Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основные сведения и классификация электрогенерирующего оборудования локальных и автономных транспортных систем электроснабжения при наличии звена с нестандартной частотой генерируемого напряжения 11
1.1. Локальные системы электроснабжения состояние и перспективы 11
1.2. Краткая характеристика современного состояния отечественного оборудования ЛСЭ и перспективы его дальнейшего развития 14
1.2.1. Первичные двигатели ЛСЭ 14
1.2.2. Электрогенерирующее оборудование ЛСЭ 16
1.2.3 Анализ элементной базы для построения источников питания с промежуточным звеном повышенной частоты 21
1.2.5 Преобразователи частоты для ЛСЭ 33
1.3. Структурные схемы электрогенерирующих комплексов сосниженным расходом первичного топлива для ЛСЭ 41
Выводы по главе 1 51
ГЛАВА 2. Составные многоуровневые инверторы тока на базе N- мостовых схем с бестрансформаторным суммированием выходной мощности для ЛСЭ 53
2.1 Вывод основных аналитических соотношений для режима короткого замыкания в базовом модуле многомостового преобразователя частоты 68
2.2. Аварийные режимы в многоуровневых автономных инверторах тока с конденсаторным суммированием мощности 76
2.3. Модель многомостового преобразователя частоты с одним суммирующим трансформатором для исследования аварийных режимов работы 82
ГЛАВА 3. Схемы электроснабжения много двигательного электропривода повышенной частоты 97
3.1. Особенности выбора силовых полупроводниковых преобразователей для систем «сотовой энергетики» промышленных предприятий 106
Выводы по главе 3 112
ГЛАВА 4. Варианты выполнения локальных СЭС 113
4.1. Автономный источник электропитания для газораспределительных станций 113
4.2. Автономный передвижной комплекс «АЛЬФА» на базе железнодорожного вагона для МЧС 115
4.3. Автономный источник электроснабжения на базе детандер-генераторного агрегата 118
ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность применения локальных систем электроснабжения 123
5.1 Концепция «сотовой энергетики» применительно к локальным системам электроснабжения 123
5.2. Логистика сотовой энергетики 127
5.3. Технико-экономическая эффективность применения локальных СЭС 131
Выводы по главе 5 157
Заключение 158
Список использованной литературы 161
Приложеия 173
- Локальные системы электроснабжения состояние и перспективы
- Вывод основных аналитических соотношений для режима короткого замыкания в базовом модуле многомостового преобразователя частоты
- Особенности выбора силовых полупроводниковых преобразователей для систем «сотовой энергетики» промышленных предприятий
- Автономный источник электропитания для газораспределительных станций
Введение к работе
Наличие энергии - является одним из необходимых условий существования любого современного государства. Никакая деятельность невозможна без использования энергии. Наличие энергии - одно из необходимых условий для решения практически любой задачи. Работа промышленности, сельского хозяйства, транспорта, обеспечение комфорта в домах и безопасное функционирование социальной сферы государства и общества в целом - все это требует больших затрат энергии.
Производство электроэнергии, ее доставка потребителям в нужное место, в нужное время и в нужном количестве является сложной технической проблемой. В решение этой проблемы существует два направления. Первое, через создание мощных и сверхмощных предприятий по выработке электроэнергии, объединенных единой системой линий электропередач высокого и сверхвысокого напряжения, к которым присоединяются распределительные сети отдельных территорий и потребителей. Это концепция создания единой энергосистемы страны. Предполагалось, что такой подход позволит наилучшим образом обеспечить электроснабжение страны и иметь возможность эффективно управлять этим процессом. По мере строительства и развития единой энергосистемы страны стали все в большей степени видны недостатки и ограниченность такого подхода.
Второе направление - это создание локальных систем электроснабжения. Исторически развитие систем электроснабжения началось с локальных систем электроснабжения по причине малого количества электростанций в то время и отсутствия технической возможности передачи электроэнергии на большие расстояния.
Формирование современного понимания проблем электроснабжения основывается на том постулате, что эффективная система электроснабжения должна строиться на разумном сочетании систем централизованного и локального электроснабжения. Это позволит объединить достоинства и макси-
мально снизить недостатки обоих подходов в решении проблем электроснабжения, как отдельных потребителей, так и страны в целом.
Создание объектов большой энергетики длиться десятки лет, требует огромных финансовых вложений, с ростом мощности отдельных агрегатов теряется их маневренность, при работе на неноминальных режимах ухудшается их экономичность, пуск и останов этих агрегатов в работу требует большого времени, выход из работы по причине аварии или террористического акта приводит к отключению значительного количества потребителей. Они чрезвычайно уязвимы при ведении военных действий. Строительство этих объектов приводит к большим экологическим проблемам в регионе строительства. Кроме того, значительная по протяженности и площади территория страны со сложными климатическими и географическими условиями не позволяет решить проблему строительства централизованных линий электропередач на всей территории страны по техническим и экономическим причинам.
События последних десятилетий показали! существенную неустойчивость в обеспечении электроэнергией и теплом потребителей различных категорий от централизованных энергетических систем.
Все эти проблемы существенным образом влияют на энергобезопасность отдельных объектов и страны в целом. Опасность потери энергоснабжения вследствие указанных выше причин весьма значительна. Устранить ее средствами централизованного энергоснабжения по тем же причинам затруднительно. Однако задача повышения энергобезопасности ответственных объектов может быть решена средствами «малой энергетики».
Наряду с термином «малая энергетика» в научной литературе применяются понятия «локальная энергетика», «распределенная энергетика», «автономная энергетика», «распределенная генерация энергии (РГЭ)» и «сотовая энергетика».
Переход в стране к рыночным отношениям, формирование частной собственности на средства производства, развитие конкуренции, сложность
присоединения к централизованным сетям заставляют многих предпринимателей рассматривать вопрос о строительстве собственной мини-ТЭЦ для комплексного решения проблем обеспечения своих предприятий тепловой и электрической энергией. Так в некоторых городах и областях только за выдачу разрешения на присоединение требуется заплатить более 40000 руб. за каждый киловатт расчетной мощности объекта, что значительно превышает стоимость киловатта установленной мощности вновь вводимой автономной электростанции.
Таким образом, у нас в стране (а также за рубежом) наметилась тенденция к созданию и развитию децентрализованных систем электроснабжения. Под локальными системами электроснабжения в настоящее время понимаются изолированные системы электроснабжения отдельных предприятий или населенных пунктов, содержащие автономные электростанции (АЭ) комбинированного типа и распределительные электрические и ограниченной протяженности. Потребляемая мощность в таких системах не превышает 1-2 МВт, реже 5-10 МВт. Причем локальные системы в большинстве случаев являются полностью автономными не имеющими связи с централизованными сетями. В отдельных случаях локальные системы имеют линии связи с централизованными сетями и могут работать как в автономном режиме, так и совместно с энергосистемой. При этом возникает ряд специфических вопросов совместной работы локальной системы с централизованной сетью.
В настоящее время в России по оценкам целого ряда организаций, занимающихся проблемами электрификации, от 50 до 60% территорий страны с населением более 20 млн. человек так и остаются неохваченными централизованными электросетями.
Электрификация этих районов осуществляется только в рамках «малой энергетики», основу которой составляют локальные системы электроснабжения с автономными электростанциями малой и средней мощности, так называемыми электростанциями собственных нужд (ЭСН).
Несмотря на относительно скромную долю малой энергетики в общем энергобалансе страны по сравнению с большой энергетикой, которой уделяется основное внимание нашей науки и промышленности, значимость малой энергетики в жизни страны трудно переоценить.
И если в настоящее время мы наблюдаем слабые темпы развития централизованных систем электроснабжения, то идущий параллельно с ним процесс перевода большого количества объектов на автономное электроснабжение резко набирает темпы развития.
Необходимость и целесообразность развития локальных систем электроснабжения обусловлена следующими факторами: снижаются потери электроэнергии в распределительных сетях, затраты на производство электроэнергии получаются более низкими, появляется возможность формировать наиболее приемлемый график потребления электроэнергии в соответствии со своим технологическим процессом при параллельной работе с централизованной сетью. При этом капитальные удельные затраты на единицу вводимой мощности и сроки окупаемости вложений значительно ниже аналогичных показателей при введении мощностей в большой энергетике.
Говоря о производстве электроэнергии, следует отметить, что она представляет собой специфический вид продукции, который должен быть потреблен в тот же момент, что и произведен. Ее нельзя отправить на склад, как уголь, нефть или любой другой продукт или товар, поскольку проблема аккумулирования электроэнергии в больших количествах пока не решена.
С момента начала практического использования электроэнергии потребность в этом виде энергии постоянно возрастала. Это требовало постоянного внимания к проблеме повышения эффективности процессов генерирования и передачи электроэнергии на большие расстояния. Без проведения научных исследований и разработки новых более эффективных электрогене-рирующих и преобразующих систем решить возникающие задачи было невозможно. Постоянное появление новых материалов, агрегатов и различной электротехнической элементной базы с более высокими параметрами, чем у их предшественников позволяет значительно улучшать технико-
эксплуатационные характеристики систем электроснабжения и преобразования электроэнергии, а также ее распределения и доставки потребителям.
Энергетика, являясь своеобразной окружающей средой, очень быстро аккумулирует, ассимилирует и вбирает в себя самые новейшие идеи, изобретения, достижения науки и передовой техники. Это и понятно: энергетика связана буквально со всеми сторонами жизнедеятельности человека, все тянется к энергетике и зависит от нее.
Развитие на современном этапе электрогенерирующих систем (включая стационарные большой мощности — системообразующие, передвижные - аварийные, резервные и системы электроснабжения движущихся объектов {наземного, морского и воздушного базирования^) в соответствии с мировыми тенденциями характеризуется все более широким применением силовой преобразовательной техники, средств вычислительной техники и микроэлектроники.
При этом в широких масштабах используются как универсальные средства силовой преобразовательной техники и микроэлектроники, так и специализированные системы и устройства, разработанные во многих случаях специально для конкретных электроэнергетических систем.
Все источники электропитания можно разделить на две группы: на источники первичного электропитания — устройства, преобразующие какой-либо вид неэлектрической энергии (химической, механической, тепловой, световой, энергии ядерного распада и др.) в электрическую энергию с тестированными параметрами по частоте и величине генерируемого напряжения (источники первичного напряжения) и источники, так называемого, вторичного электропитания (ИВЭП), предназначенные для преобразования первичного напряжения в постоянное или переменное с параметрами отличными от параметров систем электроснабжения общего пользования. Это, как правило, напряжения необходимые для функционирования конкретных электронных приборов и различных электротехнических комплексов и систем у потребителей.
Основной особенностью автономных электростанций локальных систем электроснабжения является соизмеримость мощности источников и по-
требителей электроэнергии, значительно более короткие кабельные линии и, следовательно, большая взаимосвязь всех элементов электрической системы. Включение одного мощного потребителя в такой системе может привести к сбою в работе всех потребителей. Например, при пуске мощного асинхронного двигателя (АД) напряжение и частота в системе электроснабжения заметно могут изменяться, что в свою очередь отражается на характере работы всех остальных потребителей.
Эффективность работы локальных систем электроснабжения определяется используемым оборудованием и режимами его работы. Так как важнейшим элементом локальных систем электроснабжения являются автономные электростанции, то их технические параметры во многом определяют эффективность работы всей локальной системы электроснабжения.
Электротехнические параметры существующих автономных источников электроснабжения (АИЭ), выполненных на базе различных первичных двигателей: дизель-генераторов, газовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинных двигателей и некоторых других типов нетрадиционных источников энергии, в большинстве случаев при работе в качестве основного источника электроснабжения не позволяют генерировать электроэнергию с параметрами, удовлетворяющими требованиям современных стандартов.
Необходимость изменения в способах генерации, распределения и доставки электроэнергии потребителям зрела на протяжении всей второй половины 20 века. Это во многом было связано с постоянным повышением требований к качеству генерируемого напряжения. Кроме того, появление большого числа новых видов электропотребляющего оборудования с микропроцессорными блоками и информационными системами, интегрированными в мировую информационную сеть, потребовало разработки АСЭ, которые по техническим требованиям не должны допускать перерывов в электроснабжении.
Повышение требований к качеству генерируемой электроэнергии непосредственно повлияло на конструктивные и схемные особенности, массу и стоимость источников и преобразователей электроэнергии.
В последнее время получили развитие новые принципы построения электрогенерирующих систем для локальных и автономных систем электроснабжения.
Новые энергоустановки существенно выгоднее по ряду параметров ранее применявшихся. Однако, электрогенерирующие системы и системы преобразования электроэнергии одного и того же назначения, но разного принципа реализации могут в несколько раз отличаться по своим характеристикам: стоимости, КПД, расходу меди и т. п.
Основным направлением в создании нового поколения электрогенери-рующего оборудования малой и средней мощности является повышение рабочей частоты вращения первичного двигателя и генератора.
Это позволяет резко сократить материалоемкость оборудования, улучшить массогабаритные показатели, повысить КПД, а также позволяет реализовать безредукторную схему соединения первичного двигателя с генератором. При этом параметры генерируемой электроэнергии, как правило, будут отличаться от стандартных. Для преобразования параметров генерируемой электроэнергии в стандартные: по частоте и величине напряжения, необходимо в структуру автономной электростанции ввести преобразователь частоты, который будет отвечать за величину и стабильность частоты генерируемого напряжения. Кроме того, преобразователь частоты имеет возможность участвовать в стабилизации величины выходного напряжения. Наличие преобразователя частоты позволяет системе работать в режиме «переменная скорость вращения - постоянная частота выходного напряжения, что очень важно для оптимизации работы первичного двигателя при переменном графике нагрузки потребления электроэнергии.
В настоящее время имеются определенные успехи в разработке теоретических и практических вопросов создания основных агрегатов локальных систем электроснабжения: высокоэффективных мини-турбин, высокоскоростных синхронных и асинхронных электрогенераторов, полупроводниковых преобразователей на базе силовых интегральных схем, микропроцессорных устройств контроля, управления и релейной защиты.
Не смотря на быстрое развитие данного направления, остаются неисследованными вопросы совместной работы первичного двигателя, преобразователя частоты и распределенной нагрузки в установившихся, переходных и особенно аварийных режимах работы. В первую очередь это относится к автономным системам генерирования электроэнергии, содержащих высокоскоростную двигательно-генераторную часть со свободно меняющейся частотой вращения первичного двигателя и силовой многомостовой преобразователь частоты, с многоуровневой компенсацией высших гармоник в кривой выходного напряжения. Отсутствуют исследования новых схемных решений многомостовых преобразователей частоты на основе инверторов тока и инверторов напряжения, недостаточно изучены вопросы аварийных режимов работы и электромагнитной совместимости разработанных электротехнических комплексов с питающей сетью.
Принимая во внимание вышеизложенное, можно констатировать, что совершенствование существующих и разработка новых высокоэффективных, надёжных, полностью автоматизированных, с минимальными массогабарит-ными параметрами электрогенерирующих агрегатов для локальных систем электроснабжения, с широким использованием современной силовой преобразовательной техники, микропроцессорных систем управления и защиты является актуальной задачей.
Локальные системы электроснабжения состояние и перспективы
Структура локальных систем электроснабжения (ЛСЭ) представляет собой совокупность трех взаимосвязанных подсистем: автономных электростанций (АЭ), распределительных электросетей и потребителей электроэнергии, расположенных на ограниченной территории. Все вместе они представляют собой единый электротехнический комплекс, эффективная работа которого зависит от оптимального согласования между собой параметров, характеристик и режимов работы всех трёх подсистем. Комплекс осуществляет все технологические процессы, начиная с выработки электроэнергии и кончая ее потреблением исполнительными машинами и механизмами.
Автономные электростанции отвечают за генерацию электроэнергии с необходимыми параметрами. Распределительные сети за канализацию электроэнергии до потребителя. Потребители — механизмы, агрегаты, аппараты, системы управления, связи и т.д., используют электроэнергию для осуществления своей основной деятельности и определяют характер и режим работы всей энергосистемы.
ЛСЭ классифицируются: по типу используемых автономных электростанций и составу их оборудования, по структуре и составу оборудования1 распределительных электросетей, по составу электропотребителей, по режиму работы с энергосистемой (если такая возможность предусматривается).
Автономные электростанции ЛСЭ могут быть как стационарными, так и передвижными (на железнодорожной платформе, на автомобильном транспорте или в виде плавучей электростанции).
В локальных и автономных транспортных системах электроснабжения применяют большинство видов электрооборудования, используемые в общепромышленных установках, в том числе генераторы и двигатели, распределительные щиты, коммутационные и коммутационно-защитные аппараты, полупроводниковые преобразователи, трансформаторы напряжения и тока, электрохимические преобразователи в виде аккумуляторов, электрохимических генераторов, накопители электроэнергии, системы и установки электрической защиты, автоматического управления, контроля и диагностики, электропитание РЗиА, компенсации реактивной мощности, силовые фильтры и устройства ограничения токов, разнообразные токопроводы, разъемы и вводы, различные соединительные коробки, осветительные и нагревательные устройства и т.п. [36]. Размещается электрооборудование как внутри помещений, так и на открытых площадках.
Требования к электрооборудованию локальных и автономных систем электроснабжения в значительной степени зависят от условий его применения и предполагаемых режимов работы. При этом существенное значение имеют стоимость агрегатов, устройств распределения электроэнергии, сис тем и устройств управления. Кроме того, обычно требуется большой срок службы, ремонтопригодность, простота обслуживания.
Другая особенность современных локальных электроэнергетических систем связана с тем, что в их структуре все чаще не обходится без применения силовых полупроводниковых преобразователей, часто соизмеримых по мощности с мощностью автономной электростанции. В зависимости от своего назначения автономные электростанции могут выполнять функции основного источника электроснабжения, резервного или аварийного. Особый класс представляют системы электроснабжения движущихся (транспортных) объектов: кораблей, самолетов, ракет, автомобилей, железнодорожных составов.
Структуры транспортных систем электроснабжения значительно многообразнее, чем традиционных наземных систем электроснабжения. Кроме того, вопросы проектирования транспортных систем имеют свою специфику, которая, прежде всего, учитывает критерии эффективности, параметры электроэнергии и электромагнитную совместимость оборудования (особенности совместной работы основных функциональных узлов источник - преобразователь, преобразователь — преобразователь) и в связи с этим их оптимизацию.
Как известно, структура ЛСЭ и требования к качеству электроэнергии определяется потребителями электроэнергии, а критериями ее эффективности служат масса, коэффициент полезного действия, показатели надежности и качества электроэнергии, суммарные затраты, связанные со стоимостью строительства и эксплуатацией. В большинстве случаев критерий массы является приоритетным для автономных транспортных систем электроснабжения (АТСЭ). Коэффициент полезного действия АТСЭ определяет эффективность преобразования электроэнергии. При оптимизации АТСЭ критерии массы и КПД противоречивы. Например, с увеличением мощности источника электроэнергии, а значит и массы повышается его КПД.
В структуре локальных систем электроснабжения и в системах электроснабжения транспортных средств целесообразно применять сверхемкост-ные накопители электроэнергии, температурный режим эксплуатации которых находится в пределах от -40 до +40 С.
Вывод основных аналитических соотношений для режима короткого замыкания в базовом модуле многомостового преобразователя частоты
При исследовании аварийных режимов работы преобразователей частоты необходимо ответить на следующие вопросы: - насколько возрастут токи в элементах схемы при возникновении КЗ; - насколько возрастут токи в элементах схемы при выходе из строя отдельных элементов схемы; - насколько возрастут напряжения на элементах схемы при возникновении КЗ или выходе из строя отдельных элементов схемы.
Кроме того, если схема выполнена с применением тиристоров, то необходимо определить минимальную величину угла запирания тиристоров в аварийных режимах работы.
Рассмотрим особенности аварийных режимов в автономных инверторах тока. Так как многомостовые схемы преобразователей частоты компонуются из однотипных модулей, то для выяснения характера протекания аварийных режимов достаточно рассмотреть аварийные режимы в базовом модуле. Схема исходного базового модуля представлена на рисунке 21.
Рассмотрим «Режим короткого замыкания» непосредственно на выходных выводах этого модуля. При КЗ на выходных выводах схема модуля трансформируется в схему представленную на рисунке 22. Таким образом, схема с расщепленной конденсаторной батареей превратилась в схему обычного параллельного инвертора на холостом ходу.
Схемотехнической особенностью инверторов тока является то, что они питается от источника постоянного тока через дроссель, индуктивность которого очень велика. Так как запирающая способность тиристоров восстанавливается не мгновенно, то работа инвертора возможна только при опережающем инвертированном токе (угол запирания должен быть больше нуля). То есть, инвертор тока может работать только в том случае, если нагрузка преобразователя носит емкостный характер. При чисто активной или индуктивной нагрузке тиристоры не успевают восстановить свою запирающую способность и инвертор «опрокидывается», при этом источник постоянного тока оказывается замкнутым цепью, состоящей из дросселя и последовательно включенных тиристоров анодной и катодной групп. Активное сопротивление этой цепи незначительно и поэтому ток в этой цепи при срыве инвертирования достигает больших значений.
где Idv3 - ток источника в режиме срыва инвертирования; Ud - напряжение источника питания; AU - падение напряжения на открытом тиристоре; Rm -внутреннее сопротивление источника питания; R — сопротивление соединительных проводов; RLd — сопротивление дросселя Ld.
Скорость возрастания тока определяется величиной постоянной времени 7—L/R. Здесь L - величина индуктивности дросселя в цепи постоянного тока, a R — сумма сопротивлений дросселя, соединительных проводов и внутреннего сопротивления источника питания. Напряжение на выходных зажимах при этом будет равно нулю.
Особенностью инвертора тока [32] является то обстоятельство, что выходное напряжение может значительно превышать напряжение источника питания. Это свойство схемы используется, когда необходимо получить повышенное выходное напряжение от низковольтного источника постоянного тока без применения повышающего трансформатора.
Анализ формулы (26) показывает, что с разгрузкой преобразователя (В стремится к нулю, режим холостого хода) его напряжение резко возрастает. Резко возрастает и ток источника питания 1 . Формула (26) выведена для схемы с идеальными элементами (без потерь). Поэтому она не позволяет определить величину выходного напряжения и тока Id источника питания. Ве личина выходного напряжения инвертора и тока источника питания будут зависеть от величины активных потерь в элементах схемы.
Для установившегося режима холостого хода должно выполняться условие баланса мощностей: вся энергия, полученная от источника постоянного тока за период выходной частоты, должна быть рассеяна за этот же период в активных элементах схемы. В этом случае не будет происходить накопления энергии в индуктивных и емкостных элементах схемы.
Если предположить, что мы имеем идеальные конденсаторы (без потерь) и дроссель Ld бесконечной индуктивности с сопротивлением Ru (при этом ток Id будет идеально сглажен), то установившийся режим холостого хода наступит при условии
Особенности выбора силовых полупроводниковых преобразователей для систем «сотовой энергетики» промышленных предприятий
Преобразователь частоты представляет собой статическое преобразовательное устройство, предназначенное для изменения скорости вращения асинхронных электродвигателей переменного тока. Повышение скорости вращения асинхронного электродвигателя в этом случае производится путем повышения частоты напряжения питания шпинделя. КПД такого преобразования составляет около 98 %, из сети потребляется практически только активная составляющая тока нагрузки, микропроцессорная система управления обеспечивает высокое качество управления электрошпинделем и контролирует множество его параметров, предотвращая возможность развития аварийных ситуаций .. [48].
Выходная частота, в современных преобразователях может изменяться в широком диапазоне и может быть как выше, так и ниже частоты питающей сети. В силу этого преобразователи частоты нашли самое широкое применение на современных промышленных предприятиях не только для получения больших скоростей вращения, но и в целом ряде других применений, где требуется электроэнергия с параметрами отличными от общепромышленных.
Основными критериями выбора полупроводниковых преобразователей являются: - соответствие принципиальным особенностям схемы и функциональное назначение; - область применения преобразователей; - необходимая мощность; - соответствие особенностям конструкции; - способы охлаждения. Выбор преобразователей в соответствии с принципиальными особенностями схемы связан с их функциональным назначением.
Область применения преобразователей можно систематизировать по следующим группам: для промышленных электроприводов; тяговых электроприводов; агрегатов бесперебойного и резервного питания; гальванотехники и электрохимии; вставок постоянного тока на линиях электропередач и т.д.
Преобразователи не только вытесняют изготовленное ранее и эксплуатируемое до настоящего времени оборудование, но позволяют осуществлять новые технические решения, которые вообще не были возможны при использовании классических электротехнических аппаратов и устройств.
Область применения преобразователей определяет мощность преобразователей. В обычной практике и с учетом специфических особенностей преобразователей в отдельных диапазонах мощностей можно разделить силовые преобразователи на следующие группы: малой мощности - до 10 кВт; средней мощности - от 10 до 250 кВт; большой мощности - от 250 кВт до 1 МВт; сверхбольшой мощности — более 1 МВт.
Преобразователи малой мощности до 10 кВт имеют в большинстве случаев компактное или встроенное исполнение и специальное целевое назначение. В качестве основных элементов силовых цепей в них используются силовые транзисторы.
Преобразователи средней мощности от 10 до 250 кВт выполняются в виде шкафа, с использованием унифицированных блоков и узлов. В них применяются тиристоры и диоды со штыревым корпусом, и интегральные силовые полупроводниковые модули с номинальным током до 160-250 А. Обычно их выпускают в различном исполнении по мощности в виде стандартных преобразовательных установок со стандартными цепями управления и специально не приспосабливают к устройствам, которые они питают.
В преобразователях большой мощности используются таблеточные тиристоры и диоды, часто с водяным охлаждением.
Преобразователи сверхбольшой мощности всегда имеют специальное назначение. В них часто используются параллельное и последовательное соединение таблеточных полупроводниковых приборов с водяным и испарительным охлаждением.
При систематизации преобразователей в соответствии с мощностью необходимо учесть, что этот критерий применим только к преобразователям одинакового функционального назначения и приблизительно одинаковыми техническими параметрами.
Конструкция преобразователя должна удовлетворять трем основным группам требований: требованиям стандартов PI нормативных документов; требованиям заказчиков-потребителей; требованиям производства.
Отдельные требования этих трех главных групп тесно взаимосвязаны. Определяющими требованиями являются требования потребителей, которым, прежде всего, удовлетворяют эксплуатационные свойства преобразователей. К ним относятся: 1. Надежность работы; 2. Устойчивость к воздействиям данной среды; 3. Срок службы; 4. Удельная мощность преобразователя; 5. Требования к простоте обслуживания и эксплуатации; 6. Отсутствие влияния на питающую сеть и устройства связи. Важными показателями являются также цена преобразователя, сроки по ставки и обеспеченность обслуживанием и запасными частями.
Автономный источник электропитания для газораспределительных станций
Энергосбережение, энергоэффективность, экологическая безопасность -вот три основных принципа, на основе которых должны создаваться новые типы электрогенерирующего оборудования, как большой мощности, так и малой.
Система газоснабжения страны имеет в своем составе большое количество газораспределительных станций (ГРС) и газораспределительных пунктов (ГРЕТ), которые в своем составе имеют телеметрическое, оборудование, системы противопожарной сигнализации, системы аварийного освещения и ряд другого оборудования, требующие для своей нормальной работы электропитания. В нормальных условиях работы электропитание этих устройств осуществляется от централизованной электросети. При нарушении электроснабжения электропитание осуществляется от автономных источников электропитания. В качестве источника электроэнергии в этих системах, как правило, используются аккумуляторные батареи, время работы которых не превышает одних суток. Предполагается, что за это время электропитание должно быть восстановлено. Однако практика показывает, что время ликвидации аварий на линиях электропередач довольно часто длится гораздо дольше. Кроме того, строительство линий электропередач до ГРС по стоимости составляет от 30 до 60 % стоимости ГРС.
Для целей электроснабжения ГРС и ГРП возможно и необходимо использовать перепад давления газа на входе и выходе этих объектов [84]. Для получения электроэнергии используют микродетандер-генераторные установки. Они способны надежно и длительно работать без обслуживания в любых климатических зонах, не используя технологию сжигания газа [15].
В настоящее время микротурбодетандеры оцениваются специалистами, как один из перспективных видов микротурбинной продукции с большим рынком сбыта. Причем, рынком наиболее востребован мощностной ряд 0,5 - 10 кВт.
На рисунке 48 представлена структурная схема автономного источника электроснабжения для ГРС, построенная на основе микротурбодетандера.
Автономные источники питания (АИЭ) на базе турбодетандеров предназначены для использования в качестве надежных автономных источников электроснабжения линейной телемеханики и автоматики, систем связи и катодной защиты магистральных газопроводов без обслуживания, в любых климатических зонах, а также для бытового освещения и обогрева эксплуатационных объектов, где отсутствуют стандартные источники электроэнергии.
Источник выполнен в виде отдельного шкафа, который размещается непосредственно в блоке редуцирования ГРС.
В состав источников питания входят: 1-входной электромагнитный клапан, 2-регулирующий клапан, 3-микротурбодетандер, 4-высокоскоростной электрогенератор, 5-автоматическое зарядное устройство с блоком стабилизации напряжения БСН, 6-аккумуляторная батарея, 7-система обратной связи. Систе 114 ма настроен на выходное давление 0,3-0,5 кг/см при входном давлении 12-75 кг/см2.
Автономный источник электроснабжения обеспечивает: - автоматическое переключение, при аварии на трубопроводе, на резервное питание аппаратуры от аккумуляторов до приезда аварийной бригады; - при наличии ЛЭП АИЭ может быть дополнен блоком автоматического переключения с АИЭ на ЛЭП; - возможность получения электрического питания напряжением 220 В за счет инверторного блока;
Система работает следующим образом. При уменьшении напряжения на клеммах аккумулятора ниже U3;u,min подается сигнал на входной электромагнитный клапан, и газ начинает поступать на турбину. Турбина с генератором начинают вращаться. Так как напряжение генератора выше напряжения аккумулятора, то он начинает заряжаться. При достижении напряжения на клеммах аккумулятора величины Дзетах подается сигнал на входной электромагнитный клапан и турбина останавливается. Электроснабжение оборудования после этого осуществляется от аккумулятора. При уменьшении напряжения до U3aAmin цикл повторяется.
Основные преимущества разработанного источника электропитания: - отсутствие открытого пламени и высокая надежность; - простота запуска и эксплуатации; - длительный срок службы и отсутствие капитальных затрат при монтаже и вводе в эксплуатацию.
В условиях возможных техногенных катастроф, при крупных авариях на химических предприятиях, при возникновении эпидемий (холера, сибирская язва, птичий грипп и др.), а также при проведении на территории страны террористическими группировками диверсий с применением биологического или химического оружия возникает необходимость применения мобильных комплексов специального назначения для проведения работ непосредственно в зоне заражения. Одним из таких комплексов является автономный передвижной комплекс на базе железнодорожного вагона, с автономной системой энергообеспечения. Комплекс предназначен для обеспечения в условиях биологического или химического заражения дезинфекционной обработки, с применением озоновых технологий, спецодежды, инструмента и оборудования бригад МЧС, а также одежды и предметов быта населения, находящихся в зоне заражения [45].
