Стартер-генераторная установка для автономной системы электроснабжения на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты и способ ее использования

Стартер-генераторная установка для автономной системы электроснабжения на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты и способ ее использования

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в стартер-генераторе низкоскоростного роторно-лопастного двигателя в составе автономной кооперационной системы энергоснабжения, ветроэнергетических и других установок на основе альтернативных источников энергии. Техническим результатом является обеспечение работы установки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты с высокими показателями энергетической эффективности в трех режимах с использованием типовых вентильных преобразователей и общепромышленного вентильного двигателя и повышение эффективности системы управления. Вентильный преобразователь напряжения (3) выполнен на активных полупроводниковых элементах с двусторонней проводимостью. В систему добавлены аккумуляторная батарея (9) и вторичные источники питания (10). Управление потоком электрической энергии осуществляется с использованием обратной связи по напряжению или току звена постоянного напряжения с учетом скорости вращения синхронной машины (2) и изменения нагрузки переменного напряжения. Система управления мультипликатором (7) связана с главной системой управления (6) роторно-лопастного двигателя (1). 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области использования трехфазных синхронных машин, силовых преобразователей для выработки электроэнергии и может быть использовано для стартер-генератора низкоскоростного роторно-лопастного двигателя в составе автономной когенерационной системы энергоснабжения, ветроэнергетических и других установок на основе альтернативных источников энергии.

Известна система «синхронный генератор с постоянными магнитами — активный выпрямитель — инвертор напряжения» для ветроэнергетических установок [Харитонов С.А. «Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии для автономных объектов», Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2011, схема с. 370].

С точки зрения применения данной системы к низкоскоростному роторно-лопастному двигателю с переменной частотой вращения вала, она обладает рядом недостатков. Отсутствие мультипликатора частоты вращения вала либо напряжения генератора, либо напряжения на звене постоянного тока делает невозможным применение низкоскоростного двигателя. Применение мультипликатора частоты вращения вала (редуктора) либо напряжения генератора (трансформатора) существенно повышает массогабаритные показатели энергетической установки. Проблематично использование синхронного генератора в режиме стартера для роторно-лопастного двигателя.

Наиболее близкой к предлагаемой является система для выработки электроэнергии, используемая в малых гидро- и ветроустановках с переменной частотой вращения вала электрической машины, представляющая собой структуру «неуправляемый выпрямитель — корректор коэффициента мощности (мультипликатор постоянного напряжения) — инвертор напряжения» [Т. Sobczyk, W. Mazgaj, Z. Shular, Т. Wegiel, L. Kopchak, B. Kopchak, R. Jacukowicz, M. Twerd. «Power electronic conversion system for small power plants based on renewable sources», журнал «Электротехнические и компьютерные системы» (Одесса), №3, 2011, с. 367-370], содержащая возбуждаемую постоянными магнитами синхронную машину, которая со стороны ротора механически связана с приводной турбиной, со стороны статора электрически связана с трехфазным вентильным преобразователем напряжения, выход которого соединен с входом вентильного мультипликатора постоянного напряжения, при этом выход мультипликатора соединен с входом инвертора, который со стороны переменного напряжения подключен к трехфазной нагрузке переменного напряжения или промышленной сети, причем управление инвертором осуществляется системой управления с обратной связью по напряжению и току трехфазной нагрузки, при этом система управления инвертором связана с системой управления турбиной, тогда как управление вентильным мультипликатором постоянного напряжения осуществляется системой управления с обратной связью по току или напряжению на выходе мультипликатора.

К недостаткам данной системы (автономной установки) относятся:

— система предназначена только для обеспечения генераторного режима работы. Ввиду того что данная система имеет в составе неуправляемый выпрямитель, для обеспечения пусковых режимов низкоскоростного роторно-лопастного двигателя необходимо подключение дополнительной системы пуска;

— система управления автономной установкой связана с системой управления электрической подсистемой через систему управления инвертором, которая не требуется.

В основе предлагаемого устройства лежит задача построения автономной стартер-генераторной установки (полупроводниковой преобразовательной системы) для работы с роторно-лопастным двигателем с внешним подводом теплоты (низкоскоростным двигателем с переменной частотой вращения) таким образом, чтобы обеспечивались необходимые режимы работы: режим выработки электроэнергии, режим запуска двигателя от аккумуляторной батареи и дополнительный режим запуска от сети при ее наличии, задача выработки электроэнергии с помощью такой установки, а также задача организации более эффективного управления установкой.

На фигуре 1 показана функциональная схема стартер-генераторной установки для системы электроснабжения на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты, обеспечивающей режимы выработки электроэнергии и запуска системы от трехфазной промышленной сети при ее наличии, а также с изменениями в системе управления.

Согласно фигуре 1 система состоит из следующих элементов.

Роторно-лопастной двигатель (1) механически связан с возбуждаемой постоянными магнитами синхронной машиной (2) со стороны ротора. Возбуждаемая постоянными магнитами синхронная машина (2) со стороны статора электрически связана с трехфазным вентильным преобразователем напряжения (3), выход которого соединен с входом вентильного мультипликатора постоянного напряжения (4), при этом выход мультипликатора соединен с входом инвертора (5), который со стороны переменного напряжения подключен к трехфазной нагрузке переменного напряжения или промышленной сети.

Роторно-лопастной двигатель (1) управляется главной системой управления (6), вентильный мультипликатор постоянного напряжения (4) управляется системой управления (7) с обратной связью по току или напряжению на выходе мультипликатора. Главная система управления роторно-лопастным двигателем (6) связана с системой управления мультипликатором постоянного напряжения (7).

На фигуре 2 изображена итоговая функциональная схема стартер-генераторной установки для автономной системы электроснабжения на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты с добавлением элементов, обеспечивающих режим запуска двигателя от аккумуляторной батареи. Остальные элементы идентичны фигуре 1.

Аккумуляторная батарея (8) соединена с вентильным преобразователем напряжения (3) со стороны постоянного напряжения и вторичными источниками питания (9), которые соединены с питанием системы управления (7), вентильного преобразователя напряжения (3) и инвертора (5).

Техническое решение поставленной задачи обеспечения необходимых режимов работы установки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты достигается тем, что вентильный преобразователь напряжения (3) выполнен на активных полупроводниковых элементах с двусторонней проводимостью. Обеспечение режима запуска от сети достигается также тем, что в систему добавлены аккумуляторная батарея (8) и вторичные источники питания (9). Задача организации более эффективного управления установкой достигается тем, что управление потоком электрической энергии осуществляется с использованием обратной связи по напряжению или току звена постоянного напряжения с учетом скорости вращения синхронной машины (2) и изменения нагрузки переменного напряжения, при этом система управления мультипликатором (7) связана с главной системой управления (6) роторно-лопастного двигателя (1).

Обеспечение необходимых режимов работы установки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты и организация эффективного управления установкой осуществляются следующим образом:

1. Режим выработки электроэнергии (в т.ч. параллельная работа с сетью (или аналогичными системами)).

Возбуждаемая постоянными магнитами синхронная машина (2) работает в генераторном режиме, приводится во вращение низкоскоростным роторно-лопастным двигателем с внешним подводом теплоты (1), работающим с переменной частотой вращения вала. В качестве синхронной машины с постоянными магнитами может быть использован любой общепромышленный вентильный двигатель с постоянными магнитами необходимой мощности. Трехфазный вентильный преобразователь (3) работает в режиме активного выпрямителя и выдает на выходе постоянное напряжение низкого уровня, подаваемое на вход повышающего преобразователя постоянного напряжения (4) (коэффициента корректора мощности).

Необходимое для работы постоянное напряжение высокого уровня подается на вход инвертора (5) (в случае применения трехфазного инвертора свыше 450 В), и тем самым обеспечивается выходное напряжение трехфазной сети 380 В/50 Гц.

Управление системой выработки электроэнергии и связь с главной системой управления (6) производится через систему управления вентильным мультипликатором постоянного напряжения (7). Управление через мультипликатор совмещает управление в зависимости от подключения нагрузки (не требуется система управления инвертором) и в зависимости от переменной скорости вращения роторно-лопастного двигателя. Таким образом, система управления инвертором с обратной связью по току и напряжению не требуется, а в качестве инвертора может быть использован любой типовой однофазный или трехфазный инвертор соответствующей мощности. Частота сети 50 Гц остается постоянной, а регулирование напряжения сети регулируется значением напряжения высокого уровня на выходе преобразователя постоянного напряжения (4).

2. Режим запуска двигателя от аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея (8) питает блок вторичных источников питания (9), который, в свою очередь, питает системы управления всей когенерационной установки и управляющие цепи вентильных преобразователей (3, 4, 5). В пусковом режиме питаемый от низкого постоянного напряжения вентильный преобразователь (3) работает в режиме инвертора и запускает синхронную машину с постоянными магнитами (2) и, соответственно, роторно-лопастной двигатель с внешним подводом теплоты (1) на малую частоту вращения.

3. Дополнительный режим запуска от сети при ее наличии.

Данный режим требует переключения в силовой части энергетической установки и осуществляется путем отключения преобразователя постоянного напряжения (4) и соединения по звену постоянного тока вентильных преобразователей (3) и (5). Вентильный преобразователь (3) подключается к трехфазной сети повышенного напряжения и работает в режиме активного выпрямителя, выдавая на выходе достаточное для инвертора (5) напряжение звена постоянного тока. Инвертор (5) питает синхронную машину с постоянными магнитами (2), осуществляя ее запуск (и, соответственно, облегченный режим запуска роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты (1)). Системы управления и управляющие цепи преобразователей запитываются от внешней сети.

Заявляемый способ предназначен для выработки электроэнергии с помощью вышеописанной стартер-генераторной установки с усовершенствованной организацией системы управления (фигура 1), с элементами для запуска установки (фигура 2) и без них (фигура 1).

Техническим результатом является обеспечение работы установки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты с высокими показателями энергетической эффективности в трех режимах с использованием типовых вентильных преобразователей и общепромышленного вентильного двигателя, а также повышение эффективности системы управления такой установки.

1. Стартер-генераторная установка, содержащая возбуждаемую постоянными магнитами синхронную машину, которая со стороны ротора механически связана с роторно-лопастным двигателем, со стороны статора электрически связана с трехфазным вентильным преобразователем напряжения, выход которого соединен с входом вентильного мультипликатора постоянного напряжения, при этом выход мультипликатора соединен с входом инвертора, который со стороны переменного напряжения подключен к трехфазной нагрузке переменного напряжения или промышленной сети, причем управление вентильным мультипликатором постоянного напряжения осуществляется системой управления с обратной связью по току или напряжению на выходе мультипликатора, отличающаяся тем, что вентильный преобразователь напряжения выполнен на активных полупроводниковых элементах с двусторонней проводимостью, а также система управления вентильным мультипликатором постоянного напряжения связана с системой управления роторно-лопастным двигателем, в свою очередь, система управления инвертором с обратной связью по напряжению и току трехфазной нагрузки отсутствует.

2. Стартер-генераторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит аккумуляторную батарею, которая соединена с вентильным преобразователем напряжения со стороны постоянного напряжения и вторичными источниками питания, которые соединены с питанием системы управления вентильным мультипликатором постоянного напряжения, вентильного преобразователя напряжения и инвертора.

3. Способ выработки электрической энергии, отличающийся тем, что используется устройство по пп. 1, 2.

Системы автономного электроснабжения

Автономная система электроснабжения применяется в том случае, когда нет возможности подключиться к централизованным электросетям. В качестве источника электроэнергии в состав автономной системы электроснабжения могут входить:
— дизельная или газовая электростанция;
— дизельная или газовая электростанция + инвертор напряжения + АКБ
-ветроэлектрическая установка (ВЭУ) + инвертор напряжения + АКБ ;
-солнечная батарея (СБ) + инвертор напряжения + АКБ.
Для неподготовленного человека сделать правильный выбор очень непростая задача. Ориентируясь на наш 10-ти летний опыт, мы определили, что в 90% стоящих задач сделать выбор можно довольно просто, ориентируясь на величину предполагаемой потребляемой мощности и суточный/недельный график ее потребления. И именно эти параметры мы просим честно, обман/самообман в данном вопросе очень критичен, предоставить Заказчика (или рассчитываем вместе с ним).
Величина мощности среднесуточная и часовая определяет, какую систему электроснабжения выбрать. ПРИМЕР: длительное потребление от инвертора с АКБ мощности более 4 кВт крайне неэффективно, и приводит к ускоренному выходу АКБ из строя (довольно большой разрядный ток). В наших системах при превышении мощности в 4-5 кВт, в течение 3-5 минут, автоматически заводится электростанция и принимает нагрузку на себя. При снижении мощности нагрузка снова переключается на инвертор и АКБ.
График потребления мощности определяет, какую систему управления электроснабжением практичнее применить в данном случае. ПРИМЕР: Загородный дом для постоянного проживания. Потребляемая среднечасовая мощность в присутствии хозяев 6-10кВт/час, в отсутствии хозяев и ночное время 0,5-1,5кВт/час. Смысла тратить энергию АКБ при потреблении 6-10кВт/час нет никакого, АКБ разрядятся быстро, а потом будут 8 часов заряжаться, когда нагрузки в доме уже не будет. Разумнее всего в данной системе совместно со штатной системой управления (запуск/останов по разряду АКБ) применить суточный таймер времени. Таймер позволит наиболее эффективно использовать ресурсы электростанции и АКБ.
Теперь, давайте очень кратко (подробно на это можно потратить месяцы) разберем источники электроэнергии и наше отношение к ним. Ветроэлектрические установки (ВЭУ) и солнечные батареи (СБ) (возобновляемые источники электроэнергии) имеют ограниченную мощность к тому же сильно зависящую от внешних факторов: времени суток, погодных условий. Так указанная в характеристиках мощность ветрогенератора рассчитана на номинальную силу ветра (для 3х лопастных ВЭУ это около 10ти м/с) и зависимость от ветра носит далеко нелинейный характер. Скажем при снижении скорости ветра в 2 раза по отношению к номинальной, мощность ветрогенератора может составлять не более 10%. СБ в пасмурную погоду выдают около 3% мощности. Поэтому ветрогенераторы и СБ если и используются в автономных системах электроснабжения рассчитанных на современный загородный дом, то чаще в качестве дополнительных источников электроэнергии, которые, надо сказать, могут существенно улучшить работу автономной системы электроснабжения в целом. Но на роль основного источника электроэнергии в автономной системы электроснабжения лучше всего подходит дизельная или газовая электростанция (далее электростанция) жидкостного охлаждения 1500 об/мин. Такие электростанции имеют достаточно большой ресурс 20000-40000 часов, а также экономичный расход топлива.
Мы предлагаем автономную систему электроснабжения, работающую следующим образом: потребители дома получают электроэнергию от аккумуляторной батареи (АКБ) через инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный 220В. При разряде АКБ производится автоматический запуск электростанции, который принимает на себя электроснабжение дома, одновременно происходит заряд АКБ от зарядного устройства (ЗУ). После окончания заряда аккумуляторов электропотребление автоматически возвращается на аккумуляторы, а электростанция останавливается. Таким образом, цикл замкнулся.
Это если коротко. На самом деле все происходит несколько сложнее. Время электроснабжения дома от АКБ зависит от емкости аккумуляторов и потребляемой электрической мощности. В свою очередь срок эксплуатации АКБ существенным образом будет зависеть от глубины разряда аккумуляторов в цикле. Чем меньше Вы разряжаете АКБ, тем дольше она Вам прослужит. Но и если не давать аккумуляторам разряжаться, теряется смысл автономной системы, будет постоянно работать электростанция, которая станет попросту автономным источником электроэнергии. Поэтому необходим компромисс между ресурсами АКБ и электростанции. По нашему опыту эксплуатации автономной системы электроснабжения данный компромисс находится в разряде АКБ на 80% емкости. Заряд АКБ, применяемых в автономных системах электроснабжения происходит неравномерно: аккумуляторы способны 90% емкости набрать за 4-6 часов заряда, а до 100% они будут заряжаться еще 5-7 часов, ДГ, при этом, будет работать практически в холостую. Исходя из сказанного мы программируем работу автономной системы электроснабжения таким образом, что разряд АКБ происходит на 80% а заряд — до 90% емкости аккумуляторов. Для предотвращения снижения емкости АКБ, в следствии недозаряда, периодически проводится лечебный цикл с разрядом АКБ до 10% с последующим зарядом до 100% емкости. Обычно в программе зарядного устройства лечебным является каждый 10-й цикл. На сроке эксплуатации АКБ существенным образом сказывается способность ЗУ обеспечивать заряд согласно предписанию завода изготовителя аккумуляторов. Такой заряд может обеспечить только "интеллектуальное" ЗУ с ШИМ-модулированием и изменяемыми параметрами заряда.

Обратившись к нам Вы можете быть уверены, что предложенное нами оборудование и наш опыт монтажа и обслуживания автономных систем электроснабжения позволит наилучшим образом решить Ваши задачи.

Автономная система электроснабжения на основе комбинированной ветро-дизельной установки Ербаев Ербол Тулегенович

Ербаев Ербол Тулегенович. Автономная система электроснабжения на основе комбинированной ветро-дизельной установки: диссертация . кандидата Технических наук: 05.09.03 / Ербаев Ербол Тулегенович;[Место защиты: ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»], 2018

Введение к работе

Актуальность работы. Значительная часть территории Российской Федерации (РФ), имеющая малую плотность населения, не присоединена к централизованным электроэнергетическим системам. Подобная картина является характерной и для Республики Казахстан (РК), занимающей 9-е место в мире по площади территории (2,7 млн. км 2 ). При этом плотность населения составляет всего 5,5 чел./км 2 .

На протяжении многих лет дизель-генераторы (ДГ) являются основным источником электроснабжения потребителей на удаленных территориях, и на сегодняшний день полноценной замены им нет. Однако дизельные электростанции (ДЭС) обладают рядом недостатков, главными из которых являются высокая себестоимость генерируемой электроэнергии, обусловленная большим расходом дорогого дизельного топлива, и затраты на его доставку в отдаленные районы.

Одним из способов повышения эффективности ДЭС является применение
гибридных автономных электростанций на основе возобновляемых источников
энергии (ВИЭ). Среди всех видов ВИЭ в долгосрочной перспективе наибольший
потенциал имеет ветроэнергетика на территории как России, так и Казахстана. В
настоящее время уровень разработок и внедрения автономных

электрогенерирующих систем с совместным использованием ДЭС и ВИЭ остается недостаточным. Учитывая данные обстоятельства, актуальными являются задачи разработки, создания, исследования и внедрения новых высокоэффективных автономных ветро-дизельных электрических установок (ВДЭУ) для выработки электроэнергии.

Проблеме создания автономных источников электроэнергии на основе
ВИЭ + ДЭС посвящён целый ряд работ как в России, так и за рубежом. Большой
вклад в развитие теории и разработку конструкции ВДЭУ внесли отечественные
ученые: Б.В. Лукутин, С.Г. Обухов, А.В. Серебряков, Н.М. Парников,

А.В. Бобров, М.А. Сурков, Е.Н. Соснина, З.П. Хошнау, А.А. Бельский,

А.А. Аверин, А.Н. Дорошина и др.

Данная диссертационная работа выполнялась в соответствии с программой
06В «Повышение эффективности производства, преобразования, передачи,
распределения электроэнергии и управления электроэнергетическими

процессами», входящей в перечень основных научных направлений СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Объектом исследования является автономный электротехнический комплекс (ЭТК), представляющий собой локальную систему электроснабжения с использованием ВДЭУ.

Предмет исследования – совместные режимы работы ДЭС и ветроэнергетических установок (ВЭУ) в составе автономного ЭТК.

Цель работы и задачи исследования – улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик комбинированных автономных систем электроснабжения, использующих ДЭС и ВЭУ, за счет разработки новых технических решений, рациональной организации режимов работы силового оборудования и системы управления.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

Провести сравнительный анализ существующих технических решений, используемых при построении ветро-дизельных систем автономного электроснабжения, и обозначить перспективные направления создания комбинированных автономных систем электроснабжения повышенной эффективности, использующих ДЭС и ВЭУ.

Разработать инновационную структуру ВДЭУ и алгоритм ее работы.

Разработать математическую модель ВДЭУ с накопителем энергии (НЭ), комплексной нагрузкой и системой управления (СУ).

Исследовать режимы работы ВДЭУ в широком диапазоне скоростей ветрового потока и при различном характере графиков интенсивности работы нагрузки.

5. Оценить экономическую эффективность разработанной системы.
Методы исследования включают аналитические методы, которые

базируются на теории электрических машин, современной теории работы ВЭУ,
а также методы численного и имитационного моделирования

электромеханических систем. Расчетные данные получены с применением пакета прикладных программ MATLAB / Simulink.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается
корректным применением положений теоретических основ электротехники,
электрических машин, апробированных методов компьютерного

моделирования, а также экспериментальными исследованиями опытного образца.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

Результаты сравнительного анализа автономных систем генерирования электроэнергии различной физической природы, позволившие выделить наиболее эффективное направление развития этих систем, основанное на применении в их структуре общей шины постоянного тока, как наиболее эффективное и универсальное решение для суммирования мощности устройств с различной выходной мощностью.

Разработанный и запатентованный ЭТК с системой запрета одновременного пуска мощных нагрузок, обладающий улучшенными технико-экономическими показателями по сравнению с существующими аналогами по удельному расходу топлива (снижение на 15-20 %), установленной мощности (до 30 %) и взаиморезервированию.

Имитационные компьютерные математические модели ЭТК с ВДЭУ, позволяющие исследовать и получать параметры установившихся и динамических режимов работы в условиях изменяющихся в широких пределах внешних и внутренних возмущающих факторов.

Результаты сравнительного моделирования режимов работы мультимодульных ВЭУ, позволившие определить рациональные условия работы ВЭУ (при разном количестве лопастей: 3, 6, 12) в зависимости от скорости ветра, характера нагрузки и способа суммирования выходных мощностей модулей.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

– в выявлении характера зависимости эффективной работы

разнолопастных ветродвигателей многомодульной установки при различных способах формирования выходного напряжения.

– в разработке ветро-дизельной системы автономного электроснабжения (патент РФ №2588613, МПК H02J 3/46) с системой запрета одновременного пуска нескольких мощных нагрузок, что позволяет уменьшить установленную мощность электрогенерирующего оборудования ветрогенератора (ВГ), ДГ и емкость аккумуляторной батарей (АКБ) на 30 %;

– в разработке обобщенной математической модели ЭТК с ВДЭУ, которая позволяет исследовать и получать параметры установившихся и динамических режимов работы в условиях изменяющихся в широких пределах внешних и внутренних факторов;

– в результатах технико-экономического анализа эффективности использования разработанной системы автономного электроснабжения, показывающих, что применение разработанной системы позволяет снизить установленную мощность ДЭС на 25-30 % и, соответственно, уменьшить капитальные затраты на ее приобретение, сохраняя гарантированный ресурс дизеля за счет исключения режима работы дизеля с малыми нагрузками менее 25 % от номинальной мощности дизеля.

Практическую ценность и полезность работы представляют:

Разработанное новое схемотехническое решение ЭТК с ВДЭУ с улучшенными технико-экономическими показателями во всем диапазоне изменения возмущающих факторов и сигналов управления.

Имитационные математические модели, позволяющие снизить расходы и время на проектирование, и разработку ВДЭУ.

3. Конструктивные решения выполнения мультимодульной ВЭУ.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы

использованы при выполнении исследований в учебном процессе кафедры «Энергетика» Западно-Казахстанского аграрно-технического университета имени Жангир хана (ЗКАТУ им. Жангир хана), при проведении лекционных занятий и выполнении курсовых и выпускных работ бакалавров и магистров по специальности 5В071800 и 6М071800 – «Электроэнергетика».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Наука и образование – главный вектор развития Казахстана» (ЗКИГУ, Уральск, 2012), «Казахстан на пути к обществу знаний» (ЗКИГУ, Уральск, 2013); Международной конференции, посвященной 105-летию со дня рождения профессора Красникова В.В. «Новые технологии и технические средства в АПК» (СГАУ им. Н.И. Вавилова, Саратов, 2013); III Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2013); III Всероссийской научно-технической конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (ТГУ, Тольятти, 2014); ХI Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы

электронного приборостроения» (АПЭП-2014, СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2014); XI Международной научно-практической конференции «Проблемы управления в социально-экономических и технических системах: сб. научн. статей по материалам» (СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2015); IV Международной научной конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации» (УОПИ-2015, СГТУ имени Гагарина Ю.А., Саратов, 2015); Международной научно-практической конференции, посвященной 20-летию Конституции Республики Казахстан и Ассамблеи народа Казахстана «Наука и образование XXI века: опыт и перспективы» (ЗКАТУ им. Жангир хана, Уральск, 2015).

Личный вклад соискателя заключается в выполнении основного объема исследований, изложенных в работе, в обработке, анализе, обобщении полученных результатов и формулировке выводов, выполненных в период с 2011 по 2017 года, а также в личном участии в апробации результатов исследования и подготовке основных публикаций по выполненной работе, в разработке, изготовлении и испытаний узлов и агрегатов экспериментальной мультимодульной ВЭУ.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 25 работ (3 статьи в
журналах, входящих в перечень ведущих рецензируемых изданий,

рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 20 статей в научных сборниках, один патент РФ на изобретение и один патент на полезную модель РК). Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Объём и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав с выводами, заключения, списка литературы. Объем работы составляет 139 страниц, в тексте 64 иллюстрации, 4 таблицы. Список литературы включает 178 наименований, в том числе 23 – на иностранном языке.

Электроснабжение в любых условиях

Современная комфортная жизнь в частном доме уже невозможна без электричества. От качества и надежности электроснабжения напрямую зависит функционирование не только бытовых приборов, но и инженерных систем: водоснабжения, отопления, систем безопасности, автономной канализации. Чтобы подключиться к пункту распределения электроэнергии и оборудованию системы электроснабжения дома, требуется провести следующий комплекс мероприятий:

• заключить договор с компанией, поставляющей электроэнергию;
• получить технические условия на подключение дома к линии электроснабжения;
• сделать проект системы электроснабжения дома;
• выполнить технические условия на подключение дома к линии энергоснабжения;
• произвести монтаж системы электроснабжения;
• завершить оформление разрешительной документации у поставщика электроэнергии.

Перед тем как начинать внутреннюю отделку и обустройство возведённого дома, необходимо тщательно проработать все аспекты энергопотребления. Очень важно произвести расчеты и определить самую рациональную схему энергораспределения в доме. В нее должны быть правильно интегрированы все источники энергии, все потребители, все элементы управления и элементы различных защит.

Классификация систем электроснабжения частного дома:

1. Бытовое электроснабжение с напряжением 220/380 V, включающее комплекс оборудования для системы электро-снабжения, розеточные сети и сети освещения.
2. Слаботочные системы. Включают в себя средства управления как конкретными потребителями – рольставнями окон, воротами — так и целыми системами (отопления, водоснабжения, электроснабжения, безопасности и т.п.).
3. Системы резервного (аварийного) электроснабжения дома. Включают в себя резервные и бесперебойные источники питания, системы повышающие напряжение, а также все виды резервных генераторов (бензиновые, дизельные, газовые).
4. Системы автономного энергоснабжения частного дома. Включают в себя все виды генераторов, рассчитанных на постоянную круглосуточную эксплуатацию, и альтернативные источники электроснабжения (солнечные коллекторы и батареи, ветряные электростанции, тепловые аккумуляторы)

1. Бытовое электроснабжение.

Система электроснабжения дома должна быть спроектирована с учётом эффективного использования электрической энергии, т.к. это позволит снизить затраты на эксплуатацию и продлить срок службы системы. Проект электроснабжения дома – это техническая документация, содержащая полную информацию о размещении электрооборудования, электропроводки, освещения, и других электротехнических приборов. Для этого разрабатываются системы управления электроснабжением, обеспечивающие работу электроприборов и инженерных систем по различным сценариям. Например, программируемое включение системы электрического отопления в зависимости от температуры, включение освещения от датчиков движения.

Рисунок 1 Надежность и стабильность работы всех энерго- потребителей дома напрямую зависит от бесперебойного электроснабжения. Это обеспечивается Источниками Бесперебойного Питания (ИБП) и стабилизаторами. Они служат для поддержания постоянного уровня напряжения и защиты электросистем и электроприборов от его колебаний. К ИБП дома могут быть подключены либо все потребители, либо только основные инженерные системы (отопление, водоснабжение, вентиляция, автономная канализация), либо конкретные приборы (газовый котел, холодильник, телевизор и др.). Простейшая локальная схема подключения к ИБП как на (Рисунке 1).

Рисунок 2 Схема обеспечения бесперебойного энергоснабжения для всех потребителей в доме изображена на (Рисунке 2).

Помимо грамотного проектирования системы электро-снабжения, залогом её стабильной, долговечной и безопасной работы, является профессионально выполненный монтаж, с соблюдением Правил Устройства Электроустановок (ПУЭ).

Систему электропроводки в доме необходимо выполнять только медными кабелями. Алюминиевые кабели, по сравнению с медными имеют почти в 2 раза большее удельное электрическое сопротивление — 0,0271 Ом х мм2/м, против 0,0175 Ом х мм2/м.

Алюминий быстро окисляется на воздухе. Образующаяся тонкая пленка окисла, предохраняет его от дальнейшего химического разрушения.

Однако сопротивление этой пленки еще выше, чем у алюминия, что приводит к нагреву места контакта и еще большему увеличению сопротивления. Наиболее часто для монтажа электропроводки в частных домах применяется кабель ВВГнг — небронированный, защищенный кабель с медными жилами, поливинилхлоридной изоляцией, в поливинилхлоридной оболочке. Обозначение «нг» в названии кабеля (ВВГнг) обозначает, что он не распространяет горение при прокладке в пучках (изоляция выполнена из огнеупорного пластиката).

Рисунок 3 Форма сечения и площадь сечения жил всегда указываются в проекте. Важно проверять реальную площадь сечения жил при покупке. Некоторые производители, чтобы сэкономить на дорогостоящей меди, делают жилы меньшего сечения, а изоляцию большего, чтобы провод выглядел толще. Вместо заявленных 2,5мм2 на упаковке, в реальности может быть всего лишь 2мм2. Это, безусловно, на 20% снизит уровень максимально возможной передаваемой им мощности (Рисунок 3).

Рисунок 4 Соединение проводов.

Все скрутки медных проводов должны быть длиной не менее 5-6см и иметь спайку концов, что исключит окисление в месте контакта на протяжении всего периода эксплуатации дома. Затем скрутки тщательно изолируются (Рисунок 4).

Рисунок 5 Устройство защитного отключения Заземление. Во избежание непредвиденных ситуаций и несчастных случаев, а также для защиты человека от поражения током, всё современное электрооборудование имеет заземляющий вывод провода. Все розетки, которые используются в настоящее время, имеют точку подключения к заземляющему контуру.

Рисунок 6 Например: повреждается изоляция на сетевом шнуре, и на корпусе стиральной машины оказывается потенциал сети.

Причём это даже не поломка, и машина продолжает работать, но уже становится источником повышенной опасности.

Если дотронуться одновременно и до корпуса машины, и до металлической водопроводной трубы, мы через себя замкнём электрическую цепь.

Это может закончиться смертельным исходом. УЗО служит для защиты человека от поражения током в таких ситуациях(Рисунок 6).

2. Слаботочные системы

Назначение этих систем передавать сигналы в системах управления различными потребителями дома: бытовой технике, освещению, системам жизнеобеспечения, кабельным системам, системам безопасности и т.д. (Рисунок 7).

Рисунок 7

Наглядный пример максимального использования слаботочных систем в доме, — система «Умный дом». Это самая комфортная система управления домом на сегодняшний день. Благодаря специальному программному обеспечению, в которое заложены сотни сценариев различных ситуаций и алгоритмы работы в них она очень эффективно в автоматическом режиме, осуществляет функции управления всеми энергопотребителями.

Простейшим примером этого является функция имитирования присутствия владельцев. В разных комнатах, в соответствии с обычным, ежедневным укладом жизни семьи, будут включаться телевизор или музыкальный центр, а с наступлением сумерек, освещение в разных комнатах. Наблюдая со стороны, создается полная уверенность в том, что в доме есть люди (Рисунок 8).

Рисунок 8

3. Аварийное (резервное) электроснабжение дома.

Рисунок 9 Даже там, где установлены новые линии электропередач, иногда происходит обесточивание жилых домов. Чаще всего причиной этого является природная стихия. Особенно болезненными становятся аварийные отключенияэлектроэнергии в зимнее время. Решением этой проблемы является установка автономного резервного источника питания (генератора), правильно интегрированного в систему энергоснабжения дома.

Рисунок 10 Обычно в частных домовладениях используются газовые, бензиновые и дизельные генераторы. А также Источники Бесперебойного Питания (ИБП) с аккумуляторами (Рисунок 10).

Газогенераторы — самые экономичные и надежные системы. Их можно устанавливать только на улице, им не страшны морозы. Встроенное зарядное устройство постоянно заряжает пусковой АКБ от сети, а комплект для холодной погоды прогревает картер и АКБ. Цены на качественные газогенераторы номинальной мощностью 5кВт начинаются от 80 000 руб. На фото модель -Generac 5914, мощностью 7кВт, с воздушным охлаждением. Его цена 198 000руб.

Рисунок 11 Дизель генераторы отличаются неприхотливостью. Они успешно работают десятилетиями в самых сложных условиях. Их можно размещать как на улице, так и внутри помещений. К примеру, модель Hyundai DHY6000SE (образец надежности в своем классе), номинальной мощностью 5 кВт, временем автономной работы 10 часов. Цена от 70000руб. (Рисунок 11).

Рисунок 12 Преимуществом бензиновых генераторов является доступность цены, мобильность, компактность и простота пуско-наладочных работ. Однако у них самая высокая стоимость вырабатывания 1кВт энергии и меньший моторесурс, чем у дизельных и газовых генераторов.

Цены на качественные бензиновые генераторы мощностью 5кВт начинаются от 1000$. На фото изображена одна из лучших в мире по надежности моделей — YAMAHA EF6600E. Номинальная мощность — 5кВт, время автономной работы — 9,3час, расход топлива — 2,6л/час, цена от 67000руб. (Рисунок 12).

4. Автономное электроснабжение загородного дома или коттеджа.

Рисунок 13 Вы решили возвести свое домовладение в живописном месте природы, где из окон будущего дома будет открываться великолепный вид на хвойный лес, или кристально чистое озеро у подножья гор, или завораживающую долину. Однако кроме проходящей в нескольких сот метрах дороги, больше нет никаких благ цивилизации, а в особенности главного – энергоснабжения. Эффективно решают эту проблему автономные источники энергии.

Классическое решение — установка дизель генератора в связке с накапливающими энергию аккумуляторами и инвертором, преобразующим постоянный ток от генератора в переменный.

Дизель генератор может работать непрерывно в течение 250 мото*часов, пока не наступит момент очередного техобслуживания. Средний срок эксплуатации дизель генераторов жидкостного охлаждения — 15 000 — 50 000 мото*часов, что эквивалентно 1,7 — 5,7 годам непрерывной работы генератора.

Поскольку потребление энергии происходит неравномерно в течение суток (ночью — минимальное, а утром и вечером — пиковые нагрузки), то генератор работает с перерывами, наступающими, когда потребление энергии в доме минимально и аккумуляторы полностью заряжены. Это значительно продлевает срок его межсервисного обслуживания и весь срок эксплуатации генератора (Рисунок 13).

Рисунок 14 Развитие энергетических технологий в 21 веке подняло эффективность применения альтернативных источников энергии: солнечных батарей, ветрогенераторов и гидрогенераторов. Они позволяют обеспечивать автономное электроснабжение маломощных потребителей в местах, где достаточно природных ресурсов: регулярного солнечного света, ветров или водных потоков (Рисунок 14)

Наиболее эффективными автономными источниками энергии на сегодняшний день являются гибридные комплексы, состоящие из: блока солнечных батарей, ветрогенератора, дизель генератора, инвертора, блока управления системой (контроллера).

Солнечные батареи и ветрогенератор заряжают аккумуляторы в периоды времени, когда достаточно солнца и ветра. Инвертор преобразует постоянный ток в переменный и подает потребителям. При нехватке энергии от альтернативных источников, система управления включает дизель генератор, который восполняет ее и заряжает аккумулятор (Рисунок 15).