Система электроснабжения переменного тока: Система электроснабжения — Sukhoi Superjet 100

Системы электроснабжения самолетов и вертолетов

Свыше 70-ти лет холдинг «Технодинамика» занимается разработкой и производством высоконагруженных авиационных электрических генераторов и стартер-генераторов переменного и постоянного тока, блоков управления, преобразовательных и выпрямительных устройств.

Сегодня «Технодинамика» осуществляет спектр новых разработок в области создания высокооборотных генераторов с электромагнитным возбуждением и магнитоэлектрических генераторов, на основе которых разрабатываются принципиально новые энергетические комплексы для летательных аппаратов.

Генераторы предназначены для обеспечения самолетов и вертолетов электроэнергией переменного и постоянного тока. Мощность разрабатываемых холдингом систем генерирования переменного тока находится в диапазоне от 0,35кВА до 120кВА.

Генераторы нестабильной частоты вращения в диапазоне от 10800 до 24000 об./мин. имеют эффективные массо-габаритные характеристики. Инновационный блок регулирования, защиты и управления канала генерирования, разработанный холдингом, позволяет реализовать сложные алгоритмы управления и обеспечить оптимальное быстродействие системы.

Холдингом также разрабатываются системы генерирования постоянного тока номинальной мощностью 9,0 кВт и частотой вращения системы в режиме генерирования от 6500 до 1200 об./мин с межремонтным ресурсом до 4000 ч. По сравнению с коллекторными машинами, производимые «Технодинамикой» бесконтактные стартер-генераторы постоянного тока обладают в 2 раза более эффективными ресурсными характеристиками, в 3 раза более высокой мощностью в режиме генерирования, а также более эффективной массой.

Ещё одно преимущество, подтверждающее конкурентоспособность данных продуктов на российском и международном рынке — высокая степень унификации для дальнейшей разработки, изготовления агрегатов и построения новых систем генерирования с любыми параметрами, требуемыми заказчиком.

Системы электроснабжения воздушных судов Структура систем электроснабжения

Бортовые
системы электроснабжения летательных
аппаратов (ЛА) разделяют на первичные,
вторичные, резервные и аварийные. Система
электроснабжения называется
первичной,
если ее основными источниками являются
генераторы, которые приводятся во
вращение маршевыми двигателями. Вторичная
система — это система в которой
электрическая энергия получается
преобразованием электрической энергии
первичной системы. Резервной
системой электроснабжения называется
такая, в которой электрическая энергия
вырабатывается генератором с приводом
от вспомогательной силовой установки
и аварийной
от аккумуляторных батарей и аварийных
преобразователей. Наименование СЭС
конкретного воздушного судна присваивается
по виду его первичной системы. Выбор
той или иной системы обусловлен многими
факторами: назначением самолета,
требованиями к качеству электрической
энергии, требованиями по надежности,
удобством эксплуатации, технико-экономическими
показателями и др.

В
настоящее время все системы электроснабжения
летательных аппаратов, существующие в
гражданской авиации, могут быть сведены
к трём большим группам: постоянного
тока, переменного тока и смешанные.

Первая
группа
(рис.
2.1) — это система, в которой в качестве
основного вида электроснабжения
используется постоянный ток низкого
напряжения U_ном
= 27 В. В системах постоянного тока
основными источниками электрической
энергии являются генераторы постоянного
тока. Кроме них в качестве аварийных
источников, а также для питания самолетной
электрической сети на стоянке и для
питания агрегатов системы запуска
авиадвигателей используются аккумуляторные
батареи. В системах электроснабжения
постоянного тока отечественных самолетов
приняты следующие величины номинальных
напряжений:

— у
генераторов постоянного тока 28,5 В;

— у
аккумуляторных батарей 24 или 25 В;

В качестве типовых
вторичных СЭС на этих ВС приняты:

—
система переменного однофазного тока
с U_ном
=115
В,
f_ном
= 400 Гц.

—
система переменного трехфазного тока
с U_ном
= 36 В, f_ном
= 400 Гц.

Переменный
ток стабильной частоты получается
преобразованием постоянного тока в
переменный. Обычно (на более старых ВС)
это выполняют преобразователи —
вращающиеся двигатель-генераторные
агрегаты.

К таким системам
можно, например, отнести системы
электроснабжения небольших поршневых
самолетов (ЯК-18, ЯК-52, ЯК-55, АН-2), более
старых турбореактивных (ЯК-40, ТУ-134) и
самолётов бизнес — класса (Л-410 УВП).

Рис.2.1
Структурная
схема
системы электроснабжения постоянного
тока.
АД — авиационный
двигатель; Г — генератор; Пр
— ль — преобразователь;
АККУМ.
– аккумулятор.

Вторая
группа
(рис.
2.2) – это смешанная система электроснабжения.
На самолетах со смешанными системами
электроснабжения устанавливаются как
генераторы постоянного тока, так и
соизмеримые с ними по мощности генераторы
переменного однофазного тока напряжением
115 В частотой 400 Гц. К таким системам
можно, например, отнести системы
электроснабжения турбовинтовых самолетов
(Ан-12, Ан-24, Ан-26, Ан-30, Ан-32, Ил-18). Установка
генераторов переменного тока была
обусловлена применением на этих ВС
электрической системы противообледенения
воздушных винтов, которая требует
значительного расхода мощности. В данной
системе генератор переменного тока
имеет изменяющуюся частоту, но так как
в полете обороты турбовинтовых двигателей
практически не изменяются, то и частота
генераторов также остаётся постоянной.
В режиме земного малого газа частота
генераторов переменного тока смешанной
системы будет занижена. Что же касается
постоянного тока, то электроснабжение
потребителей аналогично электроснабжению
первой группы.

Рис.2
2. Структурная схема смешанной системы
электроснабжения. Г_ — генератор
постоянного тока; Г~ — генератор переменного
тока; ПР-ЛЬ —
преобразователь;
АККУМ
– аккумулятор.

Третья
группа
(рис. 2.3)—это система переменного тока.
Её можно подразделить на два типа:

• а)
  переменного трехфазного тока постоянной
  частоты;

• б)
  переменного трехфазного тока нестабильной
  («гуляющей») частоты.

В
третьей группе «а»
используются
системы генерирования переменного тока
стабильной частоты как основной системы
электроснабжения. Эти системы являются
более современными по сравнению с
системами электроснабжения постоянного
тока и смешанными системами самолетов
подобного класса. Анализ показывает,
что система электроснабжения, в которой
в качестве первичной принята система
переменного тока постоянной частоты
по сравнению с системой электроснабжения
постоянного тока низкого напряжения,
имеет лучшие технико-экономические и
массовые показатели и более высокие
показатели надежности. Эти системы
используются на самолетах гражданской
авиации дальних и средних магистральных
воздушных линий (ИЛ-62, ИЛ-76, ИЛ-86, ТУ-154,
АН-72, АН-74, АН- 22, АН-124, ЯК-42, AH-148).

На
рис. 2.3.а) представлена система
электроснабжения переменного тока
стабилизированной частоты.
На
самолетах с системами электроснабжения
переменного тока основными источниками
электрической энергии являются генераторы
переменного трёхфазного тока напряжением
208/120 В с частотой 400 Гц.

Между
авиационным двигателем и синхронным
генератором включается устройство,
преобразующее переменную скорость
вращения авиационного двигателя в
постоянную скорость вращения генератора
(привод постоянной частоты вращения —
ППЧВ). Как правило, они бывают либо
гидравлическими, либо воздушными.

Рис.
2.3.а) Структурная схема СЭС переменного
трёхфазного тока стабильной частоты.
Г -генератор; ППЧВ—привод постоянной
частоты вращения; ВЫПР
— выпрямитель;
АККУМ
– аккумулятор;
ТРАНС. — трансформатор

Большинство
потребителей в этом случае получают
питание от сети переменного тока. А для
питания незначительной по мощности
группы потребителей постоянным током
(электромагнитные устройства, приборное
оборудование и пр.) в таких системах
имеются выпрямительные устройства или
трансформаторно-выпрямительные блоки.
На всех типах самолетов используются
также вторичная система трехфазного
переменного тока напряжением 36 В частотой
400 Гц. Основными источниками этой системы
являются трехфазные трансформаторы.

Для
значительной части потребителей
безразлично, какой частотой они будут
питаться. К
группе 3 «б»
можно отнести системы, в которых
генераторы вырабатывают напряжение
нестабилизированной частоты. На рис.2.3
б) показана структурная схема системы
электроснабжения переменного тока
нестабилизированной частоты со
статическим преобразователем частоты.
В такой системе генератор, приводимый
во вращение от авиационного двигателя,
имеет переменную частоту. Основная
часть потребителей подключается к
напряжению генератора переменной
частоты. После генератора включается
трехфазный статический преобразователь
частоты, который является основным
источником вторичной системы
стабилизированной частоты. Статические
преобразователи частоты вырабатывают
напряжение 200/115 В частотой 400 Гц. Для
получения постоянного тока низкого
напряжения 27 В используются выпрямители,
получающие питание также от генераторов.
В качестве вторичной системы используется
также система переменного трёхфазного
напряжением 36 частотой 400 Гц. Основными
источниками этой системы являются
трансформаторы, получающие питание от
системы 200/115 В стабилизированной частоты
400 Гц. Такая система, например, установлена
на перспективном военно-транспортном
самолете, разработанным АНТК им. Антонова
АН-70.

Рис.2.3.б) Структурная
схема СЭС переменного трехфазного тока
нестабилизированной частоты с
использованием преобразователя частоты.

СЭС
переменного трехфазного тока
нестабилизированной частоты может быть
также выполнена, как показано на
рис.2.3.в). В этой системе напряжение
вырабатывается также генераторами
переменной скорости вращения. Вторичной
системой электроснабжения здесь является
система постоянного тока напряжением
27 В, источниками которой являются
выпрямители и аккумуляторы.

Вторичными
системами при этом являются также
системы трехфазного переменного тока
стабилизированной частоты 400 Гц
напряжением 200/115 В и 36 В. Источниками
этих систем являются электронные
статические преобразователи, которые
получают питание от системы постоянного
тока. Такой системой оборудован новый
отечественный самолёт АН-140.

Рис.
2.3.в) Структурная
схема системы электроснабжения на
переменном токе нестабильной частоты
с использованием выпрямителей и
статических преобразователей постоянного
тока в переменный. Г
— генератор;
ПР-ЛЬ
преобразователь;
АККУМ
—
аккумулятор.

Система электроснабжения переменного однофазного тока

Система
электроснабжения переменного однофазного
тока используется в комплекте с СЭ
постоянного тока. Необходимость ее
применения возникла в связи с установкой
на самолетах с турбовинтовыми двигателями
системы противообледенения воздушных
винтов, для обогрева которых желательно
использовать более высокое напряжение,
чем постоянный ток напряжением 27 В.

В
качестве примера рассмотрим энергоузел
самолета Ан-24 (26). Блок-схема энергоузла
переменного однофазного тока этого ВС
представлена на рис. 5.1.

Рис.5.1.
Блок-схема энергоузла переменного
однофазного тока

На
самолете имеется два канала генерирования
электроэнергии, по числу генераторов.
Параллельная работа не предусмотрена,
поэтому первый канал (левого генератора)
принят как основной, второй канал
(правого генератора) принят как резервный
(второй канал аналогичен первому, поэтому
на рисунке не показан). Авиадвигатель
(АД) через редуктор вращает ротор
генератора типа ГО. На роторе находится
обмотка возбуждения, которая получает
энергию от СЭ постоянного тока через
агрегаты РН (регулятор напряжения) и
КВР (коробка включения и регулирования).
Рабочие обмотки генератора находятся
на статоре. Они соединены по схеме
«треугольник». Фаза С1 подключена
к корпусу ВС и поэтому он является ее
проводником. Фаза С2 подсоединяется
через контактор на централизованную
сеть 115 В. Фаза С1 запитывает трехфазные
потребители.

Коробка
включения и регулирования (КВР) — это
комплексный аппарат управления и защиты.
Он состоит из регулирующей и включающей
частей. Регулирующая часть совместно
с угольным регулятором (РН) предназначены
для поддержания напряжения генератора
постоянным при изменении тока нагрузки.
Принцип действия РН, работающего с
генераторами типа ГО, СГО аналогичен
работе регулятора напряжения генератора
постоянного тока Регулировка напряжения
ведется только по фазе С2. Включающая
часть предназначена для подключения
возбуждения генератора, управления
генератором при включении и отключении,
отключения при отказах генератора.

Коробка
отсечки частоты (КОЧ) предназначена для
защиты сети от понижения частоты. Автомат
защиты от перенапряжения (АЗП) предназначен
для защиты сети от повышения напряжения.
При повышении напряжения и понижении
частоты свыше установленных пределов
защитные автоматы через КВР-2 и контактор
отключают первый канал, при этом второй
канал подключается на сеть автоматически.
На самолетах Ан-24 (26) переключение со
второго канала на исправный первый
ручное.

Генератор однофазный

Генератор
однофазный имеет цилиндрическую форму,
в передней части находится фланец, за
который генератор крепится к картеру
АД. В задней части находится патрубок
для подвода воздуха, который поступает
от воздухозаборника (см. рис. 3.2).

Генератор
имеет гибкий вал. Обмотки возбуждения
находится на роторе, в виде трех пар
полюсов. Ток на ротор подводится с
помощью двух токосъемных колец и щеток.
Рабочая обмотка находится на статоре
и
выполнена
по трехфазной схеме, соединенной в
«треугольник», хотя генератор
назван однофазным. Однофазное напряжение
снимается с обмотки С3 – С2, выполненой
толстым проводом, и подводится ко всем
потребителям переменного однофазного
тока напряжением 115 В. Мощность этой
основной обмотки 16 кВА, поэтому благодаря
ей генератор и получил название
однофазного. А между фазами С1 – С2 и С1
– С3 намотаны две обмотки тонким проводом
и мощность их только 850 ВА. На самолетах
Ан-24(26) есть два потребителя, которые
потребляют трехфазную мощность
генератора, это рулевые машины автопилота
и резервный трансформатор трехфазного
тока 36 В.

В
генераторы последней серии внедрен
электромагнитный расцепитель,
установленный со стороны патрубка. Он
предназначен для механического
отсоединения генератора от авиадвигателя
при выходе из работы подшипников и
соответственно больших биениях полого
вала. При этом срабатывает микровыключатель,
установленный близко к полому валу и
подает напряжение на электромагнит,
который втягивает в себя гибкий вал и
отсоединяет его от редуктора авиадвигателя.

Пример маркировки
генератора Г0-16ПЧ8РМ:

Г — генератор,

О — однофазный,

16 — 16 кВА,

П
— продув (охлаждение с помощью скоростного
напора),

Ч — частота 400 Гц,
8 — 8000 об/мин,

Р- с размыкателем,

М-
модифицированный.

Система тяги переменного тока промышленной частоты

Стремление повысить энергетические характеристики, увеличить коэффициент полезного действия, уменьшить потери напряжения в тяговых сетях, снизить сечения проводов контактной сети и расстояния между подстанциями, привели к появлению системы тяги переменного тока промышленной частоты, упрощенная схема которой приведена на рис. 1. При этом энергия к ЭПС передается высоким напряжением – 25 кВ, что существенно увеличивает нагрузочную способность такой системы. Однако ТЭД ЭПС  может быть использован лишь на напряжение 1500…2000 В. Поэтому на ЭПС переменного тока 25 кВ устанавливаются понижающие трансформаторы с регулируемым напряжением. Кроме того, для решения проблем коммутации ТЭД прибегают к преобразованию переменного тока в постоянный, точнее  пульсирующий, имеющий значительную постоянную составляющую. С этой целью на ЭПС устанавливают выпрямитель. Ранее, начиная с опытного образца сороковых годов и вплоть до начала семидесятых, эти выпрямители строились на ртутных преобразователях, а позже на полупроводниковых диодах. В настоящее время на ЭПС устанавливают управляемые выпрямители – статические электрические аппараты, обладающие обратимостью действия – в режиме тяги, работающие как выпрямитель, а при рекуперации как аппарат, преобразовывающий энергию постоянного тока, вырабатываемую ТЭД в генераторном режиме, в энергию переменного тока.

Рис. 1.   Принципиальная схема системы тягового электроснабжения переменного тока 25 кв. На рисунке А, В, С – фазы питающей ЛЭП; ВН – обмотка высокого напряжения; Р – обмотка для питания нетяговых (районных) потребителей; Т – тяговая обмотка трансформатора; НВ – нейтральная вставка контактной сети; К – контактная сеть; ЭПС – электроподвижной состав; Iкс – ток в контактной сети; Iэ – ток электровоза; Ip –ток в рельсах; Iз – ток, стекающий  в землю с рельсов; I рф- ток рельсового фидера (отсоса), возвращающийся на тяговую подстанцию, образуя замкнутый контур

В связи с развитием полупроводниковой преобразовательной техники в последние годы за рубежом появились электровозы переменного тока 25 кВ с преобразователями энергии переменного тока 25 кВ промышленной частоты в энергию переменного тока регулируемой частоты с напряжением, необходимым для непосредственного питания тяговых двигателей. При этом становится возможным использование самого надежного на сегодняшний день двигателя – асинхронного.

Способы регулирования скорости движения ЭПС переменного тока.  Поскольку на электровозах переменного тока используются коллекторные двигатели пульсирующего тока, то и способы регулирования скорости их вращения аналогична способам регулирования на электровозах постоянного тока. Изменение скорости вращения тяговых двигателей осуществляется:

• путем подачи на зажимы двигателей различного по величине напряжения;
• путем уменьшения потока возбуждения  тяговых двигателей (ослабление поля путем шунтирования обмотки возбуждения).

         Возможность получать регулируемое напряжение путем изменения кэффициента трансформации трансформатора, позволяет отказаться от комбинированных схем соединения тяговых двигателей, как это имеет место на электровозах постоянного тока. Кроме того, на электровозах переменного тока типа ВЛ-80Р, ВЛ-85, ВЛ-65 имеется возможность регулирования среднего за период питающего напряжения путем задержки момента открытия тиристоров преобразователей. Однако последний способ регулирования напряжения приводит к значительному искажению формы кривых тока и напряжения, что вызывает необходимость принятия специальных мер по снижению отрицательных последствий.
Регулирование скорости движения ЭПС с асинхронными двигателями.На сегодняшний день ЭПС с асинхронными двигателями могут использоваться в системах тяги переменного и постоянного тока. Питание тяговых асинхронных двигателей в обоих случаях осуществляется от преобразователей числа фаз и частоты электрического тока. Известно [], что скорость вращения асинхронных двигателей определяется выражением
,                                          

где — частота питающего тока, Гц; — число пар полюсов двигателя.

Для целей регулирования могут использоваться две возможности – изменение частоты или числа пар полюсов. Однако во втором случае регулирование является ступенчатым, а двигатель становится более сложным. Поэтому при наличии преобразователя предпочтение отдается первому способу регулирования.
Достоинства и недостатки системы тяги промышленной частоты.Система тяги переменного тока промышленной частоты  имеет преимущества по сравнению с системой тяги постоянного тока, определяемые высоким уровнем напряжения в тяговой сети, что даже при увеличенных примерно в 2… 2.5 раза расстояниях между подстанциями приводит:

1. к сокращению использования меди на сооружение контактной сети примерно в 2 – 3 раза;

2. к уменьшению потерь напряжения и энергии в устройствах тягового электроснабжения.

Основным недостатком этой системы является:  значительное влияние переменного магнитного поля проводов контактной сети на прилегающие к железной дороге устройства. Это объясняется тем,  что электромагнитное поле тока контактной сети практически не компенсируется электромагнитным полем обратного тока рельсов во – первых, в силу того что между этими элементами большое расстояние (порядка 6.5 м) и, во вторых, ток в рельсах во много раз меньше тока контактной сети вследствие его стекания с рельсов в землю (см. рис. 1). Другими серьезными недостатком системы тяги переменного тока 25 кВ промышленной частоты являются низкий коэффициент мощности, определяемый большим реактивным электропотреблением, искажение форм кривых тока и напряжения, несимметричное потребление энергии от отдельных фаз питающей системы.

Для снижения отрицательных последствий, вызванных этими недостатками,  приходится принимать ряд дополнительных мер:

• Защита смежных линий от электромагнитного влияния осуществляется путем замены воздушных линий связи  кабельными.
• Компенсация реактивной энергии индуктивного характера осуществляется батареями конденсаторов (устройствами компенсациями реактивной мощности).
• Для уменьшения степени несимметрии применяются устройства симметрирования токов по фазам.
• Для снижения отрицательного воздействия высших гармоник применяются фильтры, корректирующие формы кривых токов  и напряжения.

Система тяги переменного тока 50 кВ.

Одной из разновидностей системы тяги переменного тока является система тяги промышленной частоты 50 Гц с напряжением  в контактной сети 50 кВ. В этом случае принципиальная схема системы тяги такая же, как и в случае системы тяги 50 Гц 25 кВ. Однако отличительным признаком такой системы является специальный электроподвижной состав, имеющий номинальное напряжение 50 кВ.  Поскольку при прочих равных условиях энергия к ЭПС передается вдвое большим напряжением, то потери электроэнергии и напряжения в такой системе заметно ниже, чем в системе электрической тяги 50 Гц 25 кВ. Такие системы эксплуатируются на рудовозных направлениях в США и ЮАР.  

Система тяги переменного тока с коаксиальным кабелем.

Система электроснабжения на переменном токе характеризуется проявлением значительной индуктивности воздушных линий, в том числе и тяговой сети. Это приводит к заметным потерям напряжения от подстанций до электроподвижного состава. Уровень напряжения снижается и в ряде случаев не обеспечивает соблюдение требований нормативных документов, регламентирующих уровень напряжения на токоприемниках электроподвижного состава дорог переменного тока не менее 21 кВ (в исключительных случаях — 19 кВ). Этому показателю уделяется большое внимание, поскольку уровень напряжения определяет пропускную способность электрических железных дорог. Однако если вместо воздушной линию выполнить кабельной, то потери напряжения могут быть снижены. Система с использованием в качестве усиления коаксиальный кабель приведена на рис. 2. Меньшие потери напряжения при такой системе обусловлены  тем, что кабель обладает значительно большей зарядной емкостью, компенсирующей индуктивную мощность. Если кабель с центральной проводящей жилой и проводящей оболочкой, изолированной от центральной жилы (так называемый коаксиальный кабель), подвесить на опорах контактной сети, то можно передавать, при прочих равных условиях,  энергию с меньшими потерями напряжения и мощности. Но в этом случае встает вопрос отбора мощности из кабеля к ЭПС. Для его решения через определенные расстояния через специальные муфты мощность отбирается из кабеля и отпайками передается в контактную сеть. При этом контактная сеть может быть выполнена без привлечения дефицитной меди, а из бронзы, поскольку в этом случае она не является централизованным поставщиком энергии, а передает мощность лишь ограниченному числу ЭПС.

Рис. 2. Система электроснабжения переменного тока с коаксиальным кабелем

Недостатком этой системы является сложность сооружения достаточно частых устройств отбора мощности (муфт).

Рассмотренная система характеризуется малым электромагнитным влиянием на смежные электрические линии, которые могут иметь место вдоль железной дороги, вследствие уравновешенности магнитных полей “прямого” и “обратного” токов.

Система тяги переменного тока с использованием экранирующих проводов.

Значительно проще реализовать систему электрической тяги с тяговой сетью малого индуктивного сопротивления при помощи так называемых экранирующих проводов.

Рис. 3 а). Система тягового электроснабжения с усиливающим и экранирующим проводом

Рис. 3 б).   Схема размещения  проводов системы тягового электроснабжения с усиливающим и экранирующим проводом

Идея такой системы заключается в том, что стараются ток, возвращающийся от ЭПС к подстанции, пропускать не по рельсам, а по специальному (экранирующему) проводу, который в этом случае соединяется с рельсами через строго определенные расстояния. При этом экранирующий провод располагают как можно ближе к контактной подвеске. Это способствует уменьшению индуктивного сопротивления, поскольку магнитное поле контактной подвески максимально компенсируется магнитным полем экранирующего провода, ток в котором протекает в противоположном направлении. Схема системы тяги с экранирующим усиливающим (УЭП) проводом приведена на рис. 3. Вторым преимуществом этой системы является также как  и в случае системы с коаксиальным кабелем малое электромагнитное влияние на смежные электрические линии.

Разработанная в РГУПСс (РИИЖТс) совместно с Северо-Кавказской железной дорогой в 1975 году эта система  в дальнейшем была усовершенствована сотрудниками ВНИИЖТа, МИИТа, Трансэлектропроекта. В 1990 году было оборудовано 560 км на Северо-Кавказской и на Горьковской железных дорогах. Опыт эксплуатации подтверждает достоинства системы. Особенно велика эффективность системы ЭУП для высокоскоростных магистралей. С начала 90-х годов такая система стала использоваться за рубежом (Германия, Испания). Особенно интенсивно она внедряется в Германии на линиях Ганновер-Вюрцбург и Мангейм-Штутгарт с высокоскоростными экспрессами IСЕ.

Система (УЭП) для железных дорог России выгодна не только применительно к скоростным пассажирским магистралям (Санкт-Петербург-Москва и др.), но и как энергосберегающая — на железных дорогах с грузовым движением.

Анализ состояния и тенденции развития авиационных систем электроснабжения

Библиографическое описание:

Кудряков, С. А. Анализ состояния и тенденции развития авиационных систем электроснабжения / С. А. Кудряков, К. В. Бунас. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 40 (278). — С. 19-21. — URL: https://moluch.ru/archive/278/62848/ (дата обращения: 25.02.2021).



В работе приведены результаты анализа текущего состояния систем электроснабжения воздушного судна. В качестве тенденции развития системы электроснабжения рассмотрена концепция самолета с полностью электрифицированным оборудованием. Описаны требования к системам электроснабжения.

Ключевые слова: воздушное судно, система электроснабжения, генератор, самолет с полностью электрифицированным оборудованием.

Система электроснабжения является одной из ключевых систем воздушного судна. Она предназначена для обеспечения электропитания бортового оборудования (системы навигации, управления и т. п.) и агрегатов, потребляющих электроэнергию. Общей чертой бортовых систем электроснабжения можно считать их разделение на системы генерирования, представляющую совокупность источников электроэнергии и устройств управления и контроля, а также систему распределения, которая транспортирует электроэнергию к потребителям [1].

В работе [2] приводится разделение систем электроснабжения на первичные, вторичные, резервные и аварийные. Первичной называется система, в состав которой входят генераторы, которые приводятся во вращение авиадвигателями. Вторичной системой называют систему преобразователей энергии из первичной системы. Резервная вырабатывает электроэнергию от вспомогательной силовой установки, а аварийная от аккумуляторных батарей и аварийных преобразователей. Такое разделение следует считать условным, т. к. оно не учитывает конструктивных особенностей конкретного самолета. Например, на самолете Airbus A320 допускается запуск систем от аккумуляторных батарей, а беспилотные летательные аппараты чаще всего имеют только один источник электроэнергии [3].

Более очевидным является разделение системы электроснабжения воздушного судна по роду тока и напряжения на три группы:

1) система электроснабжения постоянного тока низкого напряжения 28 В;

2) система электроснабжения переменного трехфазного тока переменной частоты;

3) система электроснабжения переменного трехфазного тока 115/200 В постоянной частоты 400 Гц с приводом постоянной частоты вращения.

Под системой обеспечения постоянным током (рисунок 1) понимают систему, в которой основным источником питания используется постоянный ток напряжения 28 В. В роли источника питания могут выступать аккумуляторные батареи и генераторы постоянного тока. Преимуществом такой системы является использование генератора в качестве стартера и простая параллельная схема работы. Такие системы находят применение в малой авиации и в беспилотных летательных аппаратах. Для потребителей переменного тока в таких системах используют преобразователи, чаще всего инверторы напряжения.

Рис. 1. Структурная схема системы электроснабжения постоянного тока. ГПТ — генератор постоянного тока; АБ — аккумуляторная батарея

Система электроснабжения переменного тока в качестве источника используются генераторы переменного тока. Такие системы нашли широкое применение в коммерческой авиации за счет своих высоких показателей надежности, экономичности и эффективности в целом [3]. Большинство таких самолетов оснащены турбореактивными двигателями, частота вращения ротора которых может меняться в больших диапазонах. При жестком механическом приводе на генератор переменного тока частота тоже начинает меняться в больших диапазонах, что недопустимо для питания электропотребителей. Постоянную частоту тока получают путем использования привода постоянной частоты вращения, который работает по принципу редуктора.

Рис. 2. Структурная схема системы электроснабжения постоянного тока. Г — генератор переменного тока; ППЧВ — привод постоянной частоты вращения

Смешанные системы электроснабжения используют как генераторы постоянного тока, так и генераторы переменного однофазного тока напряжением 115 В частотой 400 Гц. К таким системам можно, например, отнести системы электроснабжения турбовинтовых самолетов. В данной системе генератор переменного тока имеет изменяющуюся частоту, но так как в полете обороты турбовинтовых двигателей практически не изменяются, то и частота генераторов также остаётся постоянной.

Рис. 3. Структурная схема смешанной системы электроснабжения. Г1 — генератор переменного тока; Г2 — генератор постоянного тока

Отдельно стоит упомянуть появившуюся в конце 80-х годов прошлого века концепцию самолета с полностью электрифицированным оборудованием (СПЭО). Такой подход к конструкции самолета позволяет добиться высоких показателей эффективности и экономичности, при этом значительно уменьшив массу самолета, позволяя размещать больше пассажиров [1,4]. Однако эта концепция заставляет пересмотреть существующую структуру современных систем электроснабжения.

Концепция СПЭО имеет ряд преимуществ:

1. Отказ от гидравлических систем повышает надежность самолета, а также снижает сложность, избыточность, массу, затраты на монтаж и эксплуатацию [5].
2. Снижение необходимой взлетной мощности двигателя путем внедрения системы электрического запуска авиадвигателя, что может также хорошо сказаться на эксплуатации в холодных условиях [4].
3. Снижение потребления смазочных жидкостей и трения систем путем использования улучшенных магнитно-подшипниковых систем в стартере/генераторе авиадвигателей и вспомогательной силовой установки [4].
4. Увеличение надежности системы электроснабжения путем доработки системы аварийного энергообеспечения ветряным генератором [4,5].
5. Замена системы отбора воздуха на электронасосы снижает трудоемкость и стоимость монтажа [4,5].

Принятие такой концепции позволит достичь значительных улучшений с точки зрения веса самолета, расхода топлива, общей стоимости, ремонтопригодности, надежности в целом и надежности авиационных систем [3,4,5].

Недостатком концепции СПЭО принято считать повышенные требования к самой системе электроснабжения в сфере генерирования и оперирования электроэнергией, надежности систем и их отказоустойчивости, что подразумевает под собой внедрение инноваций в системах производства, обработки, распределения и управления электроэнергией [5,6]. В связи с увеличением количества потребляемой мощности, на новую систему электроснабжения должны накладываться следующие принципы:

1) генераторы переменного тока должны по возможности работать в режимах генерирования и электростартерного запуска авиадвигателя;

2) аварийные системы генерирования должны иметь возможность использования авторотационного режима работы первичных двигателей;

3) каждая из систем генерирования должна обеспечивать работоспособность при неработающих других системах генерирования;

4) системы электроснабжения должны обладать унифицированными интерфейсами, давая возможность к совершенствованию каждого из элементов системы;

5) наличие встроенного автоматического предполетного и полетного контроля с целью определения состояния элементарной конструктивной единицы; ведение протокола состояния системы с возможной передачей информации через телекоммуникационные каналы;

6) прогнозирование отказов и рабочего ресурса систем в целом и наиболее важных конструктивных блоков, включая аккумуляторные батареи.

Заключение

В работе были рассмотрены основные виды систем электроснабжения, применяемых на воздушном транспорте. Определены основные виды систем электроснабжения, проведен их анализ, сфера применения, достоинства и недостатки, структурная схема работы.

Дальнейшим развитием систем электроснабжения является концепция самолета с полностью электрифицированным оборудованием. Концепция подразумевает замену элементов механических, гидравлических и пневматических систем на электрооборудование. Такой метод имеет ряд преимуществ и недостатков. Одним из недостатков является необходимость усовершенствования системы электроснабжения в связи с увеличенным энергопотреблением. Также, конструктивная схема системы электроснабжения также должна претерпеть изменения, перейдя от вида централизованной системы к робастной, усиленной или централизованной [4,5].

Литература:

1. ГОСТ Р 54073–2017. Системы электроснабжения самолетов и вертолетов. Общие требования и нормы качества электроэнергии

2. Брускин Д. Э. Самолеты с полностью электрифицированным оборудованием. Сер. Электрооборудование транспорта. — Т. 6 / Д. Э. Брускин, С. И. Зубакин. — М.: ВИНИТИ, 1986. — 108 с.

3. Злочевский В. С. Системы электроснабжения пассажирских самолетов. — М.: Машиностроение, 1971. — 376 с.
4. Moir I. Aircraft Systems: Mechanical, electrical, and avionics subsystems integration, Third Edition / I. Moir, A.Seabridge. — John Wiley & Sons, Ltd., 2008. — 504 р.
5. Cronin, M. J., The all-electric aircraft / M. J. Cronin // IEE Review, Vol. 36. — 1990, pp. 309–311.
6. Волокитина Е. В., Головизнин С. Б. Полностью электрифицированный самолет от концепции до реализации // Электроника и электрооборудование транспорта. — 2007. — № 1. — с. 2–5.

Основные термины (генерируются автоматически): система электроснабжения, переменный ток, генератор, система, электрифицированное оборудование, концепция самолета, система генерирования, ток, вспомогательная силовая установка, переменный трехфазный ток.

1. Система электроснабжения объектов различных классов напряжения электрифицированной железной дороги / Вопросы перенапряжений и их ограничения в сетях низкого, среднего и высокого напряжения / Статьи / ЗАО «ПОЛИМЕР-АППАРАТ» производитель ограничителей перенапряжения (ОПНп) от 0,4 до 750 кВ, ОПН, ОПНп, грозозащита.

1. Система электроснабжения объектов различных классов напряжения электрифицированной железной дороги

      1.1. Схема электроснабжения потребителей ж/д

         Схематично система электроснабжения электрифицированного транспорта, в зависимости от способа питания, рода тока и других влияющих факторов, приведена на рис. 1.1. Как видно из рисунка, электрифицированный транспорт подразделяется на электрифицированную железную дорогу и безрельсовый электротранспорт. Последний нашел широкое распространение в виде троллейбусов.

     Электрифицированная железная дорога включает поезда дальнего следования (пассажирские и грузовые), электропоезда (электрички), метрополитен и трамваи. Последние два вида электротранспорта работают при напряжении до 750 В, электрички и поезда дальнего следования – при постоянном токе с напряжение до 3 кВ и при переменном токе от 15 до 27,5 кВ.

     Система электроснабжения троллейбусов, трамваев и метрополитена включает в себя линии переменного тока 6 или 10 кВ (в основном кабельного исполнения), трансформаторы 6/0,5 или 10/0,5 кВ, соответствующие выпрямительные установки и фильтры.

     Более сложную структуру имеет система электроснабжения электрифицированной железной дороги (рис.1.2).

     По линиям 110 – 220 кВ (в редких случаях от собственных электростанций) электроэнергия поступает в энергохозяйство (подстанции глубокого ввода 110 – 220 кВ) электрифицированной железной дороги.

     Далее электроэнергия к объектам электрифицированной железной дороги поступает различными путями в зависимости от рода тока. Если тяга на постоянном токе, то на тяговой выпрямительной подстанции напряжение воздушных линий 110 – 220 кВ снижается приблизительно до 2,5 кВ, выпрямляется, сглаживается и при постоянном напряжении 3,0 (3,3) кВ передается по контактной сети, откуда питается подвижной состав. При этом вторым полюсом системы электроснабжения являются рельсы.

     Если тяга на переменном токе, то имеют место три способа электропитания подвижного состава:

—    — при напряжении 27,5 кВ (25 кВ) переменного тока частотой 50 Гц;

—    — при напряжении 2х25 кВ переменного тока (с отсасывающими автотрансформаторами) частотой 50 Гц;

—    — при напряжении 15 кВ переменного тока частотой 162/3 Гц или 25Гц.

 Рис 1.1 Классификация электрифицированного транспорта

 Рис.1.2. Блок-схема системы электроснабжения электрифицированных железных дорог.

Далее внутри электроподвижного состава напряжение 15,25 (27,5) кВ переменного тока снижается примерно до 2,5 кВ, выпрямляется и передается к тяговым электродвигателям.

         Для получения 15 – 25 кВ напряжение энергосистем на тяговых подстанциях снижается с помощью соответствующих трансформаторов, имеющих неординарные системы вторичных обмоток, обеспечивающих симметрию в сети.

         И, наконец, для нетяговых объектов (сигнальные устройства, трансформаторы собственных нужд, депо, ремонтные заводы, поселки и др.) применяются различные системы от 220 В до 35 кВ.

         В заключение отметим, что тяговые подстанции на постоянном токе обслуживают участок дороги с протяженностью до 18-20 км, переменном токе 27,5 кВ до 40-50 км, переменном токе 2х25 кВ – до 80-100 км.

★ Система электроснабжения переменного тока | Информация

Пользователи также искали:

система электроснабжения постоянного тока,

система электроснабжения самолета,

Трёхфазная система электроснабжения,

постоянного,

первичная,

самолета,

airbus a320,

система электроснабжения постоянного тока,

первичная система электроснабжения самолета,

система электроснабжения самолета,

система электроснабжения airbus a320,

система электроснабжения переменным током,

система электроснабжения переменного,

тока,

система электроснабжения,

системы электроснабжения,

электроснабжения,

систем,

системы,

система электроснабжения переменного тока,

электроснабжения переменного тока,

систем электроснабжения,

системы тока,

система,

переменного тока,

системы электроснабжения переменного тока,

электроснабжение,

переменного,

ток,

переменный ток,

системе,

электроснабжения переменного,

система электроснабжения переменным,

Общие сведения об источниках питания переменного / постоянного тока | Статья

.

СТАТЬЯ ОБРАЗОВАНИЯ

Получайте ценные ресурсы прямо на ваш почтовый ящик — рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность

Что такое блок питания?

Источник питания — это электрическое устройство, которое преобразует электрический ток, поступающий от источника питания, такого как сеть, в значения напряжения и тока, необходимые для питания нагрузки, например двигателя или электронного устройства.

Назначение источника питания — обеспечить нагрузку надлежащим напряжением и током. Ток должен подаваться контролируемым образом — и с точным напряжением — на широкий диапазон нагрузок, иногда одновременно, и все это не позволяет изменениям входного напряжения или других подключенных устройств влиять на выход.

Источник питания может быть внешним, что часто встречается в таких устройствах, как ноутбуки и зарядные устройства для телефонов, или внутренним, например, в более крупных устройствах, таких как настольные компьютеры.

Источник питания может быть регулируемым или нерегулируемым. В регулируемом источнике питания изменения входного напряжения не влияют на выход. С другой стороны, в нерегулируемом источнике питания выходная мощность зависит от любых изменений на входе.

Все блоки питания объединяет то, что они берут электроэнергию от источника на входе, каким-то образом преобразуют ее и доставляют в нагрузку на выходе.

Питание на входе и выходе может быть переменным (AC) или постоянным (DC) током:

• Постоянный ток (DC) возникает, когда ток течет в одном постоянном направлении.Обычно он поступает от батарей, солнечных элементов или преобразователей переменного / постоянного тока. Постоянный ток — предпочтительный тип питания для электронных устройств.
• Переменный ток (AC) возникает, когда электрический ток периодически меняет свое направление. Переменный ток — это метод, используемый для доставки электроэнергии по линиям электропередачи в дома и на предприятия

Следовательно, если переменный ток — это тип питания, подаваемого в ваш дом, а постоянный ток — это тип питания, который вам нужен для зарядки вашего телефона, вам понадобится источник питания переменного / постоянного тока для преобразования переменного напряжения, поступающего от электросети к напряжению постоянного тока, необходимому для зарядки аккумулятора вашего мобильного телефона.

Общие сведения о переменном токе (AC)

Первым шагом в разработке любого источника питания является определение входного тока. И в большинстве случаев источником входного напряжения электросети является переменный ток.

Типичный сигнал переменного тока — синусоидальный (см. Рисунок 1) .`

Рисунок 1: Форма сигнала переменного тока и основные параметры

Есть несколько показателей, которые необходимо учитывать при работе с блоком питания переменного тока:

• Пиковое напряжение / ток: максимальное значение амплитуды волны
• Частота: количество циклов, которые волна завершает в секунду.Время, необходимое для завершения одного цикла, называется периодом.
• Среднее напряжение / ток: Среднее значение всех точек напряжения в течение одного цикла. В чистой волне переменного тока без наложенного постоянного напряжения это значение будет равно нулю, потому что положительная и отрицательная половины компенсируют друг друга.
• Среднеквадратичное напряжение / ток: определяется как квадратный корень из среднего значения за один цикл квадрата мгновенного напряжения. В чистой синусоидальной волне переменного тока его значение можно рассчитать с помощью Уравнение (1) :

$$ V_ {PEAK} \ over \ sqrt 2 $$

• Также может быть определена как эквивалентная мощность постоянного тока, необходимая для достижения такого же нагревающего эффекта.Несмотря на сложное определение, он широко используется в электротехнике, поскольку позволяет найти эффективное значение переменного напряжения или тока. Из-за этого его иногда выражают как V _AC .
• Фаза: угловая разница между двумя волнами. Полный цикл синусоидальной волны делится на 360 °, начиная с 0 °, с пиками на 90 ° (положительный пик) и 270 ° (отрицательный пик) и дважды пересекая начальную точку, на 180 ° и 360 °. Если две волны изображены вместе, и одна волна достигает своего положительного пика в то же самое время, когда другая достигает своего отрицательного пика, то первая волна будет иметь угол 90 °, а вторая волна — 270 °; это означает, что разность фаз составляет 180 °. Считается, что эти волны находятся в противофазе, так как их значения всегда будут иметь противоположные знаки. Если разность фаз равна 0 °, мы говорим, что две волны находятся в фазе.

Переменный ток (AC) — это способ передачи электроэнергии от генерирующих объектов конечным пользователям. Он используется для транспортировки электроэнергии, потому что в процессе транспортировки электричество необходимо преобразовывать несколько раз.

Электрические генераторы вырабатывают напряжение около 40 000 В или 40 кВ.Затем это напряжение повышается до любого значения от 150 кВ до 800 кВ, чтобы снизить потери мощности при транспортировке электрического тока на большие расстояния. Когда он достигает места назначения, напряжение понижается до 4–35 кВ. Наконец, прежде чем ток достигнет отдельных пользователей, он снижается до 120 или 240 В, в зависимости от местоположения.

Все эти изменения напряжения будут либо сложными, либо очень неэффективными по сравнению с постоянным током (DC), поскольку линейные трансформаторы зависят от колебаний напряжения для передачи и преобразования электрической энергии, поэтому они могут работать только с переменным током (AC).

Линейный и импульсный источник питания переменного / постоянного тока

Линейный источник питания переменного / постоянного тока

Линейный источник питания переменного / постоянного тока имеет простую конструкцию.

При использовании трансформатора входное напряжение переменного тока (AC) снижается до значения, более подходящего для предполагаемого применения. Затем пониженное напряжение переменного тока выпрямляется и превращается в напряжение постоянного тока (DC), которое фильтруется для дальнейшего улучшения качества формы сигнала (Рисунок 2) .

Рисунок 2: Блок-схема линейного источника переменного / постоянного тока

Традиционная конструкция линейного источника питания переменного / постоянного тока развивалась с годами, улучшаясь с точки зрения эффективности, диапазона мощности и размера, но эта конструкция имеет некоторые существенные недостатки, которые ограничивают ее интеграцию.

Огромным ограничением линейного источника питания переменного / постоянного тока является размер трансформатора. Поскольку входное напряжение преобразуется на входе, необходимый трансформатор должен быть очень большим и, следовательно, очень тяжелым.

На низких частотах (например, 50 Гц) необходимы большие значения индуктивности для передачи большого количества энергии от первичной катушки ко вторичной. Это требует больших сердечников трансформатора, что делает практически невозможной миниатюризацию этих источников питания.

Еще одним ограничением линейных источников питания переменного / постоянного тока является регулировка напряжения большой мощности.

Линейный источник питания переменного / постоянного тока использует линейные регуляторы для поддержания постоянного напряжения на выходе. Эти линейные регуляторы рассеивают лишнюю энергию в виде тепла.Для малой мощности особых проблем не представляет. Однако для высокой мощности тепло, которое должен рассеивать регулятор для поддержания постоянного выходного напряжения, очень велико и потребует добавления очень больших радиаторов.

Импульсный источник питания переменного / постоянного тока

Новая методология проектирования была разработана для решения многих проблем, связанных с проектированием линейных или традиционных источников питания переменного / постоянного тока, включая размер трансформатора и регулировку напряжения.

Импульсные источники питания теперь возможны благодаря развитию полупроводниковой технологии, особенно благодаря созданию мощных полевых МОП-транзисторов, которые могут очень быстро и эффективно включаться и выключаться даже при наличии больших напряжений и токов.

Импульсный источник питания переменного / постоянного тока позволяет создавать более эффективные преобразователи мощности, которые больше не рассеивают избыточную мощность.

Блоки питания

AC / DC, в которых используются импульсные преобразователи мощности, называются импульсными блоками питания. Импульсные источники питания переменного / постоянного тока имеют несколько более сложный метод преобразования переменного тока в постоянный.

В импульсных источниках питания переменного тока входное напряжение больше не снижается; скорее, он выпрямляется и фильтруется на входе.Затем постоянное напряжение проходит через прерыватель, который преобразует напряжение в последовательность высокочастотных импульсов. Наконец, волна проходит через другой выпрямитель и фильтр, который преобразует ее обратно в постоянный ток (DC) и устраняет любую оставшуюся составляющую переменного тока (AC), которая может присутствовать до достижения выхода (см. Рисунок 3) .

При работе на высоких частотах катушка индуктивности трансформатора может передавать больше мощности, не достигая насыщения, что означает, что сердечник может становиться все меньше и меньше.Следовательно, трансформатор, используемый для переключения источников питания переменного / постоянного тока для уменьшения амплитуды напряжения до заданного значения, может составлять лишь часть размера трансформатора, необходимого для линейного источника питания переменного / постоянного тока.

Рисунок 3: Блок-схема импульсного источника питания переменного / постоянного тока

Как и следовало ожидать, у этого нового метода проектирования есть некоторые недостатки.

Импульсные преобразователи мощности переменного / постоянного тока могут создавать в системе значительный уровень шума, который необходимо устранить, чтобы исключить его на выходе.Это создает потребность в более сложных схемах управления, что, в свою очередь, усложняет конструкцию. Тем не менее, эти фильтры состоят из компонентов, которые можно легко интегрировать, поэтому они не оказывают существенного влияния на размер блока питания.

Меньшие трансформаторы и повышенная эффективность регуляторов напряжения в импульсных источниках питания переменного / постоянного тока — вот причина, по которой теперь мы можем преобразовывать напряжение переменного тока 220 В ¬RMS в напряжение 5 В постоянного тока с помощью преобразователя питания, который может поместиться в ладони.

Таблица 1 суммирует различия между линейными и импульсными источниками питания переменного / постоянного тока.

Транзисторы

	Линейный источник питания переменного / постоянного тока	Импульсный источник питания переменного / постоянного тока
Размер и вес	Необходимы большие трансформаторы, что значительно увеличивает размер и вес	Более высокие частоты позволяют при необходимости использовать трансформаторы гораздо меньшего размера.
КПД	Если не регулировать, потери в трансформаторе являются единственной существенной причиной потери эффективности.В случае регулирования приложения с высокой мощностью будут иметь решающее влияние на эффективность.	обладают небольшими коммутационными потерями, потому что они ведут себя как малые сопротивления. Это позволяет использовать эффективных приложений высокой мощности .
Шум	Нерегулируемые источники питания могут иметь значительный шум, вызванный пульсациями напряжения, но регулируемые линейные источники питания постоянного тока переменного тока могут иметь чрезвычайно низкий уровень шума. Вот почему они используются в медицинских приложениях.	Когда транзисторы переключаются очень быстро, они создают шум в цепи. Однако это может быть либо отфильтровано, либо частота переключения может быть сделана чрезвычайно высокой, выше предела человеческого слуха, для аудиоприложений
Сложность	Линейный источник питания переменного / постоянного тока, как правило, имеет меньше компонентов и более простые схемы, чем импульсный источник питания переменного / постоянного тока.	Дополнительный шум, создаваемый трансформаторами, вынуждает добавлять большие сложные фильтры, а также схемы управления и регулирования для преобразователей.

Таблица 1: Линейные и импульсные источники питания

Сравнение однофазных и трехфазных источников питания

Источник питания переменного тока может быть однофазным или трехфазным:

• Трехфазный источник питания состоит из трех проводников, называемых линиями, каждая из которых несет переменный ток (AC) той же частоты и амплитуды напряжения, но с относительной разностью фаз 120 °, или одной трети цикл (см. рисунок 4) .Эти системы являются наиболее эффективными при передаче большого количества энергии и поэтому используются для доставки электроэнергии от генерирующих объектов в дома и на предприятия по всему миру.
• Однофазный источник питания является предпочтительным методом подачи тока в отдельные дома или офисы, чтобы равномерно распределять нагрузку между линиями. В этом случае ток течет от силовой линии через нагрузку, а затем обратно через нейтральный провод. Этот тип источника питания используется в большинстве установок, за исключением крупных промышленных или коммерческих зданий.Однофазные системы не могут передавать столько энергии на нагрузки и более подвержены сбоям питания, но однофазное питание также позволяет использовать гораздо более простые сети и устройства.

Рисунок 4: Форма кривой переменного тока трехфазного источника питания

Существует две конфигурации для передачи энергии через трехфазный источник питания: конфигурация треугольника $ (\ Delta) $ и конфигурация звезды (Y), также называемые конфигурациями треугольника и звезды, соответственно.

Основное различие между этими двумя конфигурациями — возможность добавить нейтральный провод (см. Рисунок 5) .

Соединения

треугольником обеспечивают большую надежность, но соединения типа Y могут подавать два разных напряжения: фазное напряжение, которое представляет собой однофазное напряжение, подаваемое в дома, и линейное напряжение для питания больших нагрузок. Соотношение между фазным напряжением (или фазным током) и линейным напряжением (или линейным током) в конфигурации Y заключается в том, что амплитуда линейного напряжения (или тока) в √3 раз больше, чем амплитуда фазы.

Поскольку стандартная система распределения электроэнергии должна обеспечивать питанием как трехфазные, так и однофазные системы, большинство сетей распределения электроэнергии имеют три линии и нейтраль.Таким образом, и дома, и промышленное оборудование могут быть снабжены одной и той же линией электропередачи. Следовательно, конфигурация Y наиболее часто используется для распределения мощности, тогда как конфигурация треугольника обычно используется для питания трехфазных нагрузок, таких как большие электродвигатели.

Рисунок 5: Трехфазные конфигурации Y и треугольника

Напряжение, при котором энергосистема поставляет однофазную электроэнергию своим пользователям, имеет различные значения в зависимости от географического положения.Вот почему очень важно проверить диапазон входного напряжения источника питания перед его покупкой или использованием, чтобы убедиться, что он предназначен для работы в электросети вашей страны. В противном случае вы можете повредить блок питания или подключенное к нему устройство.

В таблице 2 сравниваются напряжения в сети в разных регионах мира.

* Япония имеет две частоты в своей национальной сети из-за истоков ее электрификации в конце 19 века. В западном городе Осака поставщики электроэнергии купили генераторы 60 Гц в Соединенных Штатах, а в Токио, который находится на востоке Японии, они купили немецкие генераторы 50 Гц. Обе стороны отказались изменить свою частоту, и по сей день в Японии все еще есть две частоты: 50 Гц на востоке и 60 Гц на западе.

Как упоминалось ранее, трехфазное питание используется не только для транспортировки, но также для питания больших нагрузок, таких как электродвигатели или зарядки больших аккумуляторов. Это связано с тем, что параллельное приложение мощности в трехфазных системах может передавать намного больше энергии нагрузке и может делать это более равномерно из-за перекрытия трех фаз (см. Рисунок 6) .

Рисунок 6: Передача энергии в однофазных (слева) и трехфазных (справа) системах

Например, при зарядке электромобиля (EV) количество энергии, которое вы можете передать аккумулятору, определяет, насколько быстро он заряжается.

Однофазные зарядные устройства подключаются к сети переменного тока (AC) и преобразуются в постоянный ток (DC) внутренним силовым преобразователем переменного / постоянного тока автомобиля (также называемым бортовым зарядным устройством). Мощность этих зарядных устройств ограничена сетью и розеткой переменного тока.

Ограничение варьируется от страны к стране, но обычно составляет менее 7 кВт для розетки на 32 А (в ЕС 220 x 32 А = 7 кВт). С другой стороны, трехфазные источники питания преобразуют мощность из переменного тока в постоянный извне и могут передавать более 120 кВт на батарею, обеспечивая сверхбыструю зарядку.

Сводка

Источники питания переменного / постоянного тока есть везде. Основная задача источника питания переменного / постоянного тока — преобразовать переменный ток (AC) в стабильное постоянное напряжение (DC), которое затем можно использовать для питания различных электрических устройств.

Переменный ток используется для транспортировки электроэнергии по всей электрической сети от генераторов до конечных потребителей. Цепь переменного тока (AC) может быть сконфигурирована как однофазная или трехфазная система. Однофазные системы проще и могут обеспечивать мощность, достаточную для питания всего дома, но трехфазные системы могут обеспечивать гораздо больше мощности более стабильным образом, поэтому они часто используются для питания промышленных приложений.

Разработка эффективного источника питания переменного / постоянного тока — непростая задача, поскольку на текущих рынках требуются мощные, чрезвычайно эффективные и миниатюрные источники питания, которые способны поддерживать эффективность в широком диапазоне нагрузок.

Способы проектирования источников питания переменного / постоянного тока со временем изменились. Линейные источники питания переменного / постоянного тока имеют ограниченные размеры и эффективность, поскольку они работают на низких частотах и ​​регулируют выходную температуру, рассеивая избыточную энергию в виде тепла. Напротив, импульсные источники питания стали чрезвычайно популярными, поскольку они используют импульсные регуляторы для преобразования переменного тока в постоянный. Импульсные блоки питания работают на более высоких частотах и ​​преобразуют электроэнергию намного эффективнее, чем предыдущие разработки, что позволило создавать мощные блоки питания переменного / постоянного тока размером с ладонь.

_________________________

Вам это показалось интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик — рассылайте их раз в месяц!

Статьи по теме

Чему о синхронных выпрямителях не говорят в школе — избранные темы из реальных проектов

Что такое источник питания переменного тока?

Источник питания переменного тока, также известный как источник питания переменного тока, — это устройство, способное подавать переменную мощность и частоту на нагрузку.Источник питания переменного тока подает переменный электрический ток, который помогает питать или тестировать отдельную часть оборудования, моделируя прерывания электросети, гармоники, скачки или другие события, которые могут привести к неисправности тестируемого устройства. Источники питания переменного тока, такие как источники питания переменного тока IT7321, обычно используются для электрических испытаний в авиации, освещении, лабораторных испытаниях, военном и заводском производстве. Этот источник питания переменного тока позволяет генерировать сигналы переменного тока от 45 Гц до 500 Гц.Он также может генерировать различные формы синусоидальной волны, включая скачки, ловушки и затемненные фазовые волны для моделирования различных событий.

Питание переменного тока имеет форму синусоиды. На графике выше амплитуда — это напряжение в вольтах, а частота будет измеряться в периодах в секунду. В Северной Америке бытовая электросеть чаще всего состоит из 1 фазы, 60 Гц, 120 В переменного тока. В Европе сеть работает при 50 Гц и 230 В переменного тока.

Наши топ-модели:

ITECH IT7321 150 / 30В 3/1.Программируемый блок питания переменного тока 5А

В этой модели используется прецизионное линейное усиление. Линейность описывает, как источник питания может создавать сигналы, которые являются точными копиями входных сигналов при различных уровнях мощности и частоты. В авионике существуют строгие требования к испытаниям, электронное оборудование, разработанное для авиации и работающее при 400 Гц переменного тока, потребует испытаний для подтверждения соответствия. Источник питания переменного тока, такой как IT7321, позволяет точно и легко выполнять эти тесты.
Основные характеристики:

• Высокая точность и разрешение ± (0,2% + 0,6 В) / ± (0,2% + 0,6 мА)
• Самый большой диапазон частот (45 Гц-500 Гц)

Варианты:

Другой тип основного и непрограммируемого источника питания переменного тока — это трансформатор переменного или переменного напряжения. Variacs работают, пропуская (AC) или переменный ток через две или более катушек (первичная и вторичная стороны) для передачи электрической энергии. Вариаки могут использоваться для передачи или преобразования напряжений для питания устройств, которые в противном случае могут работать только от определенной цепи напряжения.Компания Circuit Specialists предлагает широкий выбор вариантов, включая версии с цифровыми панелями и промышленные модели с различными уровнями выходной мощности.

Рисунок 3: Регулируемый автотрансформатор с максимальным выходом 30 А

Этот высокомощный настольный Variac — один из самых эффективных способов точного управления напряжением переменного тока как для лабораторных, так и для промышленных приложений с самым большим диапазоном выходных сигналов. Основные характеристики:

• Диапазон до 130 В
• Точный выход без искажений

Одиночный vs.трехфазный мощность:

Электроэнергия в основном вырабатывается и транспортируется с использованием трехфазной энергии. Однофазный источник питания будет использовать два провода (фазу и нейтраль), тогда как трехфазный источник питания использует только три проводника для передачи в три раза большей мощности. Трехфазные источники питания более безопасны для окружающей среды, поскольку для передачи заданного количества энергии требуется меньше проводящего материала.

Основы систем распределения электроэнергии переменного и постоянного тока для студентов

Системы передачи и распределения

Системы передачи и распределения аналогичны системе кровообращения человека.Систему передачи можно сравнить с артериями человеческого тела, а систему распределения — с капиллярами. Они служат той же цели — снабжать конечного потребителя в городе живительной кровью цивилизации — электричеством.

Основы систем распределения питания переменного и постоянного тока (фото предоставлено Susanne «Cyber» Peters через Flickr)

В этом руководстве мы ограничимся общим введением в систему распределения.

Что такое распределительная система?

Та часть энергосистемы, которая распределяет электроэнергию для местного использования, известна как распределительная система .

В общем, распределительная система — это электрическая система между подстанцией, питаемой от системы передачи, и счетчиками потребителей. Обычно он состоит из фидеров, распределителей и обслуживающей сети.

На рисунке 1 показана однолинейная схема типичной распределительной системы низкого напряжения.

Рисунок 1 — Однолинейная схема типичной распределительной системы низкого напряжения

1. Фидеры

Фидер — это проводник, который соединяет подстанцию ​​(или локализованную генерирующую станцию) с зоной, где должна распределяться мощность.Как правило, ответвления от фидера не выполняются, поэтому ток в нем остается неизменным на всем протяжении.

Одним из основных факторов, учитываемых при проектировании фидера, является пропускная способность по току .

2. Распределитель

Распределитель — это проводник, от которого берутся ответвления для питания потребителей. На Рисунке 1 A B, BC, CD и DA являются дистрибьюторами .

Ток через распределитель непостоянен, поскольку ответвления берутся в разных местах по его длине.

При проектировании распределителя главным фактором является падение напряжения по его длине, поскольку установленный законом предел колебаний напряжения составляет ± 6% от номинального значения на клеммах потребителей .

3. Сервисная сеть

Сервисная сеть обычно представляет собой небольшой кабель, который соединяет распределитель с клеммами потребителей.

Классификация распределительных систем

Распределительную систему можно классифицировать в соответствии с:

1.

Характер тока

По характеру тока распределительную систему можно классифицировать как:

• d.c. система распределения
• a.c. система распределения

Now-a-days, a.c. Система универсально принята для распределения электроэнергии, так как она проще и экономичнее, чем метод постоянного тока.

2. Тип строительства

По типу строительства распределительную систему можно разделить на воздушную и подземную.Подземная система обычно используется для распределения, поскольку она в 5-10 раз дешевле , чем эквивалентная подземная система.

Как правило, подземная система используется в местах, где надземное строительство нецелесообразно или запрещено местным законодательством .

3. Схема подключения

По схеме подключения распределительную систему можно классифицировать как:

1. Радиальная система
2. Кольцевая магистральная система
3. Связанная система.

У каждой схемы есть свои преимущества и недостатки, которые будут рассмотрены позже.

Рисунок 2 — Типовая первичная распределительная система

12.3 Распределение переменного тока

В настоящее время электрическая энергия генерируется, передается и распределяется в виде переменного тока . Одной из важных причин широкого использования переменного тока вместо постоянного тока является тот факт, что переменное напряжение можно удобно изменять по величине с помощью трансформатора.

Трансформатор сделал возможным передачу переменного тока. мощность при высоком напряжении и использовать ее с безопасным потенциалом. Высокое напряжение передачи и распределения значительно снизило ток в проводниках и связанные с этим потери в линиях.

Нет четкой границы между передачей и распределением по напряжению или объемной мощности. Однако в целом переменный ток. Система распределения — электрическая система между понижающей подстанцией, питаемой системой передачи, и счетчиками потребителей .

Переменный ток Система распределения подразделяется на: первичную систему распределения и вторичную систему распределения.

Первичная система распределения

Это часть переменного тока. распределительная система, которая работает при напряжениях, несколько превышающих обычные, и обрабатывает большие блоки электроэнергии, чем использует средний потребитель низкого напряжения.

Напряжение, используемое для первичного распределения, зависит от количества передаваемой мощности и расстояния до подстанции, которую необходимо запитать.

Наиболее часто используемые напряжения первичного распределения: 11 кВ, 6,6 кВ и 3,3 кВ . По экономическим соображениям первичное распределение осуществляется по трехфазной трехпроводной системе.

На рис. 2 (вверху) показана типичная система первичного распределения . Электроэнергия от генерирующей станции передается под высоким напряжением на подстанцию, расположенную в городе или вблизи него. На этой подстанции понижается напряжение до 11 кВ с помощью понижающего трансформатора.Электроэнергия подается на различные подстанции для распределения или крупным потребителям с этим напряжением.

Это образует распределительную сеть высокого напряжения или первичную распределительную сеть .

Основы систем распределения питания переменного и постоянного тока

Типы систем распределения питания переменного тока

Как мы все знаем, электроэнергия почти исключительно генерируется, передается и распределяется в форме переменного тока. Распределительная система обычно начинается с подстанции, где мощность доставляется по сети передачи.В некоторых случаях система распределения может начинаться с самой генерирующей станции, например, когда потребители находятся рядом с генерирующей станцией. Для больших площадей или промышленных зон также можно использовать первичное и вторичное распределение.

Типы систем распределения питания переменного тока

В зависимости от используемых фаз и проводов распределительную систему переменного тока можно классифицировать как —

1. Однофазная 2-проводная система
2. Однофазная, 3-проводная система
3. Двухфазная, 3-проводная система
4. Двухфазная, 4-проводная система
5. Трехфазная, трехпроводная система
6. Трехфазная, 4-проводная система

Однофазное, 2-проводное распределение

Эта система может использоваться на очень коротких расстояниях. На следующем рисунке показана однофазная двухпроводная система с заземленным — рис. (A) одним из двух проводов и рис. (б) средняя точка фазной обмотки заземлена.

Однофазная, 3-проводная система

Эта система в принципе идентична 3-проводной системе распределения постоянного тока. Нейтральный провод отводится от вторичной обмотки трансформатора и заземляется. Эта система также называется , разделенная система распределения электроэнергии . Он обычно используется в Северной Америке для бытового питания.

Двухфазная, 3-проводная система

В этой системе нейтральный провод отводится от места соединения двух фазных обмоток, напряжения которых находятся в квадратуре друг с другом. Напряжение между нулевым проводом и любым из внешних фазных проводов составляет V. В то время как напряжение между внешними фазными проводами составляет √2V. По сравнению с двухфазной 4-проводной системой, эта система страдает дисбалансом напряжений из-за несимметричного напряжения в нейтрали.

Двухфазная, 4-проводная система

В этой системе 4 провода взяты от двух фазных обмоток, напряжения которых находятся в квадратуре друг с другом.Середины обеих фазных обмоток соединены вместе. Если напряжение между двумя проводами одной фазы равно В, то напряжение между двумя проводами разной фазы будет 0,707 В.

Трехфазная, 3-проводная система распределения

Трехфазные системы очень широко используются для распределения питания переменного тока . Три фазы могут быть соединены треугольником или звездой с заземлением нейтрали. Напряжение между двумя фазами или линиями для соединения треугольником равно V, где V — напряжение на фазной обмотке.При соединении звездой напряжение между двумя фазами составляет √3В.

Трехфазная, 4-проводная система распределения

В этой системе используются фазные обмотки, соединенные звездой, а четвертый провод или нейтральный провод отводится от звезды. Если напряжение каждой обмотки равно V, то линейное напряжение (линейное напряжение) равно √3V, а линейное напряжение (фазное напряжение) равно V. Эта распределительная система типа широко используется в Индия и многие другие страны. В этих странах стандартное фазное напряжение составляет 230 вольт, а линейное напряжение √3×230 = 400 вольт.Однофазные жилые нагрузки, однофазные двигатели, работающие от 230 В, и т. Д. Подключаются между любой одной фазой и нейтралью. Трехфазные нагрузки, такие как трехфазные асинхронные двигатели, подключаются ко всем трем фазам и нейтрали.

Классификация по схеме подключения

Распределительную систему можно классифицировать по схеме подключения или топологии следующим образом —

1. Радиальная система
2. Кольцевая основная система
3. Объединенная система

Вы можете узнать больше об этом здесь.

Схема типовой системы электропитания переменного тока

Блок-схема типовой системы электропитания переменного тока показана на рис. 1.3. Электроэнергия вырабатывается трехфазными генераторами переменного тока, работающими параллельно на электростанциях. Напряжение генерации обычно составляет 11 кВ. В некоторых случаях оно может составлять 3,3, 6,6 или даже 33 кВ. Из соображений экономии это напряжение повышается с 11 кВ до 220 кВ на генерирующих станциях с помощью 3-фазных трансформаторов.

Первичные (или высоковольтные) линии передачи передают электроэнергию от генерирующих станций на первичные передающие подстанции.На этих первичных подстанциях напряжение понижается до 33 кВ (или 66 кВ) с помощью понижающих трансформаторов. От первичных подстанций электроэнергия передается по вторичным (или вспомогательным) линиям передачи напряжением 33 кВ на различные вторичные передающие подстанции.

На вторичных подстанциях напряжение дополнительно понижается до 11 кВ (или 6,6 или 3,3 кВ, в зависимости от потребности) с помощью 3-фазных трансформаторов, и питание подается на распределительные подстанции через первичные (или высоковольтные) распределительные линии на 11 кВ.Распределительные подстанции расположены в подходящих местах в районе подачи электроэнергии. На этих подстанциях напряжение понижается до 415 В. Вторичные (или низковольтные) распределительные линии, называемые распределителями, прокладываются вдоль дорог, а сервисные соединения к потребителям отводятся от распределителей.

Большинство бытовых, коммерческих и малых промышленных потребителей питаются при низком напряжении (415 В для трехфазных нагрузок и 240 В для однофазных нагрузок).Однако крупные коммерческие организации, общественные здания и промышленные предприятия с нагрузкой более 100 кВт предпочитают иметь объемное электроснабжение на 11 кВ (или даже на 33 кВ в случае крупных производств). Это достигается путем проведения линии 11 кВ напрямую от вторичных подстанций до помещений таких потребителей и подключения ее к понижающему трансформатору 11 кВ / 415 В.

Источники переменного тока различных типов с домашним контуром

Вы когда-нибудь задумывались, как электричество поступает в ваш дом, или предполагали, если электричество отключено, как вы все еще получаете электричество в доме.На самом деле может быть много способов получить питание от сети переменного тока, фактически не оставаясь без электричества.

4 источника питания переменного тока в доме

Сеть переменного тока: В основном из-за простоты передачи, низкой стоимости и легкости преобразования в постоянный ток, переменный ток предпочтительнее постоянного тока для подачи в дома. Вы когда-нибудь задумывались, как работает вся эта система распределения электроэнергии? Нет?

Позвольте мне дать краткое представление о системе в целом

Система распределения электроэнергии

Основная распределительная сеть состоит из следующих подразделов:

• Электростанция: Электростанция — это место, где вырабатывается трехфазная мощность переменного тока. .Причина использования трех фаз заключается в том, что все фазные токи имеют тенденцию гасить друг друга, поддерживая сбалансированную нагрузку и создавая вращающееся магнитное поле, используемое в электродвигателях. Электростанция обычно состоит из паротурбинных генераторов, которые работают на паре, полученном при сжигании угля, нефти и природного газа или от атомных электростанций. Мощность переменного тока, генерируемая генераторами, преобразуется в высокое напряжение около 155 кВ с помощью больших повышающих трансформаторов.
• Передающие подстанции: Генерируемая мощность при высоком напряжении 155 кВ поступает на передающие подстанции, которые состоят из понижающего трансформатора, автоматических выключателей и оборудования управления, и преобразует мощность переменного тока высокого напряжения в мощность переменного тока низкого напряжения 60 кВ в подаваться по цепям передачи на блок распределения питания.
• Блок передачи: Блок передачи состоит из каждой трехпроводной опоры, каждая из которых несет фазу, а также четвертого провода, который действует как заземление для защиты от молнии. Обычно расстояние передачи составляет около 400 км.
• Распределительная сеть: Состоит из понижающих трансформаторов, которые преобразуют входящее высокое напряжение переменного тока с 60 кВ в 12 кВ, и распределительных шин для передачи переменного тока.
• Блоки передачи в дом: Блок передачи состоит из 3 проводных опор, которые передают мощность переменного тока в каждой фазе, а также состоит из блоков регуляторов для предотвращения скачков напряжения и ответвлений для получения однофазного или двухфазного питания от трех фаз. поставлять.
• Блок питания переменного тока возле домов: Блок питания переменного тока состоит из понижающих трансформаторов на электрических полюсах, которые понижают напряжение переменного тока от линий передачи до нормального напряжения переменного тока 240 В для домашнего электроснабжения. Источник питания 240 В состоит из трех проводов: два провода по 120 В каждый с разностью фаз 180 градусов, а третий провод — нейтральный или заземляющий.

Солнечная энергия: Другой источник энергии в вашем доме — это солнечная энергия.Благодаря восполнению запасов и доступности, солнечная энергия становится одним из основных источников энергии. Распределение солнечной энергии в домах состоит из следующих компонентов:

Солнечная энергия в дома

• Панели солнечных батарей: Массив солнечных панелей, состоящих из солнечных элементов, размещается на крыше домов в таком направлении, чтобы обеспечить максимум солнечного света и преобразовать этот солнечный свет в электрическую энергию.
• Контроллер заряда: Работа контроллера заряда заключается в управлении зарядкой батарей, чтобы гарантировать, что избыточное напряжение постоянного тока не поступает на батареи.Он также обеспечивает зарядку аккумулятора в случае разрядки аккумулятора.
• Батареи: Набор почти из 12 батарей используется для хранения электроэнергии постоянного тока от солнечных элементов.
• Инвертор: Он используется для преобразования мощности постоянного тока от батарей в питание переменного тока для работы приборов, которым для работы требуется питание переменного тока.

Источник бесперебойного питания: В предыдущем пункте мы узнали о хранении солнечной энергии и последующем преобразовании постоянного тока в переменный с помощью инверторов.То же самое можно сделать с питанием от сети переменного тока.

Система бесперебойного питания

В нормальном режиме питание происходит от сети переменного тока и подается на нагрузки после регулирования стабилизатором. Это переменное напряжение преобразуется в постоянное для зарядки аккумуляторов.

В резервном режиме накопленная в батареях энергия постоянного тока преобразуется в мощность переменного тока с помощью инверторов. Базовый инвертор состоит из трансформатора с первичной обмоткой с центральным отводом и переключателей, которые позволяют току течь обратно в батарею через первичные обмотки, тем самым создавая напряжение переменного тока на первичных обмотках .

Практический ИБП

Генераторы: Резервный генератор для дома работает на природном газе или дизельном топливе. Он состоит из контроллера, который контролирует прохождение тока от сети через автоматический переключатель резерва. В случае сбоя питания автоматический переключатель резерва замыкает линии электропитания и размыкает линию электропередачи от генератора. Таким образом, после перерыва в 10 секунд после отключения электроэнергии генератор начинает работать и подает питание на бытовую технику.Когда питание возвращается, контроллер обнаруживает это и автоматически отключает питание от генератора и снова начинает мониторинг основного питания. Генератор дешевле и потребляет меньше энергии, но он шумный по сравнению с инверторами.

Система резервного генератора переменного тока Практичный генератор, используемый в домашних условиях

Автоматический выбор источника питания в домашних условиях

Мы можем построить простой автоматический блок для выбора любого из источников питания. Нам нужен базовый микроконтроллер, драйвер реле и 4 реле.

Система состоит из 4 кнопок, подключенных к микроконтроллеру, каждая из которых представляет состояние доступности каждого источника питания. Соответственно, микроконтроллер заставляет драйвер реле выбрать правильное реле, подключенное к соответствующему источнику питания. Блок-схема

, показывающая автоматический выбор источника питания переменного тока

В нормальном режиме работы микроконтроллер управляет драйвером реле, чтобы нагрузка была подключена к источнику питания через соответствующее реле.Когда нажата первая кнопка, представляющая питание от сети, это указывает на сбой в сети. В этом случае микроконтроллер запрограммирован так, чтобы подавать высокий логический вход на один из входных контактов драйвера реле (подключенного к соответствующему альтернативному источнику питания), и драйвер реле соответственно вырабатывает низкий логический сигнал на соответствующем выходном контакте. Реле, подключенное к этому альтернативному источнику питания, подключено и обеспечивает подачу питания на нагрузку. Когда какой-либо из альтернативных источников питания вместе с питанием от сети выходит из строя, выбирается другой доступный источник питания.Другими словами, если нажаты и кнопка питания от сети, и соседняя кнопка, альтернативный источник питания соответствует третьей кнопке. ЖК-дисплей может использоваться для отображения состояния нагрузки.

Photo Credit

Сравнение мощности переменного тока и постоянного тока — Почему система переменного тока лучше системы постоянного тока

В системах питания используется либо постоянный ток (постоянный ток), либо переменный ток (переменный ток). Давайте изучим эти системы.

Сравнение переменного и постоянного тока

Рассмотрим следующий сценарий:

• Электростанция питает дом, расположенный на расстоянии более 1000 футов.
• Дом требует тока 100 А при 480 В.
• Установка вырабатывает 100 А при 480 В.
• Предположим, что система постоянного тока и система переменного тока с системой переменного тока, использующей трансформатор на 480/4800 В рядом с генерирующей станцией и трансформатор на 4800/480 В рядом с домом. См. Рисунок ниже.

Рисунок 1: Система переменного тока и постоянного тока

Давайте посмотрим, как система постоянного тока соотносится с системой переменного тока.

Система питания постоянного тока

Система постоянного тока не может применяться ко всем областям энергосистемы. Поскольку постоянный ток создает постоянное магнитное поле, преобразовать напряжение (с помощью индукции) непросто.Это значит, что не подходит для распределения электроэнергии. Однако после подачи питания в дом вы можете получать питание постоянного тока с помощью адаптера питания (который содержит крошечный трансформатор и выпрямитель), поставляемого производителем вашего устройства.

На уровне передачи большого объема существует ограниченное применение системы постоянного тока. Чтобы получить сверхвысокое напряжение постоянного тока (от переменного тока) и затем преобразовать его обратно в переменный, вам нужны дорогостоящие преобразовательные подстанции, обычно стоимостью в 100 миллионов долларов.В Северной Америке преобразовательные подстанции связывают межрегиональные энергосистемы на своих границах. Например, западный межсоединение (фиолетовый) привязан к восточному межсоединению (синий и зеленый). Восточное межсоединение привязано к Техасу (серым цветом) и Канаде (белым цветом).

Преобразовательные подстанции HVDC в США

Разделение межрегиональных систем, как показано, гарантирует, что любые системные нарушения (по величине напряжения, току короткого замыкания или колебаниям частоты) не передаются.

Если вы можете переварить стоимость двух преобразовательных подстанций, можно получить огромную экономию на инфраструктуре линий электропередачи.Ознакомьтесь с этой брошюрой Alstom для получения дополнительной информации.

Из-за экономических аспектов этой технологии текущее применение для систем постоянного тока при большой мощности — это

• , применяемые на очень протяженных линиях передачи (т.е. экономия от инфраструктуры линий передачи идет на преобразовательные станции)
• интегрируют возобновляемые источники энергии. Например, энергия ветра, вырабатываемая на равнинах среднего запада Америки, может быть экспортирована на западное или восточное побережье. Гидроэнергетику северо-запада или Канады можно экспортировать туда, где в этом есть необходимость.

Рисунок 2: Цепь постоянного тока

В системах постоянного тока мощность, передаваемая на нагрузку, определяется по формуле:

P = V * I (Вт)

Где, V = R * I (закон Ома)

Потери, понесенные в системы постоянного тока являются чисто резистивными (индуктивного сопротивления нет!). Они выделяются в виде тепла, определяемого величиной I²R (Джоули).

Преимущество системы питания постоянного тока:

1. Простая система. Легко понять. Никаких абстрактных понятий, таких как реактивная мощность, в отличие от систем переменного тока.
2. Подходит для передачи HVDC.Для передачи электроэнергии постоянного тока требуется меньше линий передачи.
3. Может использоваться для соединения двух асинхронных систем переменного тока.
4. Подводная передача электроэнергии возможна по линиям постоянного тока. Он не имеет емкостного эффекта, поскольку линии переменного тока находятся под морской водой.
5. Постоянный ток не вызывает фибрилляцию сердца, как переменный ток. Это просто останавливает это. Фибрилляция сердца опаснее, чем сердце, которое на мгновение перестало биться.

Недостаток системы питания постоянного тока:

1. Система постоянного тока не подходит для распределения электроэнергии.
2. Действующие в настоящее время системы HVDC являются производными от систем переменного тока с использованием дорогих преобразовательных станций. Снижение затрат за счет сокращения линий передачи (особенно междугородных) в системе HVDC идет на строительство дорогих преобразовательных станций.

Система питания переменного тока

Щелкните изображение ниже, если вам нравятся уравнения мощности переменного тока.

Рисунок 3: Цепь переменного тока

Переменный ток, в отличие от постоянного тока, является величиной, изменяющейся во времени. Это имеет серьезные последствия. Теперь переменным токам приходится иметь дело не только с сопротивлением (материала), но и с противодействием индуктивного сопротивления линий передачи, трансформаторов, двигателей и т. Д. — посмотрите закон Ленца.

Реальная мощность, описанная в уравнении (слева), выполняет фактическую работу в энергосистеме. Это то, что приводит в движение моторы, зажигает лампочки и так далее. С другой стороны, реактивная мощность не выполняет реальной работы. Но тем не менее это необходимо. В основном он используется для намагничивания трансформаторов, двигателей, любых катушек, линий передачи и т. Д. Другими словами, он облегчает передачу реальной мощности, удовлетворяя потребности каждого оборудования. Все еще не понимаете? Посмотрите видео ниже, которое лучше всего описывает это явление.

Без поддержки реактивной мощности на длинные линии передачи (от генераторов, конденсаторных батарей и т. Д.) На концах линий будет значительное падение напряжения.

Почему трехфазная система питания переменного тока, а не четырех, пяти или шести фаз?

Системы переменного тока в основном проектируются как трехфазные. Вы можете обеспечить большую мощность с трехфазной системой, чем с однофазной или двухфазной системой, но нет никакого преимущества в использовании более трех фаз. Это точка безубыточности.Использование большего количества линий означает более высокие затраты на инфраструктуру.

Переменный ток колеблется 60 раз в секунду (в США). Это в области электричества. В механической области это соответствует 1800 об / мин для 4-полюсного генератора. Если к электросети подключено более одного 4-полюсного генератора, то все эти генераторы должны вращаться со скоростью 1800 об / мин для выработки переменного тока с частотой 60 Гц. Если какой-либо генератор ускоряется или замедляется (из-за переходных процессов в системе), необходимо немедленно принять меры по исправлению положения (либо локализовать неисправность, либо отключить генератор, работающий вне такта).Подробнее об этом читайте в этой статье.

Преимущества системы питания переменного тока

1. Очень гибкая система. Он может передавать питание нагрузкам на большие расстояния с помощью трансформаторов.
2. Генераторы переменного тока прочнее и проще в сборке, чем генераторы постоянного тока. Генераторы постоянного тока нуждаются в щетках и коммутаторах для генерации постоянного тока.

Недостаток системы питания переменного тока

1. Очень опасен, поскольку вызывает фибрилляцию сердца. Незаземлен от скачков напряжения.
2. Комплексная система.Компьютер с программным обеспечением для анализа энергосистем (например, EMTP, ETAP, PTW и т. Д.) Спас инженеров.
3. Стабильность системы имеет решающее значение. Система выходит из строя, если соединенные между собой генераторы не генерируют на одной и той же частоте (т. Е. Не синхронизированы).

Резюме

Системы постоянного тока отлично подходят для передачи большой мощности при действительно высоких напряжениях. Однако они просто не подходят для распределения электроэнергии. Системы переменного тока предоставляют простые средства доставки энергии удаленным пользователям с удаленных генерирующих станций.Сочетание обеих технологий подходит для построения энергосистемы.