Промышленное и строительное оборудование для предприятий Екатеринбурга и УрФО

Екатеринбург 10:00 - 18:00

+7 (343) 319-51-27(26)+7 (343) 380-53-64

КОММЕНТАРИЙ К РУКОВОДСТВУ ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРОВ ФИРМЫ ENDRESS

Дата публикации: 21.04.2021

1. Трехфазная и однофазная сеть переменного тока, потребители, генераторы.
Трехфазный генератор переменного тока вырабатывает три одинаковых по величине и частоте переменных напряжения синусоидальной формы, сдвинутые во времени по отношению друг к другу на 1/3 периода. Между ними имается сдвиг фаз в 120 электрических градусов.
Каждое из этих напряжений вырабатывается отдельной обмоткой генератора и его можно передавать потребителям по 2-м проводам, для чего потребовалось бы 6 проводов. Однако, одно из преимуществ 3-фазной системы в том и состоит, что для передачи этих напряжений достаточно 3-х, либо 4-х проводов.
В первом случае фазы соединены в виде треугольника: начало обмотки первой фазы соединено с концом второй, начало второй с концом третьей и т.д.
Во втором случае, соединение выполняется в виде звезды: концы всех фаз соединены в одной точке, называемой нулевым проводом. По такой схеме выполнено соединение обмоток трехфазных генераторов ENDRESS
При соединении по схеме звезда от генератора можно получить две группы разных по величине напряжений: три напряжения, снимаемых между началами фаз, называемых линейными Un или три напряжения, снимаемых с каждой фазы относительно нулевого провода - фазные напряжения Uф . Между ними имеется соотношение:
Uл =v 3Uф. Поскольку Uф = 230 В., то U = 400 B.
Преимущество трехфазной системы состоит в простоте получения вращающегося в пространстве магнитного поля. Это необходимо для работы самого распространенного в промышленности потребителя - асинхронного электродвигателя переменного тока. При трехфазном питании конструкция такого двигателя предельно проста, а его характеристики достаточно хороши.
Вместе с тем, существует огромное количество однофазных потребителей, т.е. не требующих для своей работы трехфазного напряжения.
К ним можно отнести:

Все эти потребители - маломощные. Потребители второй и третьей группы, не требуют трехфазного питания.
Однофазные двигатели переменного тока (асинхронные и коллекторные) при малых мощностях незначительно уступают по своим характеристикам трехфазным электродвигателям. К тому же они, как правило, используются в условиях, где доступ к трехфазной сети либо отсутствует, либо затруднен (жилье, мелкие фирмы, офисы, и т.д.).
К однофазным потребителям электроэнергия подается по однофазной схеме. Для этого трехфазная система распределения электроэнергии разделяется на 3 однофазных: от одной фазы питается одна группа потребителей (например, - ряд квартир многоэтажного дома), от другой фазы - вторая группа, от третьей - третья. Величина фазного напряжения - 230 в. (по европейскому стандарту).
При таком распределении однофазных потребителей необходимо равномерно загружать все фазы.
2. Распределение нагрузки по фазам, перекос фаз.
В условиях больших электроэнергетических систем неравномерная загрузка фаз практически отсутствует. За этим следят соответствующие технические службы. На уровне потребителей никакой специальной защиты от неравномерной загрузки фаз нет. В каждой фазе установлены приборы защиты от перегрузки (предохранители или автоматические выключатели) на одинаковые токи срабатывания.
Совсем иное дело, когда однофазные потребители питаются от автономного генератора, и их единичная мощность соизмерима с мощностью генератора. В этих условиях вполне возможна неравномерная загрузка фаз генератора, что неблагоприятно сказывается на его использовании.
Трехфазный генератор рассчитывается на равномерную нагрузку всех фаз, при этом ток, протекающий через каждую фазу не должен превышать номинального значения. Так, если бы мы захотели полностью использовать по мощности трехфазный генератор, подключив нагрузку только к одной фазе, то, при прочих равных условиях, ток этой фазы должен был бы превышать номинальный в 3 раза. Такой ток вызовет перегрев обмотки фазы генератора и либо она выйдет из строя, либо сработает температурная защита генератора и он будет остановлен. В некоторых генераторах фирмы Endress такая защита имеется. Она выполнена в виде трех датчиков, встроенных в обмотки генератора. При срабатывании всех трех датчиков выключается система зажигания приводного двигателя.

Неблагоприятным является и режим, при котором фазы генератора загружены неодинаково, но ток каждой фазы не превышает номинального, - появляется повышенная вибрация, ухудшаются другие характеристики генератора.
Нормы на неравномерность загрузки фаз автономных генераторов отсутствуют. Исходя из практики, для генераторов мощностью более сотни киловатт (кВт), считается недопустимой работа с рассогласованием нагрузок по фазам более 20-30 %.
Для генераторов меньшей мощности эта цифра, по-видимому, может быть большей. Так, по косвенным признакам, некоторые генераторы фирмы допускают неравномерность загрузки до 50% от номинальной мощности фазы. Вместе с тем, приемлемым следует считать уровень рассогласования не более 5-10%.
Дополнительным негативным следствием неравномерной загрузки фаз является возникающая при этом асимметрия напряжений по фазам - перекос фаз. Напряжение наиболее загруженной фазы оказывается пониженным относительно других. Это отрицательно влияет как на генератор, так и на работающие от него трехфазные потребители.
Из сказанного следует ряд выводов:

В состав автоматического выключателя дополнительно может входить устройство защитного отключения (действует мгновенно). Оно обеспечивает защиту людей от поражения током при нарушении изоляции электрических цепей в потребителях.
Ряд генераторов (трехфазных) имеют температурную защиту (см. выше).
3. Синхронные и асинхронные генераторы.
Синхронные генераторы применяются в широком диапазоне мощностей и составляют основу продукции фирмы ENDRESS.

Их относительным недостатком является наличие обмотки возбуждения, расположенной на роторе. Вследствие ее вращения, она более подвержена механическим повреждениям. Особенно уязвим узел подвода к ней тока - через щетки и контактные кольца, которые изнашиваются. Износ усиливается в условиях повышенной запыленности. Частично этот недостаток устранен в бесщеточных генераторах, где щетки и кольца отсутствуют, но обмотка возбуждения сохраняется. Вместе с тем, наличие обмотки возбуждения позволяет строить эффективные системы автоматического регулирования (стабилизации) напряжения генератора - системы компаундирования, электронные регуляторы. Это особенно важно для работы на потребители с большими пусковыми токами, к которым относятся асинхронные электродвигатели.
Относительным недостатком маломощных (несколько кВт) синхронных генераторов следует считать сложность обеспечения их конструктивного совершенства. Вследствие этого, форма синусоидального напряжения не всегда хороша.
Асинхронный генератор, обмотки на роторе, колец и щеток не имеет, поэтому менее механически уязвим и практически не требует технического обслуживания. Поэтому фирма и рекомендует его применение в тяжелых климатических условиях, заодно усилив это свойство обеспечением ему класса защиты IP54. По электрическим параметрам, при мощностях до 6 кВт, он конкурентоспособен с синхронным генератором. Вместе с тем, подключение к нему потребителей с большими пусковыми токами (асинхронные двигатели) нежелательно. Для нормальной работы асинхронный генератор требует обязательного наличия громоздкой батареи конденсаторов. Кроме того, сложно регулировать его напряжение (в асинхронных генераторах фирмы ENDRESS такого регулирования нет). Поэтому, при больших мощностях он уступает синхронному генератору.
Следует отметить недостаток информации и опыта применения таких генераторов в нашей стране.
Класс защиты ГР54 означает, что генератор практически защищен о пыли, от попадания в него твердых предметов любых размеров, а также от брызг воды, падающих на него под любым направлением. В отличие от него, класс защиты IP23 означает, что генератор защищен от проникновения внутрь твердых предметов диаметром более 12 мм. (включая пальцы рук), а также от попадания воды в виде дождя, падающей под углом доя 60 градусов от вертикали.

4. Активная, реактивная, полная мощность. Коэффициент мощности.

Потребители электроэнергии делятся на три группы:
- потребители активной мощности;
- потребители реактивной мощности;
- потребители смешанной мощности.
К первой группе относятся все виды электронагревательных приборов, освещение, электронная аппаратура. Поступающая к ним электроэнергия безвозвратно преобразуется в другой вид энергии - в тепловую, в энергию светового излучения, и т.д. Это полезно используемая в потребителе электроэнергия. Нагрузку, потребляющую такую мощность, называют омической, т.к. ток в цепи с такой нагрузкой подчиняется закону Ома: I = U / R. Переменный ток, протекающий через такую нагрузку, совпадает по фазе с приложенным к ней напряжением, т.е. угол сдвига фаз ф равен нулю. Косинус этого угла, называемый коэффициентом мощности, равен 1:
Cosф — Cos 0 ° = 1.
Активную мощность можно выразить формулой:
Р = U * I * cos 0 ° = U * L
Единица измерения активной мощности - ватт (Вт).
Потребителями реактивной мощности являются конденсатор или катушка индуктивности. Потребляемый ими переменный ток либо отстает (в катушке индуктивности) либо опережает (в конденсаторе) по фазе переменное напряжение на 90 °. При этом:
Cosф = Cos90° = 0.
Потребляемая ими мощность называется реактивной и выражается формулой: -
Q = U * I * Sin90° = U * L
Единицей ее измерения является вар (вольтампер, реактивный).
Реактивная мощность не превращается в другие виды энергии, т.к. не является полезной для потребителей. Имеет место лишь обмен электромагнитной энергией между генератором и реактивной нагрузкой.
Большинство потребителей электроэнергии одновременно потребляют как активную, так и реактивную мощность, т.е. являются потребителями смешанного типа. Все электродвигатели трансформаторы, и любые другие электроустройства, в конструкции которых имеется какая-либо обмотка, относятся к активно-реактивным потребителям, Общий ток I, потребляемый такой нагрузкой, отстает по фазе от напряжения на угол, находящийся в диапазоне ф = 0...90 ° . Этот ток можно разложить на две составляющие: активный ток Iа, совпадающий по фазе с напряжением, и реактивный ток Iр. Отстающий по фазе от напряжения на 90°. 
 

Для токов, справедливы соотношения:
I^2 =Ia^2 + Ip^2; Ia=I * Сosф;
Ip = I * Sinф.
При таком представлении можно считать, что полная мощность S, потребляемая однофазной нагрузкой, складывается из двух составляющих:
- активной: Р = U * Ia = U * I * Cosф;
- реактивной: Q = U * Ip = U * I * Sinф.
Поскольку полный ток I является геометрической суммой активного и реактивного тока, то и полная мощность - геометрическая сумма активной и реактивной мощности:
Если подключить в цепь нагрузки амперметр, то он покажет полный ток I и полную мощность, которую можно определить по формуле:
S = U * L
Единицей измерения полной мощности является вольтампер (В А). По абсолютной величине: 1ВА = 1 Вт = 1 Вар.

Для трехфазного потребителя справедливы соотношения:

Р =v3 * U * I * Cosф; Q = v3 * U * I * Sinф; S =v3 * U * I,
Где U - линейное (межфазное при соединении обмоток генератора звездой) напряжение; I- линейный ток.
Полезной является активная мощность. Потребление нагрузкой реактивной мощности является неблагоприятным фактором. Обмотки генератора и потребителя приходится выполнять проводом большого сечения, рассчитанного на полный ток I, а не на его активную часть Iа. Поэтому все потребители стремятся сконструировать с возможно большим Cosф. Поскольку от генератора к потребителю поступает полный ток I и его обмотки именно на этот ток и рассчитаны, то и мощность генератора выражается в ВА.
А чтобы знать, какую активную мощность может отдать генератор, дополнительно указывается его Cosф (или сразу величина Р = S-cosф).
Например, генератор ESE 2202 D YS/S D ES имеет полную мощность 20 000 В А при Cosф = 0.8. Это значит, что он способен отдать в нагрузку активную мощность Р= S * cosф = 20 000 * 0.8 = 16 000 Вт. Отдаваемая при этом реактивная мощность может составить
Q = v(S^2 * P^2) = v (20 000^2 * 16000^2) = 12 000 ВAр.
Полный ток генератора при этом составит I = 29 А.
Соотношение между реактивной и активной составляющими тока будет таким же, как и между мощностями. Из рассмотренного примера следует два вывода:

Задача не имеет точного, однозначного ответа, поскольку для ее корректного решения необходимо знать:
- номинальную мощность каждого потребителя и его Cosф
- коэффициент загрузки каждого потребителя;
- коэффициент одновременности работы потребителей;
- распределение однофазных потребителей по фазам;
- кратность пускового тока и способ пуска и т.д.
Поскольку на момент приобретения генератора эти данные почти всегда отсутствуют, можно дать лишь общие рекомендации для некоторых относительно простых случаев.
5.1. Нагрузка - чисто активная.
Необходимо просуммировать мощность всех одновременно работающих потребителей, увеличить ее на 10 % - это и будет требуемая активная модность генератора (Вт).
5.2. Нагрузка - активно-индуктивная (трехфазные двигатели).
Пусковой ток асинхронного трехфазного двигателя в 3 и более раз превышает его номинальное значение. Действует он кратковременно - по мере набора частоты вращения, пусковой ток снижается до номинального. Пусковой ток опасен тем, что вызывает снижение напряжения генератора (настолько, что двигатель может и не запуститься), является для генератора ударной, - внезапно прикладываемой нагрузкой. Это может привести к повреждению обмоток генератора, к остановке приводного двигателя. Здесь может быть два предельных варианта нагрузки.
а) генератор работает на одиночный асинхронный двигатель. Активная модность генератора как минимум в 2 раза должна превышать активную модность электродвигателя, потребляемую им в номинальном режиме. При выборе мощности генераторных агрегатов следует руководствоваться таблицей, приведенной на стр. 46 фирменного буклета ENDRESS, составленного вполне корректно, в отличие таблицы, приводимой на стр. 44, 45.

Если для двигателя указана развиваемая им на валу, а не потребляемая мощность, но при этом известны питающие напряжение U, ток I, и cosф, то потребляемую активную мощность можно найти по формуле:
б) генератор работает на несколько электродвигателей примерно равной мощности. В этом случае запас по мощности генератора можно снизить, причем тем сильнее, чем меньше мощность каждого из них. В предельном случае, когда электродвигателей много и влияние пускового тока отдельного двигателя на генератор незначительно, активную мощность генератора можно определить как для случая чисто активной нагрузки, (однако, запускать такие двигатели нужно поочередно). Суммарная полная мощность элекродвигателей не* должна превышать полной мощности генератора. Ее можно найти, просуммировав полные мощности (S = Q = v3 * U * I ) элекродвигателей.
5.3. Нагрузка активно - индуктивная (однофазная).

Однофазные двигатели переменного тока, входящие в состав электроинструментов, таких, как электродрель, дисковая пила, стиральная машина, и т.д. По характеру такая нагрузка ближе к чисто активной, пусковые токи не настолько велики, как в трехфазном асинхронном двигателе. Потребленную ею мощность можно считать активной, поскольку Cosф, как правило, не учитывается. Это дает некоторый запас. Мощность генератора можно оценить как в случае с чисто активной нагрузкой, с несколько большим запасом ( до 20%).
Независимо от характера нагрузки, при выборе генератора следует придерживаться рекомендации: чем больше число нагрузок и меньше мощность каждой из них, чем плавнее они включаются, тем лучше можно использовать генератор по мощности.
Загрузка генератора на 100% нежелательна.
Оптимальная загрузка 80-85%.
Если от трехфазного генератора предполагается питать и однофазные потребители, следует учесть дополнительно рекомендации п. 2.
6. Порядок пуска и выключения нагрузки.
В любом случае нагрузки следует включать поочередно. При этом самый мощный потребитель целесообразно включать первым, когда у генератора запас по мощности наибольший. При этом, даже если генератор выбран с 2-х кратным запасом по условию пуска мощного асинхронного двигателя, после пуска такого двигателя генератор можно «догрузить» более мелкими потребителями до 80-85% номинальной мощности.
Выключение потребителей целесообразно выполнять в порядке, обратном их включению.
Остановка генератора должна производиться только после выключения нагрузки. Остановка двигателя с включенными потребителями запрещается правилами технической эксплуатации в целях сохранения его работоспособности.