Спосіб формування джерела аварійного резервного живлення і пристрій для його здійснення

Винахід відноситься до електротехніки, зокрема до систем аварійного електроживлення промислових і комунальних об'єктів при аваріях у системах електропостачання через кліматичні й інші впливи (ожеледь, пориви вітру великої потужності, повені і т.п.). Збитки від таких впливів, аварій винятково великі, причому поряд із прямими збитками від стихійних лих існують великі збитки від того, що через відсутність електроенергії можуть розвиватися екологічні, епідеміологічні наслідки. Вирішення питань аварійного енергоживлення можливо при установці аварійних резервних електростанцій -дорогого електромеханічного устаткування, яке використовується у виняткових випадках, знаходиться в стані гарячого резерву, обслуговується безперервно. В той самий час практично будь-яке підприємство в складі штатного устатк ування утримує енергосилове устаткування (тепловози, бульдозери, тягачі) з електромеханічною трансмісією, що включає тепловий двигун (внутрішнього згоряння), а також електричний генератор, автомобілі, трактори з дизельним чи карбюраторним двигунами. Підприємство також має пару електричних машин, що можуть виконувати роль генератора електричної енергії, перетворювачі напруги і часто ти, які використовуються в те хнологічних установках Причому, зважаючи на те, що найбільш розповсюдженими електричними двигунами на підприємствах є асинхронні двигуни, то пропонується використовува ти їх для генерування електричної енергії. Відомо технічне рішення використання асинхронних генераторів для вітряних і малих гідравлічних електростанцій [Итоги науки и техники. Серия "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии". Том 3. Генераторы для ветровых, малых гидравлических и приливных электростанций. ВИНИТИ, Москва 1992 г., с. 1933, 67-76]. Застосування асинхронних генераторів для цих типів електростанцій виявилось вельми ефективним з технічної та економічної точки зору. Недоліками цього способу є: - залежність від існуючих природних умов; - прив'язка генеруючих установок до особливостей місцевості. Це технічне рішення прийнято за аналог способу. Існує те хнічне рішення [Итоги науки и техники. Серия "Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии". Том 3. Генераторы для ветровых, малых гидравлических и приливных электростанций. ВИНИТИ, Москва 1992 г., с. 19-33] використання генеруючої установки з асинхронним генератором, що може забезпечити енергоспоживання споживачів, які віддалені від енергосистем або, за певних обставин, не можуть отримувати електроенергію від енергосистеми. Такою установкою є вітроелектричний агрегат, в якому використаний асинхронний генератор із самозбудженням. Недоліками цього технічного рішення є: - неможливість мобільного пересування генеруючої установки; - коливання швидкості обертання валу асинхронного генератора, що залежить від коливань напору вітру; - досить великий час розгону системи до синхронної швидкості. Даний винахід прийнято за прототип способу. Мобільність генеруючої установки може бути забезпечена при використанні в якості джерела енергії теплового двигуна транспортного засобу. Відоме технічне рішення із створення резервного джерела електропостачання на базі сільськогосподарського трактора [Комаров Д.Т., Молоснов Н.Ф. Резервные источники электроснабжения сельскохозяйственных потребителей, Москва, Энергопромиздат 1990 г., с.50-53]. Енергосилова установка створюється відповідно до технічного рішення на базі трактора з використанням спеціального синхронного генератора. Джерело живлення являє собою спеціальний блок, за допомогою якого реалізуються усі функції керування і захисту. Недоліками технічного рішення є: - використання спеціальної електричної машини (синхронного генератора), яка не використовується у виробничому процесі; - модуль із синхронним генератором застосовується (у силу конструктивних особливостей) тільки для одного типу виробничого механізму; - установку не можна віднести до класу оперативно формованих, тому що її функціональні можливості практично такі, що й у резервних станцій; - використання енергетичного модуля можливе тільки для одного типу виробничого механізму. Цей винахід прийнято за аналог пристрою. Відоме також технічне рішення [Пристрій, що використовується як агрегат аварійного електроживлення, патент ФРН № PS 3616961 НО219/00; B60R16/02, F02D 11/10], що дозволяє використовувати механічну енергію автомобіля для вироблення електричної енергії. При цьому, під час аварії автомобіль фіксується в нерухомому стані, встановлюється ведучими колесами на валки-ролики. Осі валків зв'язуються зі спеціальним генератором. При обертанні ведучи х коліс обертаються валки, і генератор виробляє енергію. Недоліками пристрою є: - обмеженість застосування, тому що пристрій застосовується для одного класу машин, наприклад, легкових, що мають визначений радіус ведучи х коліс; - пристрій являє собою виріб з обмеженими функціональними можливостями; - коефіцієнт корисної дії пристрою невеликий внаслідок того, що між двигунами внутрішнього згорання і генератором електроенергії є диференціальна передача, передача "колеса - валик", редуктор між валиком і генератором. Відоме технічне рішення прийнято за прототип пристрою. Метою даного винаходу є підвищення функціональних можливостей технологічного устаткування, розширення областей застосування та підвищення енергетичних і те хніко-економічних показників установок для резервного аварійного електроживлення. Винахід пояснюється кресленнями: Фіг.1 Пристрій формованого джерела електроживлення на базі легкового автомобіля. Фіг.2 Пристрій формованого джерела електроживлення на базі вантажного автомобіля. Фіг.3 Пристрій формованого джерела електроживлення на базі трактора. Фіг.4 Блок-схема пристрою формованого джерела аварійного електроживлення. Фіг.5 Алгоритм роботи пристрою формованого джерела аварійного електроживлення. Фіг.6 Алгоритм роботи блока контролю напруги силового ланцюга. Фіг.7 Алгоритм роботи блока контролю струму силового ланцюга. Фіг.8 Алгоритм роботи блока контролю частоти силового ланцюга. Фіг.9 Алгоритм роботи блока датчика швидкості вала генератора. Спосіб формування джерела аварійного живлення з використанням енергосилової установки транспортного засобу полягає в тому, що використовується генеруюча установка з асинхронним генератором, що може забезпечити енергоспоживання споживачів, які віддалені від енергосистем або, за певних обставин, не можуть отримувати електроенергію від енергосистеми, який відрізняється тим, що з метою підвищення мобільності системи електропостачання використовується відбір потужності від силової установки транспортного засобу, який може переміщуватись по місцевості. Реалізація заявленого способу ілюструється фігурами 1, 2, 3, де вал відбору потужності 2 (карданний вал) двигуна вн утрішнього згорання (ДВЗ) 1 транспортного засобу (ТЗ) (автомобіля, трактора), зафіксованого на естакаді або без неї, з'єднується муфтою з валом асинхронного двигуна (АД) 4, який встановлюється на платформі 3. Операції з формування джерела аварійного електроживлення зводяться до встановлення транспортного засобу в потрібне положення, закріплення АД з платформою в потрібному положенні та з'єднанні вала АД з валом відбору потужності. Установка асинхронного генератора (АГ) на платформі здійснюється в ході виконання заходу по забезпеченню стійкості підприємств або господарських побудов до стихійних лих. Пристрій, що реалізує спосіб формування джерела аварійного живлення відповідальних споживачів, базується на основі транспортного засобу. Під час аварії транспортний засіб направляється на вказане місце, що знаходиться поряд із споживачем електроенергії, та фіксується в нерухомому стані для подальшого відбору потужності, який відрізняється тим, що містить двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) 1 транспортного засобу; блок узгодження механізмів 2, що зв'язує вал відбору потужності транспортного засобу з асинхронним двигуном 3; комутуючий апарат 4 на виході асинхронного двигуна, тиристорний регулятор ємнісного струму (ТРЄС) 5; да тчики напруги мережі живлення 6, керуючого струму мережі живлення 7, частоти мережі живлення 8; збірні шини з комутуючими апаратами 9 для комутації споживачів електричної енергії; систему імпульсно-фазового керування (СІФК) 10; генератор імпульсів керування регулятором 11; блок керування і захисту 12; датчик швидкості обертання вала теплового двигуна 13; блок живлення системи керування 14. Вихідний вал теплового двигуна через блок узгодження механізмів зв'язаний з валом асинхронного генератора; вихід асинхронного генератора з'єднаний через комутуючий апарат і датчик струму розподільними шинами, вихід тиристорного регулятора ємнісного струму зв'язаний з вихідними затискачами комутуючого апарату; тиристори регулятора ємнісного струму керуються системою імпульсно-фазового керування, синхронізованою з напругою на виході тиристорного регулятора ємнісного струму; керуючі ланцюги тиристорів додатково підключені до виходів генератора імпульсівкерування регулятором, виходи датчиків швидкості обертання вала теплового двигуна, напруги, струму і частоти мережі живлення підключені до другого, третього, четвертого і п'ятого входів блоку керування і захисту; живлення системи імпульсно-фазового керування тиристорами здійснюється від мережі асинхронного генератора; напруга мережі також підключена до генератора керуючих імпульсів; вихіди блоку керування зв'язаний з керуючим входом системи імпульсно-фазового керування; з керуючим входом ДВЗ; з комутуючими апаратами споживача електричної енергії, крім того, ви ходи автономного аварійного джерела живлення зв'язані з входами генератора керуючих імпульсів і входом блока керування, причому напруга живлення на вході генератора керуючих імпульсів знімається з входів генератора при досягненні напруги на виході генератора, рівної номінальній, живлення блоку керування здійснюється від аварійного джерела живлення чи дублюється напругою живлення від резервного джерела. Алгоритм роботи пристрою формованого джерела аварійного електроживлення приведений на фігурі 5·. Блок-схема пристрою формованого джерела аварійного електроживлення показана на фігурі 4 і працює наступним чином. Запускається ДВЗ. Через блок узгодження механізмів АГ розганяється до номінальної швидкості. АГ являє собою асинхронний двигун з короткозамкненим ротором. Номінальну швидкість контролює датчик швидкості вала. В якості датчика швидкості вала може використовува тись тахогенератор (ТГ) постійного чи змінного струму, який задовольняє наступні вимоги: - лінійність перетворення вхідного значення швидкості вала ДВЗ в пропорційне значення напруги; - діапазон швидкостей, що забезпечує нормальну роботу при максимальній швидкості обертання вала ДВЗ; - збудження ТГ відбувається за допомогою постійних магнітів, що забезпечує відсутність пристроїв для живлення обмотки збудження. Сигнал з датчика швидкості вала поступає на блок керування і захисту, який за допомогою зворотного зв'язку 9 регулює кількість обертів ДВЗ. Система керування і захисту може бути виконана на базі стандартного промислового комп'ютера з пристроєм входу/виходу. Вимоги до комп'ютера: - процесор 486 SX/66 МГц; - пам'ять: ОЗУ - 8 Мбайт; - жорсткий диск - 1 Гбайт; - можливість набору портів входу/виходу: встановлення плат з розширенням ISA/PCI; - захисний корпус ІР52; - автономна система живлення від акумуляторних батарей. Пристрій аналогово-цифрового входу/виходу. Вимоги: - 12-розрядний цифро-аналоговий перетворювач (аналогово-цифровий перетворювач); - 50000 відліків за секунду; - 24 канали цифрового входу/ви ходу. Коли w ген досягає wном блок керування і захисту подає керуючий сигнал на вмикання комутуючого апарату 4. В цей момент часу генератор імпульсів керування регулятором, що одержує живлення від блоку живлення системи керування, подає керуючі імпульси на відкривання тиристорів 1-6 тиристорного регулятора напруги (ТРН) блока ТРЄС. Тиристори відкриті, відбувається самозбудження АГ за допомогою робочих ємностей блоку тиристорного регулятора ємнісного струму. Самозбудження асинхронного генератора відбувається наступним чином. При обертанні ротора асинхронного генератора в обмотці статора потоком залишкового магнетизму індукується залишкова ЕРС Езал, що створює в конденсаторі струм Іс. Цей струм протікає по обмотці статора, підсилюється, за рахунок індукованої в генераторі ЕРС Ег, і струм конденсатора зростає. Перехідний процес самозбудження асинхронного генератора в обмотках статора продовжується доти, доки напруга U г, не стане рівною напрузі на конденсаторі Uс. Цю умову можна виразити у вигляді рівності опорів Xc = X1 + X m (де X1 - індуктивний опір статора, Xm - індуктивний опір контуру намагнічування, Xc - ємнісний опір конденсаторів), звідки ємність, необхідна для збудження асинхронного генератора при заданій частоті: 1 С поч = ( 2 × p × f )2 (L 1 + L m ) де L1 - індуктивність статора; Lm - індуктивність контуру намагнічування; f1 - частота струм у статора. Ємність, необхідна для одержання номінальної напруги асинхронного генератора при підключенні до генератора активно-індуктивного навантаження визначається з виразу: Р ( tgjг + tgj н ) Сроб = ном (2p × f1 × m1 × U2 ) c де Рном - потужність, що віддається генератором; Uс -напруга на конденсаторах; m1 -число фаз; j г і j н - кути зсуву фаз між напругами Uг = Uс і струмами статора генератора і навантаження. Згідно з цим, ємність пристрою конденсаторного збудження асинхронного генератора повинна дорівнювати сумі ємності початкового збудження Споч , необхідної для початкового самозбудження АГ у режимі холостого ходу, і робочої ємності С роб , необхідної для компенсації навантаження споживачів, що підключаються. Генератор імпульсів керування регулятором структурно являє собою систему імпульсно-фазового керування, що генерує імпульси відпирання з постійним кутом відкривання, який дорівнює a = 0° . Завдяки цьому процес самозбудження асинхронного генератора здійснюється при повністю підключеній ємності регулятора. Подальше керування тиристорами здійснюється від СІФК при відключеному генераторі імпульсів керування регулятором. Система живиться від блоку живлення системи керування і захисту, який представляє собою стандартну акумуляторну батарею використовуваного транспортного засобу. В якості регулятора ємнісного струму збудження АГ використовується трифазний імпульсний перетворювач змінної напруги на базі тиристорних або транзисторних симетричних ключів змінного струму [Руденко В.С., Сенько В.И., Трифонюк В.В. Основы промышленной электроники. - К.: Ви ща шк. Головное изд-во, 1985. - 400с.]. У момент часу, коли напруга генератора Uген стає рівною (0,85 - 0,9)Uном (ця величина контролюється блоком датчика напруги та блоком керування і захисту) блок генератора імпульсів керування регулятором відключається, вмикається СІФК, яка керує ТРН, що регулює тривалість імпульсів відкривання тиристорів, тим самим контролює ємнісний струм збудження АГ. СІФК являє собою аналоговий або цифровий пристрій, який дозволяє регулювати кут відкривання тиристорів 1-6 ТРН в відповідності з сигналом з блоку керування і захисту. Принцип побудови СІФК викладений в [Терехова В. М. Элементы автоматизированного электропривода. - М.: Энергоатомиздат 1987. - 224с.] В якості датчиків напруги (ДН) використовуються трансформатори напруги. ДН застосовуються для перетворення високої напруги в пропорційну їй низьку стандартну напругу, зручн у для вимірювання. Виконання ДН стандартне [Чунихин А. А. Электрические аппараты: Общий курс. Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 720с.]. Алгоритм роботи блока контролю напруги силового ланцюга показаний на фігурі 6. Напруга на виході генератора зростає до номінальної, і система управління підтримує її на постійному рівні. Блок управління і захисту підключає споживачів 9 за допомогою комутації апаратів 9-1, 9-2. Під'єднане навантаження на шини джерела розмагнічує магнітну систему АГ, відбувається падіння напруги на виході АГ. Відповідно до цього блок управління і захисту подає сигнал на блок СІФК по лінії зв'язку 8 на зменшення кута відкривання тиристорів, відбувається збільшення ємнісного струму збудження і зростання напруги на ви ході АГ. При падінні частоти ви хідної напруги нижче номінальної, блок управління і захисту подає сигнал через зв'язок 9 на збільшення частоти обертання валу ДВЗ доти, доки швидкість АГ не досягне wном , а, відповідно, частота вихідної напруги - часто ти f ном . В якості датчика частоти (ДЧ) може використовуватись стандартний датчик частоти, який повинен відповідати наступним вимогам: - діапазон вимірюваної частоти в межах 0-100Гц; - похибка вимірювання не більше 0,1%. Структура побудови датчика частоти (ДЧ) представлена в [Горлач А.А., Минц М.Я., Чинков В.Н. Цифровая обработка сигналов в измерительной технике. - К.: Техніка 1985. - 151с.] Алгоритм роботи блока контролю частоти силового ланцюга показаний на фігурі 8. Датчик струму контролює струм, що споживається блоком 9. В якості датчика струму використовують трансформатор струму. Він необхідний для вимірювання струму в колі високої напруги. Трансформатор струму перетворює струм первинного ланцюга в пропорційну стандартну величину стр уму вторинного ланцюга. Номінальний вторинний струм трансформатора струму приймають рівним 5А. Виконання ДС стандартне [Чунихин А.А. Электрические аппараты: Общий курс. Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1988. -720с.]. Алгоритм роботи блока контролю струму силового ланцюга приведений на фігурі 7. При виборі датчиків струму і напруги можна зупинитись на датчиках фірми LEM серії СТ - датчики струм у і C V - датчики напруги, які задовольняють всі поставлені перед системою вимоги. У випадку перевищення значення струму, що споживається, більше значенням Imax , який задається системою керування, блок управління і захисту відключить менш відповідального зі споживачів. При використанні системи досягається: - підвищення функціональних можливостей технологічного устатк ування; - розширення областей застосування формівних джерел аварійного живлення; - підвищення енергетичних і те хніко-економічних показників установок для резервного аварійного електроживлення. Корисність винаходу полягає в його застосуванні при ліквідації наслідків стихійних лих і технологічних аварій, попередженні дальшого розвитку катастрофи, що не рідко стосується людського життя.