбата да бъде разделена на две системи с различно заземяване на неутралата. Едната - IT с изолирана или заземена през съпротивление неутрала, директно захранена от шините на агрегата. От тази система е целесъобразно да се захранват отговорни трифазни двигатели. Тази система има по-висока надеждност, позволявайки работата на съоръженията да продължи при наличие на едно земно съединение в уредбата. Останалите консуматори, главно еднофазните, се захранват от трансформатора “триъгълник-звезда” чиято неутрала се заземява директно.

• Избор на електрически генератор с по-малко х"d. Практически това означава избор на генератор с по-голяма от необходимата мощност, т. е. преоразмеряване. Такова решение следва да бъде сравнено икономически с другите варианти.

Използването на общи паралелни резонансни филтри на шините на уредби, захранвани от дизелови генератори, не се препоръчва поради опасността от възникване на резонансни явления. Повече информация по въпросите, свързани с нелинейните изкривявания и борбата с тях, може да бъде намерена в материала “Хармоници в електроенергийните мрежи”, публикуван в бр. 1-3/2014 г. на списание Инженеринг ревю.

Top