5. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
5.1. Выбор электрических машин
Машина постоянного тока работает в двух режимах: генераторном и двигательном.
В режиме генератора МПТ должна обеспечивать только зарядку АБ. Так как
в В-установке предусмотрено поддержание скорости вращения при изменении
силы ветра, а режим зарядки АБ не является жестким ( напряжение зарядки
может быть в пределах 13...20 В, а ток зарядки в пределах 0,1...1,3 Iз.н./
1 /, где Iз.н.- номинальный ток зарядки ), то для этих целей можно
применить МПТ с любой системой возбуждения.
В режиме двигателя необходимо, чтобы обороты МПТ изменялись как можно
меньше, при изменении нагрузки на валу, т.к. генератор переменного тока
желательно вращать с постоянной скоростью. Для этих целей наиболее подходит
МПТ параллельного возбуждения, у которой зависимость оборотов от момента
сопротивления или тока якоря слабо выражена/2,26/.
Генератор переменного тока предназначен для снабжения электроэнергией электроприемников сельской усадьбы, среди которых есть потребители как с активной нагрузкой (электроосвещение с лампами накаливания, электрокамины, утюги, инкубаторы), так и с активно-индуктивной нагрузкой (пылесосы, стиральные машины, теле радиоаппаратура и т.п.). В качестве ГПТ применяется синхронный генератор, который обеспечивает выработку электроэнергии достаточно высокого качества при любом виде нагрузки / 27 /.
Выбор электрических машин начинаем с ГПТ.
Максимальная эквивалентная мощность ( Pэнаг) нагрузки генератора равна
1,1 кВт (зимний период). Выбираем генератор из условия / 21,46 /:
Ргн ( Рэmax =1.1(кВт)
(5.2.1.) где Ргн - номинальная мощность генератора.
Принимаем синхронный генератор СГВ-6/500У1, технические характеристики которого следующие/30/:
Назначение - для ветроэнергетических установок;
Род тока - трехфазный переменный;
Частота тока - 50 Гц;
Напряжение номинальное - 400/230 В;
Мощность номинальная - 2,0 кВт;
Ток номинальный - 6,3 А;
Обороты номинальные - 500 об/мин;
К.П.Д. номинальный - 80/78,5 %
Коэффициент мощности номинальный - 0,8;
Напряжение возбудителя - 30 В;
Масса - 85 кг;
Вид климатического исполнения - У1;
Коэффициент искажения синусоиды напряжения - не более 10%;
Режим работы - S1.
Мощность на валу ГПТ определяется по формуле/21,46/:
[pic],
(5.2.2.) где: Рнагрi- мощность на валу генератора при i-той нагрузке, кВт; h - к.п.д. генератора при i-той нагрузке.
Эквивалентная мощность на валу генератора определяется по формуле:
[pic],
(5.2.3.) где ti - продолжительность действия i-той нагрузки, ч.
Эквивалентная мощность на валу генератора ровна:
[pic], (кВт)
Выбираем в качестве МПТ машину 2ПБВ112SУ1 со следующими техническими характеристиками /28/.
Назначение - двигатель и генератор;
Напряжение - 60 В;
Ток: - двигателя - 36 А;
- генератора - 28 А;
Скорость вращения - 500 об/мин;
Мощность:
- двигателя - 2,2 кВт;
- генератора - 1,7 квт;
К.П.Д. - 80% ;
Масса - 34,5 кг;
Режим работы - S1;
Максимальный момент, при (1,1Uв) - 50 Нм.
Выбранная машина постоянного тока нуждается в проверке только в двигательном режиме. При этом следует проводить проверку по нагреву, и по статической устойчивости /46/. Проверка по нагреву ведется по условию /46/:
[pic], (5.2.4.) где: Рн - номинальные потери мощности на нагрев, Вт;
Рi - потери мощности на нагрев при i-той нагрузке, Вт.
[pic], (5.2.5.) где hi - К.П.Д. двигателя при i-той нагрузке.
К.П.Д. при i-той нагрузке определяется по формуле/46/:
[pic],
(5.2.6.) где: [pic] a - отношение постоянных потерь к переменным.
Для двигателей постоянного тока параллельного возбуждения a=1...1,5
/46/. Принимаем a= 1.
[pic](Вт)
[pic](Вт)
Выбранный двигатель проходит по допустимому нагреву. На статическую устойчивость двигатель проверяется по условию /46/:
Мдв.мах ( Мс.мах
(5.2.7.) где: Мдв.мах, Мс.мах - максимальный момент двигателя и генератора соответственно, Нм.
Так как скорости вращения двигателя и генератора равны, то условие
(5.2.7.) принимает вид:
[pic],
(5.2.8.)
Рдв.mах=2600 Вт (при увеличении тока возбуждения на 10%)
[pic](Вт)
Таким образом, проверка показала, что МПТ выбрана правильно.
Окончательно принимаем машину постоянного тока 2ПБВ112SУ1.
Таблица 5.2.1.
Расчет потерь мощности на нагрев
|Nуч |ti |Pi,Вт |Xi |hi |(1-hi)/h|DРi,Bт |DРi*ti |
| | | | | |i | | |
|1 |1 |531 |0,29 |0,68 |0,47 |249 |249 |
|2 |3 |427 |0,24 |0,64 |0,56 |239 |717 |
|3 |1 |465 |0,26 |0,66 |0,51 |237 |237 |
|4 |1 |590 |0,33 |0,70 |0,42 |247 |247 |
|5 |1 |652 |0,36 |0,71 |0,40 |260 |260 |
|6 |1 |811 |0,45 |0,75 |0,33 |267 |267 |
|7 |1 |1545 |0,85 |0,80 |0,25 |386 |386 |
|8 |2 |1999 |1,11 |0,80 |0,25 |500 |1000 |
|9 |1 |1766 |0,98 |0,80 |0,25 |441 |441 |
|10 |1 |1035 |0,57 |0,77 |0,30 |310 |310 |
|11 |1 |1249 |0,69 |0,79 |0,26 |324 |324 |
|12 |1 |1535 |0,85 |0,80 |0,25 |383 |383 |
|13 |1 |1811 |1,00 |0,80 |0,25 |452 |452 |
|14 |1 |1839 |1,02 |0,80 |0,25 |459 |459 |
|15 |1 |1270 |0,70 |0,79 |0,26 |330 |330 |
|16 |1 |1298 |0,72 |0,79 |0,26 |337 |337 |
|17 |1 |1444 |0,80 |0,80 |0,25 |361 |361 |
|18 |1 |1206 |0,67 |0,79 |0,26 |313 |313 |
|19 |1 |831 |0,46 |0,75 |0,33 |274 |274 |
|20 |1 |630 |0,35 |0,-0 |0,42 |264 |264 |
|21 |1 |612 |0,34 |0,70 |0,42 |257 |257 |
5.2.Разработка принципиальной схемы электроснабжения.
Блок-схема системы электроснабжения представлена на листе 5.
Система работает следующим образом. При наличии ветра работает В-установка,
которая через муфту вращает МПТ и ГПТ. МПТ работает как генератор, который
заряжает АБ через коммутатор режимов КР. ГПТ подает напряжение на нагрузку.
С-установка через коммутатор режимов КР также работает на зарядку АБ.
При отсутствии ветра или при сильном ветре В-установка останавливается
и с помощью муфты отсоединяется от МПТ и ГПТ. АБ через КР подает питание на
МПТ, которая работает как двигатель, вращающий ГПТ. Таким образом ГПТ в
отсутствии ветра вращается от МПТ, получающей электроэнергию от АБ. Так как
МПТ потребляет ток, превышающий ток от С-установки, то одновременная
подзарядка АБ и их разрядка на МПТ недопустима. Для этого в системе
предусмотрен КР, который подключает к С-установке только часть АБ, не
задействованной на МПТ, и служит для сохранения вращения МПТ в режиме
генератора и двигателя.
Соответствующая блок-схеме принципиальная схема приведенна на листе 5.
Схема работает следующим образом.
При вращении под действием ветра ветроколеса переключатель SAI
находится в положении 1(генераторное).В этом случае GB2(машина постоянного
тока) работает в режиме генератора и через диодный мост VDI…VD6 заряжает
1/2 аккумуляторных батарей(например GB3). Во вращение от ветроколеса
приводится и GB1 (генератор переменного тока), который подает напряжение к
потребителям.
При остановке ветроколеса, переключатель SA1 переходит в положение
2(двигательное) и через диодный мост VD1…VD6 напряжение с аккумуляторных
батарей GB3 подается на GB2, который в этом случае работает в двигательном
режиме и вращает GB1 вместо ветроколеса..
В схеме предусмотрены:
- сигнализация напряжения на нагрузке и в цепях управления (HL1, HL2);
- защита силовой цепи (QF1, QF2);
- отсоединение электрических машин для ремонтных нужд (QS1).
5.3. Выбор аппаратуры управления и защиты.
Автоматический выключатель QF1 (см. рис. 5.2.2.) предназначен для защитного отключения генератора переменного тока GB1 при коротком замыкании в цепи нагрузки и выбирается из условий /21,46/:
Uан ( Uн;
Iан (Iр.mах;
(5.3.1.)
Iа.откл ( Iк(3). где: Uан, Uн - номинальное напряжение автоматического выключателя и сети соответственно, В;
Iан,, Iр.mах - соответственно номинальный ток автоматического выключателя и максимальный рабочий ток в сети, А;
Iа.откл - максимальное значение тока короткого замыкания, которое автомат способен отключить, оставаясь в работоспособном положении, А;
Iк(3) - наибольший ток трехфазного короткого замыкания А.
Ток трехфазного короткого замыкания при питании от автономной электростанции определяется по формуле /21/:
[pic], (5.3.2.) где: [pic]- действующее значение периодической составляющей тока К.З. за первый период, А; kу - ударный коэффициент.
[pic], (5.3.3.) где: Uн - номинальное линейное напряжение сети, В;
Zг - полное сопротивление цепи до точки К.З., (сопротивление генератора), Ом. Zг = 4,6 Ом.
[pic],
(5.3.4.) где: t - время затухания тока К.З.,с. Принимаем t = 0,05 с.
Та - постоянная времени затухания, с. Принимаем
Та = 0,1с.
[pic]
Принимаем, что нагрузка распределена по фазам равномерно. Тогда расчетный максимальный ток равен:
[pic],
(5.3.5) где: cosfнагр - коэффициент мощности нагрузки.
Принимаем /37/ cosfнагр = 0,9
[pic]
Принимаем автоматический выключатель А3114 (на листе 5 QF1) Uн= =500В,
Iан=100А, Iэр = 20 А.
Автоматический выключатель QF2 защищает GB2 от перегрузки (например при заклинивании GB1) и аккумуляторы и МПТ от коротких замыканий. Поэтому выбираем автоматический выключатель с комбинированым расцепителем по условиям /21,46/:
Uан(Uн
Iан(Iр mах
Iу(1,25Iр.mах
Iм ср(1,25Iпуск где: Iу - ток уставки расцепителя, А;
Iм ср - ток отсечки расцепителя, А;
Iпуск - пусковой ток МПТ, А.
Iпуск =225 А.
Iу(1,25 36 = 45 А,
Iм ср (1,25 225 = 281 А.
Принимаем автоматический выключатель А3113 Iн = 100 А; Ток уставки расцепителя Iу = 50 А; Ток отсечки Iм ср = 4Iн = 400 А.
Выбираем аппаратуру управления /30,31/ исходя из ее назначения и коммутируемых токов (таблица 5.3.1.)
Таблица 5.3.1.
Аппаратура управления.
|Обозначение|Наименование |Параметры |Кол-во |
|VD1,VD6 |Диод |IIном = 100А |6 |
| | |Uном = 400В | |
|SА1 |Переключатель |Iном = 100А |1 |
|SA2 |Переключатель |Iном = 100А |1 |
[pic],
(5.3.8.)
6. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ МОНТАЖЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ВИЭ
6.1.Опасности, связанные с монтажом и эксплуатацией энергоустановок на ВИЭ
Монтаж ветроэнергетической установки создает опасности, характерные при сооружении высотных мачтовых устройств. В этой связи необходимо остерегаться падения самой мачты и тяжелых предметов. При монтаже солнечных коллекторов также возможны их падения.
