ОПЭвЭС лекции

Структурная и принципиальная электрическая схемы электромашинного преобразователя трёхфазного переменного тока в постоянный приведены на рис. 56а) и б) соответственно. Принцип работы преобразователя заключается в следующем. При подаче питания от трёхфазной сети переменного тока на асинхронный двигатель вал преобразователя начинает вращаться. Если обмотку возбуждения L генератора G запитать постоянным током, то на зажимах его якорной обмотки появится ЭДС. При подключении к

			выходным зажимам нагрузки по цепи генератор
		A B C	– нагрузка потечёт ток, сила которого зависит
			от величины напряжения на зажимах, которая
		М	регулируется	величиной тока в		обмотке
			возбуждения генератора.
			Преобразователь		обладает	свойством
			обратимости.	Если	якорную	обмотку
		L	генератора запитать от источника постоянного
			тока при сохранении		поля машины (т. е.
		G
			использовать генератор в качестве мотора), то
			на зажимах асинхронной машины появится
	a)	б)	переменное напряжение.
			Аналогичным		образом	устроены
	Рис. 56. Схема электромашинного преобразователя		электромашинные преобразователи			частоты,
			фаз и др.
2	В настоящее время основной формой организации энергетического производства является
энергетическая система.
	Энергетической системой (или энергосистемой) называют совокупность электрических станций,

подстанций, электрических и тепловых сетей, соединённых между собой и связанных общностью производства, передачи, распределения и потребления электрической и тепловой энергии. Таким образом, энергетическая система состоит не только из котлов, турбин, генераторов, бойлеров, линий передач электрической и тепловой энергии, трансформаторов, но и из потребителей – электродвигателей, преобразователей электрической энергии в другие, осветительных и нагревательных приборов и т.д., как в быту, так и на производстве.

Предприятия энергетической системы, в которых энергоресурсы преобразуются только в электрическую энергию, называются электрическими станциями, а в которых – в электрическую и тепловую энергию – теплоэлектрическими централями.

Энергетические установки, которые служат для передачи и распределения энергии, называются

энергетическими сетями – соответственно электрическими или тепловыми.

Установки, в которых подводимая электрическая энергия преобразуется в какой-либо другой вид энергии, называются потребителями.

На рис. 57 приведена структурная схема электрической части энергосистемы.

Электрическая часть электроэнергетической системы

состоит из генераторов электростанций, магистральных линий электропередачи, электрических подстанций и распределительных электрических сетей с присоединёнными к ним приёмниками электрической энергии.

	В	энергетической			системе
	имеются элементы двух видов:
	-	передающие,		основное
	назначение		которых	–	передача
	энергии;
	- преобразующие, в которых
	происходит		преобразование
Рис. 57. Структурная схема электрической части энергосистемы	электрической		энергии	по	уровню
1 – электростанции (ГЭС, КЭС, ТЭЦ, АЭС); 2 – распределительные	напряжения, либо по роду тока.
подстанции; 3 – синхронные компенсаторы; 4 – фидеры (линии	К	передающим		элементам
электропередачи) нагрузки; 5 – фидеры собственных нужд	относятся: воздушные и кабельные
электростанций	линии,	устройства регулирующие
	или прекращающие подачу энергии

41

(выключатели, разъединители и т.д.).

К преобразующим относятся: генераторы, трансформаторы, выпрямители, инверторы, преобразователи частоты и т.д.

На рис. 58 приведён вариант электроэнергетической системы для питания подвижного состава железнодорожного транспорта.

Рис. 58. Электроэнергетической системы для питания подвижного состава железнодорожного

Поскольку генераторы электростанций вырабатывают электроэнергию трёхфазного переменного тока с напряжением не выше 21 кВ, при котором передача её на расстояние неэффективна вследствие больших потерь, обычно рядом с электростанциями располагаются электрические подстанции, повышающие напряжение до 35, 110, 220кВ, а при необходимости передачи на большие расстояния – и до 330, 500, 750кВ и выше. В ряде случаев в целях снижения потерь при передаче электроэнергии повышение напряжения сопровождается преобразованием переменного тока в постоянный.

Объединение отдельных электростанций и линий электропередачи в энергосистемы способствует:

-уменьшению величины суммарного резерва мощности;

-уменьшению суммарного максимума нагрузки объединяемых энергетических систем;

-улучшению использования мощности и энергии гидроэлектростанций одной или нескольких энергетических систем и повышение их экономичности в целом;

-снятию остроты проблемы производства и получения энергии при сезонных изменениях мощностей электростанций и нагрузок потребителей, а также при проведении ремонтных работ и авариях.

Классификация энергетических систем

1.По виду используемых энергетических ресурсов (а, следовательно, по типу электростанций):

-с тепловыми электростанциями;

-с гидроэлектростанциями;

-смешанного типа.

2.По виду производимой энергии:

-электроэнергетические;

-теплоэнергетические;

-смешанные.

3.По составу потребителей энергии:

-потребители с осветительной и бытовой нагрузкой;

-электродвигатели промышленных предприятий;

-электрическая тяга;

-электропечи;

-потребители смешанного типа.

4.По характеру взаимного географического расположения электростанций и потребителей:

-концентрированные (расположенные рядом);

-протяжённые (с передачей энергии на дальние расстояния).

42

Производство электрической энергии отличается от производства продукции в других отраслях промышленности рядом особенностей:

-производство электроэнергии, её распределение и преобразование в другие виды энергии осуществляется одновременно;

-переходные процессы в системе протекают кратковременно;

-электроэнергетическая система тесно связана со всеми отраслями промышленности и бытовыми потребителями.

Одновременность процессов производства, распределения и потребления электрической энергии приводит к тому, что нельзя произвести электроэнергию, не имея потребителей её и наоборот – не имея производителей энергии, нельзя её потребить. Кроме того, снижение мощности производителя энергии при сохранении количества потребителей приводит к ухудшению качества вырабатываемой энергии. Изменение характера нагрузки также сказывается на качестве производимой энергии.

Быстрота протекания переходных процессов в электроэнергетической системе предопределяет высокую степень автоматизации, быстродействие системы управления режимами работы и защиты всех её элементов.

Развитие энергетических систем должно происходить опережающими темпами по отношению к росту потребляемой энергии, без диспропорций, с опережением развития сетей по отношению к электростанциям.

Так как энергетическая система состоит из отдельных элементов, то свойства энергетической системы как единого целого определяются свойствами или характеристиками отдельных её элементов. Однако и свойства отдельных элементов системы, естественно, зависят от свойств системы в целом. Кроме того, система как более сложный объект обладает более общими свойствами, связанными не только с характеристиками отдельных элементов, но и с их сочетанием.

Одной из важнейших характеристик каждого элемента системы является совокупность его номинальных данных, к которым относятся:

-нагрузочная и перегрузочная способность, т.е. мощность, которую данный элемент может развивать при преобразовании или передаче энергии без ущерба для его надёжности;

-номинальные значения качественных показателей подводимой, преобразуемой или передаваемой энергии (величина напряжения, частота, cosφ и т.д.) и допустимые отклонения этих параметров от номинальных значений.

Работа энергетической системы может осуществляться в некотором режиме, под которым подразумевается её состояние, определяемое значениями мощностей, напряжений, токов, частот и других переменных физических величин, характеризующих процессы преобразования, передачи и распределения энергии и называемых параметрами режима.

Классификация режимов работы энергосистем

1.По длительности сохранения параметров:

-установившиеся;

-переходные.

2.По характеру работы:

-нормальный;

-вынужденный;

-аварийный.

3.По величине параметров режима:

-нормальный установившийся;

-нормальный переходный;

-аварийный переходный;

-послеаварийный установившийся.

Требования к режимам работы энергетических систем

1.Надёжность режима работы;

2.Бесперебойность энергоснабжения потребителей;

3.Высокое качество энергии;

4.Экономичность режима.

Требование обеспечения надёжности и бесперебойности рассматриваются с точки зрения обеспечения определённого их уровня, при котором он должен быть оправдан экономической целесообразностью: затраты на обеспечение заданного уровня надёжности должны быть меньше затрат на устранение аварии. Тем более, что более вероятность возникновения серьёзных аварий ниже, чем небольших.

Строго говоря, нормальный режим работы энергосистемы - чисто условный. Объясняется это тем, что работа потребителя энергии носит стохастический характер, как по времени включения, так и по количеству потреблённой энергии. Но так как количество потребителей велико, происходит нивелирование общего потребления энергии вокруг какого-то среднего за определённый период работы системы значения.

43

Лекция 11

1. Централизованные и автономные системы электроснабжения.

2.Основные проблемы электроснабжения.

3.Накопители энергии.

1

Режим работы отдельных звеньев энергетической системы должен быть подчинён режиму работы всей энергетической системы в целом при условии обеспечения безопасности этого режима для оборудования данного звена.

Вместе с тем, к режиму работы каждого звена могут быть предъявлены следующие требования:

-надёжность и безопасность работы каждого звена для обслуживающего персонала и оборудования;

-экономичность работы звена;

-возможность использования всей располагаемой мощности звена.

Требование полного использования мощности звена имеет существенное значение, так как недогрузка оборудования может приводить к снижению надёжности энергетической системы и ухудшению качества энергии, а во многих случаях – к снижению экономичности её работы.

Рассмотрим схемы подключения потребительских установок на примере электрического транспорта. Система электроснабжения электрического транспорта включает в себя тяговые подстанции,

осуществляющие приём, преобразование и распределение электроэнергии, и тяговую сеть, посредством которой осуществляется передача электроэнергии к токоприёмникам подвижного состава. Совокупность тяговых подстанций и тяговой сети образует систему тягового электроснабжения.

Всистеме тягового электроснабжения можно выделить три составные части:

-внешнее электроснабжение, включающее в себя устройства от электрической станции до первичных шин тяговой подстанции;

-тяговая подстанция, включающая в себя распределительные устройства, трансформаторы, выпрямители, устройства собственных нужд;

-внутреннее (тяговое) электроснабжение, включающее в себя устройства, расположенные от вторичных шин тяговой подстанции до токоприёмника подвижного состава – фидеры (провода и кабели), соединяющие тяговую подстанцию с контактной и рельсовой сетями, собственно контактная и рельсовая сети со всеми

		специальными частями (пересечениями,
		стрелочными переводами и т.д.).
		Наиболее часто встречающимися на
		практике схемами присоединения тяговых
		подстанций		к	системе		внешнего
		электроснабжения являются (см. рис. 59 и
		60):
		- кольцевая;
		- магистральная;
		- радиальная.
		В электрической тяге с передачей
		тока по проводам применяются следующие
		системы тока, упрощенные схемы которых
		приведены на рис. 61:
		- система постоянного тока, в
	Рис. 59. Радиальные схемы питания потребителя	которой	трёхфазный			ток промышленной
		частоты		преобразуется			на	тяговой
	а) – параллельное подключение вводов; б) – раздельное
		подстанции в постоянный, заданного
	подключение вводов; в) – с одиночным кабелем связи; г) –
		уровня напряжения (от 600В до 4000В);
	однолучевое;
		- система однофазного тока частотой
	ПП – понизительная подстанция; ЗА – защитный аппарат;
		50Гц,	в	которой		трёхфазный			ток
	ТП –тяговая подстанция
			промышленной				частоты
			преобразуется			в	однофазный
			заданного уровня напряжения;
				- система однофазного тока
			пониженной частоты (25, 162/3,
			15 Гц);
				- система трёхфазного тока,
			в	которой		контактная		сеть
	Рис. 60.Магистральная и кольцевая схемы питания потребителя		выполняется			двухпроводной,			а
	а) – линия-шина; б) – кольцевая

44

третьим проводом являются рельсы.

В зависимости от назначения электрического транспорта (городской – наземный и подземный, промышленный, железнодорожный) величина питающего (первичного) напряжения, поступающего на

Рис. 61. Варианты электрической тяги в зависимости от рода тока

тяговую

подстанцию

со

стороны

внешнего

электроснабжения может составлять 6, 10, 35, 110 или

35кВ

220 кВ.

110(220)кВ

На

рис.

62 приведена структурная схема

преобразования

электрической

энергии

для

питания

подвижного состава железнодорожного транспорта от

контактной сети напряжением 3,3 кВ.

Электроэнергия

напряжением

110(220)

кВ

поступает

от

трёхфазного

источника

(электроэнергетической системы) по

специальным

10кВ

линиям (вводам)

1

на распределительное устройство

(РУ) 2. РУ включает в себя электрические

коммутационные

аппараты

–

высоковольтные

выключатели, разъединители, короткозамыкатели и

отделители, обеспечивающие коммутацию и защиту

электрооборудования.

От

РУ

110(220)

кВ

электроэнергия

поступает

на

трёхобмоточный

трансформатор 3, где производится понижение

величины напряжения до 35 кВ и 10 кВ и

гальваническая развязка вторичных цепей от

первичной. Напряжение 35 кВ подаётся на РУ 35 кВ

(12), а с него по питающим линиям 11 – на районные

3,3 кВ

трансформаторные

подстанции, питающие

других

потребителей. Напряжение 10 кВ подаётся на РУ 10

кВ, а с него – на понизительные трансформаторы 5 и

нетяговые железнодорожные потребители 13. С

Рис. 62. Структурная схема преобразования на

понизительного

трансформатора

5

напряжение

подаётся

на

выпрямитель

6,

откуда

–

на

3,3 кВ

распределительное устройство 7 постоянного тока. С

РУ постоянного

тока

положительный потенциал

подаётся через питающий фидер на контактный провод, а отрицательный через сглаживающее устройство 8 и рельсовый фидер 10 – на рельс. Если питание подстанции осуществляется по линиям передач 6,10 или 35 кВ, то трансформаторы 5 присоединяются непосредственно к РУ первичного напряжения. Структурная схема при этом сокращается до варианта, обведённого штриховой линией.

45

		Структурна схема преобразования трёхфазного напряжения частотой 50 Гц в однофазное
	напряжением 27,5кВ той же частоты для питания подвижного состава железнодорожного транспорта									на
	рис. 63.
		Питающее трёхфазное напряжение 110(220) кВ по вводам 1 подаётся					на	РУ (2),	откуда –	на
	кВ		понизительные трансформаторы 3. С выводов обмотки
			среднего напряжения понизительного трансформатора
	10(35)		напряжение 27,5 кВ подаётся на РУ 27,5 кВ (4), откуда
		110(220)кВ	по фидерам 7 и 8 – на провода контактной сети, а по
			фидеру 6 – на рельсовую сеть. На секционированные
			участки тяговой сети (между контактной сетью и
			рельсами) подаётся однофазное напряжение, снимаемое
			с разных	обмоток трансформатора, соединённых						в
			«треугольник»: между фидерами 6 и 7 – фаза А, между
		27,5 кВ	фидерами 6 и 8 – фаза В и между фидерами 7 и 8 – фаза
			С. Присоединение участков контактной сети к разным
			фазам (А и В) вторичной обмотки трансформатора
			приведёт к короткому замыканию, если не принять
			специальной		меры –	увеличения расстояния между
		27,5кВ	контактными проводами, находящимися под разными
			потенциалами. С этой целью (см. рис. 61) участки
			контактной		сети	разделяются			воздушными
			промежутками 10 и нейтральными (не имеющими
	Рис. 63. Структурная схема преобразования		потенциала) вставками 9.
			Со	вторичной		обмотки		низкого	напряжения
	трёхфазного в однофазное напряжением 27,5 кВ
			10(35) кВ через РУ (12) по питающим линиям 13
			напряжение		подаётся	на	районные		подстанции

потребителей.

Нетяговые потребители снабжаются электроэнергией по питающим фидерам 11, присоединённым к РУ (5).

На рис. 64. приведена структурна схема преобразования трёхфазного напряжения частотой 50 Гц в однофазное напряжением 15кВ частотой 162/3 Гц для питания подвижного состава железнодорожного

транспорта.

				Понизительный
	трансформатор			2	тяговой
	подстанции			присоединён
	посредством фидера 1 к линии
	электропередач (ЛЭП) 110 кВ. Со
	вторичной				обмотки
	трансформатора			трёхфазное
	напряжение подаётся на мотор –
	генераторную			установку		3,
	состоящую		из	приводного
	трёхфазного			синхронного
	электродвигателя,			механически
	связанного		с	однофазным
	генератором.				Выходное
	напряжение 5,7 кВ частотой 162/3
	Гц,	выдаваемое		генератором,
	повышается трансформатором 4 до
Рис. 64. Структурная схема преобразования трёхфазного в	15 кВ и подаётся в тяговую сеть.
однофазное напряжение 15кВ частотой 162/3 Гц	При	этом	один	конец	обмотки

трансформатора соединяется посредством фидера 7 с рельсовой сетью, а второй фидером 6 через автоматический выключатель 5 – с контактной сетью. Секционирование контактной сети обеспечивают воздушные промежутки 8.

Структурная схема преобразования трёхфазного напряжения в однофазное 2×25 кВ частотой 50 Гц для железнодорожного электрического транспорта приведена на рис. 65.

Особенностью этой схемы является применение специальных однофазных трансформаторов 3 и их присоединение к тяговой сети. Первичные обмотки трансформаторов подключены к питающей сети на междуфазные напряжения разных фаз. Вторичная обмотка каждого трансформатора состоит (рис. 65б) из двух секций а1 – х1 и а2 – х2, каждая из которых рассчитана на напряжение 27,5 кВ, т.е. при их последовательном соединении создаётся напряжение 55 кВ. При таком исполнении вторичных обмоток общие точки 4 секций всех трансформаторов через РУ 27,5 кВ присоединяются посредством провода 5 и

46

фидера 8 к рельсовой сети,

выводы х2 посредством фидера 7

– к питающему, а выводы а1

посредством фидера 6 – к

контактному проводу.

В

результате

напряжение

тяговой сети между контактным

проводом и рельсами составляет

27,5 кВ, а между контактным

проводом и питающим – 55 кВ.

Автотрансформаторы

12,

соединяющие

контактную,

питающую и рельсовую сети,

устанавливаются

вдоль

полотна

железной дороги на расстоянии

8…12 км.

На рис. 66 приведена

структурная

схема

преобразования

трёхфазного

напряжения частотой 50 Гц в

напряжение

600

В

постоянного

тока, применяемой на тяговых

подстанциях

наземного

городского

электрического

транспорта.

Питающее напряжение 10

кВ подаётся через рабочий 1 или

резервный 2 ввод на РУ 10 кВ,

откуда – на рабочие 4 или

резервный 5 преобразовательные

агрегаты,

состоящие

из

Рис. 65. Структурная схема преобразования трёхфазного напряжения

понизительного

трансформатора

в однофазное 2×25 кВ частотой 50 Гц

и выпрямителя.

С

преобразовательного

агрегата

выпрямленное

напряжение величиной 600 В через разъединители 8

подаётся на «+» шину, а оттуда на РУ 600 В (9 и 10) с

линейными рабочими и запасными автоматическими

выключателями. Шина «-» 600 В соединяется

посредством разъединителей 11 с «-» выводами

выпрямителей, а посредством разъединителей 12 – с

рельсовой сетью (трамвая) или «-» проводом

контактной сети (троллейбуса).

Работу

потребителя

собственных

нужд

обеспечивают рабочий 6 и резервный 7

трансформаторы собственных нужд.

Рассмотренные

структурные

схемы

преобразования

энергии

относятся

к

централизованным

системам

электроснабжения

потребителей.

В

отличие

от

централизованных

в

автономных

системах

электроснабжения

в

качестве первичного источника энергии выступает

Рис. 66. Структурная схема преобразования

локальная

электростанция,

не

входящая

в

энергетическую систему района, региона, страны.

трёхфазного напряжения частотой 50 Гц в

постоянное напряжение 600 В

2

Как централизованные, так и автономные системы электроснабжения имеют свои достоинства и недостатки. В большинстве случаев достоинства одной системы являются недостатками другой. Поэтому отметим достоинства каждой из них.

Достоинства централизованных систем электроснабжения 1. Бóльшая степень надёжности (за счёт бóльшего количества электростанций);

47

2.Меньшая удельная (приведённая к единице установленной мощности оборудования) мощность резервного оборудования;

3.Снивелированная (не имеющая острых пиков – суточных, сезонных и т.д.) кривая потребляемой энергии за соответствующий период времени;

4.Меньшая зависимость от перебоев в доставке первичных источников энергии;

5.Меньшая мощность «пиковых» (работающих только в период максимального потребления энергии) электростанций;

6.Лучшее качество вырабатываемой электроэнергии;

7.Лучшие условия для проведения регламентных работ;

8.Меньшая себестоимость произведённой энергии.

Достоинства автономных систем электроснабжения

1.Компактность системы (отсутствие внешних линий электропередач, дополнительного оборудования для их осуществления и т.д.);

2.Меньшие капитальные затраты.

Основные проблемы порождены составляющими технологического процесса, который, как указывалось ранее, состоит из стадии производства электрической энергии, стадии передачи электроэнергии и стадии потребления (переработки её потребителями).

Каждая из этих составляющих и порождает проблемы, возникающие при использовании, электроэнергии.

Основные из них заключаются в следующем:

1.Проблема снижения потерь энергии при переработке первичных источников энергии (повышение КПД установок за счёт усовершенствования технологии производства);

2.Проблемы снижения потерь энергии при её передаче;

3.Проблемы снижения потерь энергии при переработке её потребителями.

3	Одним из наиболее эффективных способов рационального расходования электрической энергии в

электротехнических системах, использующих электромеханические преобразователи, является применение накопителей. В общем виде накопитель энергии представляет устройство, позволяющее запасать в нем энергию какого-либо вида в течение периода заряда, хранить ее и передавать существенную часть этой энергии потребителю в течение периода разряда. Электромеханический преобразователь, как отмечалось выше, обладает свойством обратимости – потребляет электроэнергию в режиме работы двигателем и генерирует её в режиме рекуперативного торможения. Поскольку возврат энергии в источник не всегда оправдан, как по техническим решениям, так и по экономическим соображениям, то возвращаемую энергию целесообразно накопить внутри системы с целью последующего её использования.

Внастоящее время известно несколько типов накопителей, основанных на различных принципах работы. Использование накопителей на электрическом транспорте является эффективной мерой по снижению энергозатрат на движение ЭПС, поскольку накопление энергии, получаемой в процессе электрического торможения, можно обеспечить практически всегда.

Внастоящее время известны различные типы накопителей энергии: гидроаккумулирующие (ГА), воздухо-аккумулирующие (ВА), газотурбинные, электрохимические (ЭХ), механические, электромеханические (ЭМ), инерционные, емкостные, сверхпроводящие, индуктивные и т.д. Каждый тип накопителей энергии имеет свои характерные энергетические показатели, режимы работы, особенности конструктивного и схемотехнического исполнения, определяющие рациональные области их применения.

Критериями для обоснования целесообразности внедрения того или иного типа накопителя на подвижном составе городского электрического транспорта являются следующие:

1. Удельная энергоёмкость, измеряемая в Вт·ч/кг или Дж/кг и определяющая массогабаритные показатели данного накопителя;

2. Удельная стоимость накопительного устройства (удельные капиталовложения); 3. Долговечность, измеряемая общим числом циклов «заряд–разряд» или сроком службы; 4. Диапазон температур, в котором сохраняется работоспособность накопителя;

5.Простота и доступность технического обслуживания;

6.Время заряда накопителя (выбор производится исходя из времени торможения ЭПС);

7.Время и величина потерь при хранении энергии;

8.Время реверса;

9.Скорость и глубина разряда (глубина разряда позволяет снизить величину массогабаритных показателей и величину «мертвого объема»);

10.Безопасность работы;

11.КПД накопительного устройства.

Электрохимические накопители энергии

Электрохимическими накопителями называются химические источники тока, предназначенные для многократного использования их активных веществ, регенерируемых путем заряда. К этому типу накопителей можно отнести химические аккумуляторные батареи (АБ) и электрохимические генераторы

(ЭХГ).

48

Основными электрическими параметрами аккумуляторов являются: номинальные напряжение и емкость, токи разряда и заряда. Кроме того, аккумуляторы характеризуются электродвижущей силой (ЭДС), внутренним сопротивлением, величиной и скоростью разряда , а также удельными энергетическими показателями.

К достоинствам электрохимических накопителей можно отнести: возможность длительного хранения энергии до 104 ч, высокий КПД, отсутствие механических перемещений, бесшумность работы.

Современная техника в зависимости от назначения располагает целым рядом АБ, это – свинцовые, медно-литиевые, железо-никелевые (ЖН), никель-кадмиевые (НК), серебряно-цинковые (СЦ), сернонатриевые и другие типы аккумуляторов.

Наиболее распространенными являются свинцовые аккумуляторы. Экономичнее свинцового аккумулятора до сих пор ничего не изобретено. Широкое распространение они получили благодаря высокой надежности и невысокой цене.

Основные параметры аккумуляторов, в том числе технико-экономические, приведены в таблице.

Параметр	Кислотные		НК		ЖН		СЦ
ЭДС заряженного аккумулятора,В	2 , 1 — 2,15		1,36		1,4		1,85
Сред. напряж. при разряде, В	2 , 0		1,2		1,2		1,5
Напряж. буферного режима, В	2 , 1 5		1,45		1,6		1,9
Напряжение начала заряда, В	2,1		1,35		1,5		1,6
Напряжение конца заряда, В	2.7		1,8		1,85		2,1
Внутреннее сопротивление, Ом	0,2 Сном		0,3Сном		0,45 Сном		0,001
Коэф. отдачи по емкости ηс	0,85		0,66		0,66		0,95
Удельная емкость, А·ч/кг	15		13–33		13–24		50–60
Удельная энергия, Вт·ч/кг	15—30		15–40		15–22		120
Время нормального заряда, ч	10—20		6–7		6–7		10–20
Время нормального разряда, ч	10—12		8		8		10
Ток нормального заряда, А	Сном /10		Сном /4		Сном/4		Сном /10
Ток нормального разряда, А	Сном /10		Сном /8		Сном /4		По инструкц.
Срок службы, циклы	250—1500		Не менее 1000		750		50–100
Саморазряд за месяц при	15—30		15–20		40–60		3–4
t =20 C, %
Относительная стоимость	1		3–4; 40–60		4		10–12
1 Вт·ч энергии	(базовая цена)		(для герметичн.)
циклов он прослужит (рисунок 67).
			Считается, что аккумулятор отработал
			свой срок службы, если доступная емкость
			падает до 80% от указанной первоначальной
			емкости. В этом случае 30% глубина разряда
			соответствует максимальному				циклическому
			сроку службы аккумулятора.
			Серьезной проблемой при внедрении
			АБ является влияние изменения температуры
			внешней среды на его емкость. С ростом
			температуры		увеличивается		скорость
			коррозионных процессов, что сокращает срок
			службы аккумуляторных батарей. Повышение
			температуры аккумулятора на 10 oС удваивает
			скорость коррозионных процессов и вдвое
			сокращает срок службы. На рис. 68 показана
			зависимость емкости от температуры.
			Предельная емкость аккумуляторных
Рис.67. Изменение емкости аккумулятора в зависимости			батарей	достигается		при	нормальной
Долговечность аккумулятора оценивают сроком службы или количеством циклов. Она зависит от
конструкции аккумулятора; ресурса,	заложенного в	электрохимическую			систему;	условий ввода в

	эксплуатацию; условий эксплуатации. При этом чем меньшая глубина разряда АБ, тем большее количество
		температуре (20oС), малых скоростях разряда и
	от количества циклов и глубины разряда
		низких напряжениях отсечки (напряжением
		отсечки называется минимальное напряжение,
	при котором аккумулятор способен отдавать полезную энергию).

49

Рис. 68. Зависимость емкости аккумулятора от температуры

Механические накопители энергии

Механический накопитель – самый древний вид накопителя. Археологические раскопки показывают, что человечество начало использовать маховики еще в IV тысячелетии до н.э. Механические накопители (МН) различных конструкций позволяют непосредственно запасать и использовать кинетическую и потенциальную разновидности механической энергии.

Степень эффективности маховика зависит от его конструктивных размеров и массы, частоты и диапазона изменения (эффективного регулирования) вращения. Обычно допускается снижение скорости вращения вдвое, при этом объем отдаваемой энергии составляет 75% от всей запасенной энергии.

Второе рождение МН получили с изобретением супермаховиков (СМ) – аккумуляторов энергии. Супермаховики изготовляются из сверхпрочных ните- и лентовидных материалов путем

навивки и обладают высокой удельной энергией, на порядок больше значений данного параметра для лучших монолитных маховиков. При этом разрыв их от случайной причины, в отличие от обычных маховиков, практически безопасен.

По величине удельной накопленной энергии, приходящейся на единицу массы или объема аккумулирующего элемента, сроку службы, а также по времени заряда динамические инерционные МН существенно превосходят ЭХН. Кроме того, у МН заряд проходит более полно, чем у аккумуляторных батарей и удельная стоимость накапливаемой энергии ниже по сравнению с другими видами накопителей.

Достоинством кинетических аккумуляторов (КА) является возможность накопления значительного количества энергии в небольшой массе при высоких скоростях вращения. Высокая удельная энергия аккумулирования до 107 Дж/кг ограниченна прочностными свойствами (характеристиками) материала. На периферии маховика возникают слишком большие для традиционных материалов центробежные силы, поэтому его изготавливают из композитов с армирующим углеродным волокном. Так, например, кварцевые волокна, полученные в 70–х годах прошлого столетия, обладающие прочностью на разрыв 37 ГПа, обеспечивают удельную энергоёмкость свыше 5 МДж/кг или 1,4 кВт·ч/кг. Материалы, изготовленные из углерода со структурой алмаза способны обеспечивать плотность энергии от 2,4 до 4,2 кВт·ч/кг, а в 1996 году были получены полимерные материалы, превосходящие по прочности и жаростойкости алмазы.

На рис. 69 представлена схема городского электробуса c МНЭ.

Рис. 69. Схема городского электробуса с МНЭ

1– источник тока; 2 – электродвигатель; 3 – механизм реверса; 4 – коробка отбора мощности; 5 – планетарный дисковый вариатор; 6, 7 – карданные передачи; 8 – главная передача; 9 – коническая зубчатая передача; 10 – супермаховичный накопитель.

Известны локомотивы с электропередачей, содержащие аккумулятор энергии в виде вращающегося маховика, связанного с преобразователем энергии в виде обратимой электрической машины. Однако такие локомотивы вследствие влияния гироскопического эффекта, а также прецессий маховика на неровностях и кривых пути, проявляют склонность к уменьшению сцепления колес с путевой структурой, неустойчивость и даже возможность схода поезда с рельсового полотна.

50