Современные потребители электрической энергии в настоящее время заявляют достаточно жесткие требования качества и непрерывности электроснабжения. Поскольку электрические сети в России непредсказуемы по возможности их отключения, а качество порой на перегруженных трансформаторных подстанциях не позволяет работать некоторым электрическим приборам в Вашем доме, люди ищут альтернативные методы получения электроэнергии. Одним из решений этой проблемы является установка систем автономного энергоснабжения, которая по разным требованиям может в себя включать генераторную подстанцию, работающую на бензине, дизеле или газе, газовые турбины, источник бесперебойного питания, а также экологически чистые источники, как например солнечные батареи, ветряные генераторы и тп. Последние отличаются высокой стоимостью и сложностью установки и обслуживания. Наиболее приемлемым решением для современного потребителя является создание системы автономного энергоснабжения на основе генераторов, работающих на дизеле, бензине или газе.
Генераторные установки этого класса собраны на двигателе внутреннего сгорания и генераторе переменного тока. Конструктивно этот агрегат установлен на стальную раму, имеет свой контроллер, топливный бак, и выполнен как законченное устройство. Электростанция в нашем приложении используется как резервный источник электропитания в системе автономного энергоснабжения. Генератор управляется с помощью контроллера, устанавливаемого на устройство и требует вмешательство человека для запуска и останова. Однако существуют системы, готовые поддерживать электроснабжение объектов без участия человека, а с помощью нескольких логических схем, о которых речь пойдет ниже.
Конструктивно эта система представляет собой контроллер состояния основной сети и запуска генератора, ключ, подключаемый нагрузку либо на основной источник электроэнергии, либо на резервный (автоматический ввод резерва), а также дополнительные устройства, повышающие качество электроэнергии и помогающие в работе генератора и для увеличения времени автономной работы. В этом случае речь идет об автоматизации генераторов.
Итак рассмотрим все типы решений автономного электроснабжения.
Ручная система автономного энергоснабжения
В этом случае используется генераторная установка и двухпозиционный переключатель (см. Рис.1):
Рис 1
Это самая простая в исполнении и обслуживании система, которая, однако, требует участия человека в процессе.
Основная сеть и выход генератора подключаются ко входам двух (или трех) позиционного переключателя. Нагрузка подключается на выход переключателя. При наличии напряжения основной сети, переключатель находится в положении 1 и подключает нагрузку к существующему источнику. Генератор при этом не работает. При пропадании напряжения основной сети человек заводит и генератор и после прогрева двигателя переключает рубильник в состояние 2, подключая, таким образом, нагрузку к выходу генератора.
Будьте внимательны! Необходимо устанавливать автоматические выключатели на выходе генератора!
После появления напряжения основной сети, контрольная лампа загорится и проинформирует хозяина о возможности переключения с резервного на основной источник электроэнергии. Переключатель переводится в положение 1. Двигателю генератора рекомендуется дать поработать без нагрузки 3-5 минут (выбег) для остывания. После этого электростанция глушится и система переходит в первоначальное состояние.
Мы рассмотрели наиболее простую и дешевую систему, не требующую автоматизации электростанции, а также подразумевающую участие человека в процессе. Обратите внимание, что на схематических изображениях не указаны такие устройства как стабилизатор напряжения, источник бесперебойного питания и тп, исходя из соображения легкости восприятия логики работы системы. Мы рекомендуем устанавливать системы, улучшающие качество напряжения сети.
Полуавтоматическая система автономного энергоснабжения
Рассмотрим теперь полуавтоматическую систему (см. Рис.2)
Рис 2
В этой системе присутствует шкаф автоматического ввода резерва (АВР). В его состав входит сборка контакторов для коммутации нагрузки либо на основную сеть либо на генератор. Однако такой АВР не имеет инструментария управления электрогенератором, поэтому и называется полуавтоматическая.
При наличии напряжения основной сети соответствующий контактор подключает нагрузку к ней. При пропадании напряжения основной сети (обычно АВР данного типа не следят за качеством напряжения, а работают только при пропадании) необходимо вручную запустить генератор. При этом сработает соответствующий контактор и подаст напряжение в нагрузку от генератора. При появлении основного энергоснабжения АВР перейдет обратно на питание от основной сети и заглушит генератор.
Как следует из описания работы системы она мало отличается от предыдущей, однако имеет свои плюсы: низкая стоимость АВР по сравнению с полностью автоматическими станциями, а также возможность использования генераторов с ручным стартером.
Автоматический ввод резерва (АВР)
Третьей, и наиболее часто используемой системой, является полностью автоматизированная система управления и генератором и подачей напряжения в нагрузку (см. Рис.3)
Рис 3
Работа этой системы не требует участия человека, за исключением проведения регламентных технических работ. Отличие от предыдущих систем заключается в наличии здесь микропроцессорного контроллера, способного управлять генератором, контакторами, а также производить все основные измерения и контролировать работу системы. Ниже описана работа системы:
При наличии напряжения основной сети с требуемыми параметрами, контроллер включает соответствующий контактор и подключает, таким образом, нагрузку к сети. При пропадании напряжения основной сети либо при выходе хотя бы одного параметра (напряжение или частота) за установленные пределы, контроллер отключает сеть от нагрузки и дает команду генератору на запуск. Чаще всего, если генератор не имеет собственного контроллера, контроллер АВР подает напряжение на втягивающее реле стартера. Обычно программируются три попытки запуска. После того, как двигатель генератора работает, контроллер некоторое время измеряет параметры напряжения генератора и включает соответствующий контактор, подключая нагрузку к генератору.
При появлении напряжения основной сети в установленных пределах, контроллер выжидает несколько минут для избегания ложного срабатывания или повторного отключения и переключает нагрузку на питание от основной сети. После этого двигатель генератора еще продолжает работать несколько минут для остывания (для генераторов, имеющих в конструкции турбину, это крайне необходимо) и контроллер подает сигнал на останов двигателя. Система переходит в штатный режим работы.
Как и говорилось выше, эта система наиболее удобна, однако и наиболее дорогостоящая из простых. Существуют системы параллельной работы генераторов между собой, а также генераторов с сетью. О них пойдет речь ниже. Сейчас же хотелось бы также не обойти вниманием систему, работающую по удаленному запуску. Что это такое? Большинство дизельных генераторов с жидкостным охлаждением имеет свой контроллер (в основном ручной запуск), который управляет двигателем. С связи с этим нет необходимости подавать например сигнал запуска на втягивающее реле стартера непосредственно. Вполне достаточно сказать контроллеру о необходимости запуска или останова генератора. Для этого в контроллерах генератора предусмотрен вход удаленного запуска. Однако контроллер генератора не имеет возможность мониторить состояние напряжения сети, а также возможность управления контакторами.
Эту проблему решают с помощью несложного АВР, который не имеет в своем составе полноценный контроллер управления.
Автоматический ввод резерва (АВР с контроллером)
Для реализации такой системы достаточно установки реле контроля напряжения, которое по состоянию сети будет либо замыкать, либо размыкать контакты удаленного запуска контроллера генератора. Обычно такое реле реагирует только на полное пропадание напряжения сети, однако имеет регулировку по времени включения, что позволяет избавиться от ложных включений.
Рис 4
Рассмотрим теперь основные режимы работы автоматической системы управления электропитанием на основе системы, представленной на рисунке 3. Как отмечалось ранее такая схема автоматизации переключения электропитания самая распространенная. Также она является самой гибкой, поскольку контроллер, установленный в щите АВР управляет, в отличие от системы на рисунке 4 не только генератором, но и контакторами подключения нагрузки к тому или иному источнику электропитания.
Первый режим работы назовем «простым». Как следует из названия, он выполняет только те действия, которые необходимы для бесперебойного подачи электроэнергии потребителю. На рисунке 5 представлены временные диаграммы работы такой системы:
Рис 5
На рисунке:
На первой эпюре показано напряжение основной сети. В начале временной оси оно присутствует, и мы считаем, что система АВР переведена в автоматический режим. После пропадания напряжения основной сети включается счетчик, который отсчитывает запрограммированное время (t1) до запуска двигателя генератора. Это сделано для избегания ложных запусков при кратковременных отключениях электроэенергии. После отсчета времени t1 подается напряжение на стартер двигателя, который работает время t2, и запускает двигатель генератора. В сущности время t2 зависит от напряжения генератора, которое начинает увеличиваться при начале вращения вала, и обычно при достижении уровня 22В стартер отключается. Затем контроллер отсчитывает время t3 для обеспечения выхода генератора в рабочий режим и для прогрева двигателя и включает контактор генератора.
Контакторы сети и генератора имеют электрическую и механическую сблокировку. Механическая означает, что при работе одного контактора, второй не может закрыться, поскольку механически заблокирован. Электрическая блокировка подразумевает прохождение электрического тока катушки одного контактора через нормально-закрытый дополнительный контакт парного контактора, то есть при работе одного контактора его дополнительный контакт размыкается и не дает напряжения на катушку второго контактора. Кроме того контроллер сам по времени разносит сигналы управления обоими контакторами и не дает им работать вместе.
После появления напряжения основной сети контактор генератора остается закрыт время t4, пауза, предназначенная для отсечки ложных срабатываний при кратковременных включениях электроэнергии. Этот параметр программируется. Затем происходит отключение контактора генератора и через время t5 включается контактор сети. Одновременное переключение контакторов может заклинить механическую сблокировку системы, поэтому, как описывалось выше, контроллер делает между переключениями небольшую паузу (обычно не более 1 секунды). После переключения двигатель продолжает работать на холостом ходу. Это сделано для того, чтобы двигатель снизил температуру , так как от резкой смены температуры может повести части двигателя. Особенно это касается турбины нагнетателя. Этот параметр тоже программируется и обычно устанавливается равным 3 минутам. После выбега двигатель останавливается и система переходит в первоначальное состояние. Обратите внимание, что на небольшие промежутки времени, связанные, например, с запуском двигателя и переключением контакторов, потребитель остается без света. Чтобы избежать этого устанавливают источники бесперебойного питания и батарейные кабинеты.
Рассмотрим теперь некоторые нестандартные, но очень популярные системы, на основе описанной выше. Обратимся к рисунку 6:
Рис 6
Этот режим работы системы называется тренировочным. Вообще-то стандартно он используется для прогревания двигателя до рабочей температуры при наличии напряжения основной сети, не беря на себя нагрузку. Однако в нашем приложении контроллер запрограммирован на подключение нагрузки к генератору. Как мы видим на эпюрах, генератор включается либо ежедневно, либо каждую неделю, либо ежемесячно в запрограммированное время. tн - время запуска генератора, tк – время окончания. Контроллер ориентируется п собственным внутренним часам, которые необходимо выставить перед началом эксплуатации. Разумеется, логика работы генератора остается аналогичной, представленной на рисунке 5.
Такое приложение системы получило развитие при организации, например, ежедневных поливов полей, еженедельных и ежемесячных включениях очистных сооружений и т.п.
Более актуальной является логика работы, представленная на рисунке 7:
Рис 7
После отключения напряжения основной сети генератор не запускается! Контроллер выжидает время отдыха tо. После этого он запускается и работает время tр, затем опять останавливается и повторяет данную схему до момента появления напряжения основной сети. Система АВР переходит в первоначальное состояние.
Данное приложение работы системы АВР, как Вы уже догадались, используется для экономии топлива при обогреве загородных домов в отсутствие хозяев. Часто происходят отключения электроэнергии в зимний период года, а контроллеры газовых котлов обычно электрические, котлы тухнут и дом начинает размораживаться. На помощь приходит система АВР и генератор. Однако нет смысла постоянно работать генератору. Для поддержания температуры в доме котлу обогрева необходимо работать короткое время, затем он выключается. Поэтому достаточно и генератору работать в таком же режиме. При этом получается значительная экономия топлива, а как следствие данная система дольше будет работоспособна.