Диплом (Проектирование электрической станции)

136

диэлектриком конденсатора. Таким образом, собственно конденсаторный элемент образуют два слоя с избыточной концентрацией носителей и граница их раздела. Таким образом, практически один компонент объединяет два включенных последовательно конденсатора с различными значениями последовательного сопротивления, рис. 9.1б.

Рис. 9.1. Структура (а) и упрощенная схема конденсатора большой ёмкости (б): Re – «электронное» сопротивление углеродного электрода, Rc – «электронное» сопротивление у границы раздела электрод-накопитель тока, Ri – «ионное» сопротивление электролита

Основные достоинства батарей конденсаторов большой ёмкости – большое значение емкости при малых габаритах, отсутствие необходимости применять специальные схемы зарядки или схемы управления процессом разрядки, дружественность окружающей среде (отсутствие вносимых загрязнений), возможность пайки выводов и благодаря этому высокая стабильность контактов (в отличие от батарей).

Эксплуатационные и технологические особенности отечественных батарей конденсаторов большой ёмкости:

-пожаро- и взрывобезопасность;

-высокая механическая прочность;

-неограниченное количество циклов зарад-разряд;

-возможность хранения заряда в течение сотен часов;

-устойчивость к кратковременным воздействиям высоких перенапряжений и токам короткого замыкания;

-отсутствие обслуживания в процессе эксплуатации;

137

-высокая надежность;

-срок службы – не менее 12 лет;

-диапазон рабочих температур -45 C +50 C.

Параметры некоторых батарей конденсаторов большой ёмкости представлены в табл.9.1.

Таблица 9.1

Технические характеристики некоторых батарей конденсаторов большой ёмкости

Тип ИКЭ, Дж В	U, В	C, Ф	E, кДж	Imax., A	Rвн, Ом	Вес ИКЭ, кг
ИКЭ-90/300	300	2,00	90,0	1000	0,300	38,0
ИКЭ-64/400	400	0,80	64,0	1000	0,400	50,0
ИКЭ-36/700	700	0,15	36,8	1000	0,700	36,0
ИКЭ-21/70	70	8,50	21,0	2700	0,035	34,0
ИКЭ-25/46	46	23,0	25,0	4250	0,015	38,0
ИКЭ-115/300	300	2,50	115	1000	0,300	53,0
ИКЭ-40/400	400	0,50	40,0	1000	0,400	32,0
ИКЭ-60/200	200	3,00	60,0	1000	0,200	25,0
ИКЭ-40/96	110	8,50	39,2	2700	0,035	34,0
ИКЭ-40/64	75	23,0	47,1	4250	0,015	38,0
ИКЭ-33/200	200	1,65	33,0	700	0,200	19,0
ИКЭ-20/150	150	1,80	20,3	750	0,200	23,0

138

9.2. Анализ эффективности использования батареи конденсаторов большой ёмкости

9.2.1. Анализ эффективности использования батареи конденсаторов большой ёмкости на примере модели

Для того, чтоб оценить какие изменения в электроснабжение потребителей собственных нужд станций привносит включение в цепь их питания батарея конденсаторов большой ёмкости, предлагается проанализировать и сравнить изменения режимов работы этой цепи без и при использования батареи конденсаторов большой ёмкости. Общая схема питания привода собственных нужд представлена на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Общая схема цепи питания привода собственных нужд без батареей конденсаторов большой ёмкости (а) и с ней (б)

139

UАБ = 220 В – напряжение на зажимах аккумуляторной батареи;

UЗУ = 230 В – напряжение на зажимах зарядного устройства;

Rл = 0,157 Ом – активное сопротивление линии;

Pл = 100 Вт – мощность потребляемая лампами накаливания;

Pп = UI = 220В·500А = 110 кВт – мощность потребляемая приводом.

Сопротивление линии подобрано таким образом, что бы напряжения на её конце U при включении привода, было равно 70% от UАБ, т.е.

U = 0,7UАБ = 0,7·220 = 154 В.

Постоянная нагрузка представлена в виде двух ламп по 50 Вт, привод с Iном = 500 А – потребителем активной мощности. Кабельная линия представлена в виде активного сопротивления Rл.

В представленном труде анализ эффективности использования батареи конденсаторов большой мощности осуществляется посредством использования виртуальных математических моделей, а именно с помощью программного обеспечения MatLab Simulimk. Основная модель представлена на рисунке 9.3.

Рис. 9.3. Модель цепи питания привода с использования батареи конденсаторов большой ёмкости

140

Аккумуляторная Батарея водится в виде двухполюсника, который представляет собой последовательно включенные идеальный источник ЭДС 220 В и сопротивление 0,1 Ом (см. рис.9.4).

Рис. 9.4. Модель аккумуляторной батареи

Лампы накаливания и привод в модели представлены в виде потребителей активной мощности. Для выполнения измерений в схеме предусмотрены мультиметр, вольметр, амперметр и осциллографы, как элементы, графически отображающие поведение измеряемых величин во времени.

Зарядное устройство так же, как и аккумуляторная батарея вводится в виде двухполюсника. Схема этого двухполюсника представлена на рис. 9.5. В ней присутствуют управляемый источник тока и управляемый источник напряжения. В зависимости от режима цепи питания собственных нужд зарядное устройство работает либо как источник напряжения, либо как источник тока. Управление переключениями между источниками тока и напряжения осуществляется посредством переключателей. В свою очередь управление переключателями выполняется с помощью реле. А реле реагирует на изменение результатов измерений амперметра. Последний измеряет ток на выходе зарядного устройства.

141

Рис. 9.5. Модель зарядного устройства

Модель работает следующим образом: изначально привод отключён от питания, в определённый момент времени он включается с помощью выключателя, а затем сново выключается. Управление выключателем осуществляется с помощью импульсного генератора.

При включении привода происходит падение напряжения, как следствие изменение режима потребления мощности. Если напряжение на конце линии снизится ниже 0,7UАБ = 154 В то привод не сможет функционировать. Рассматриваемый период времени после включения привода – 3 сек, этого вполне достаточно чтобы он сработал.

Графики, отображающие поведение напряжения на конце линии при отсутствии и наличии батареи конденсаторов большой ёмкости в цепи питания собственных нужд представлены на рис. 9.6 и 9.7.

142

Рис. 9.6. График напряжения на конце линии при отсутствии батареи конденсаторов большой ёмкости

Рис. 9.7. График напряжения на конце линии при наличии батареи конденсаторов большой ёмкости 10 Ф.

143

Исходя из вышепредставленных графиков (рис.9.6 и 9.7) можно сделать следующий вывод: представленная модель MatLab Simulink наглядно показывает, что использование батареи конденсаторов большой ёмкости позволяет повысить минимальное значение напряжения, до которого оно снижается при включении привода. В этом состоит положительный эффект её использования.

Этот эффект может меняться в зависимости от её ёмкости Cб и сопротивления Rб. Для оценки этого обстоятельства были проведён ряд опытов, результаты которых представлены в виде таблицы 9.2. и графиков рис. 9.9. - 9.11.

Емкость батареи конденсаторов большой ёмкости можно регулировать посредством изменения количества конденсаторов большой ёмкости в этой батареи соединённых параллельно. Схема соединения конденсаторов в батарею представлена на рис.9.8.

Рис. 9.8. Соединение конденсаторов большой ёмкости в батарею

При этом ёмкость батареи будет увеличиваться, а сопротивление уменьшаться.

СБ СК NК ; RБ RК ; где

NК

СБ , RБ ёмкость и сопротивление батареи;

СК , RК ёмкость и сопротивление одного конденсатора (2 Ф и 0,3Ом); NК количество параллельно соединённых конденсаторов в батареи.

144

Таблица 9.2

Результаты исследований модели

Nк, шт.	0	1	2	3	4	5	6	7	8	10
Cб, Ф	0	2	4	6	8	10	12	14	16	20
Rб, Ом		0,3	0,15	0,1	0,075	0,06	0,05	0,042857	0,0375	0,03
Ц, USD	0	2116	4232	6348	8464	10580	12696	14812	16928	21160
U, В	154,0	155,2	157,6	161,1	164,8	168,5	172,0	175,2	178,2	183,1
R'л, Ом	0,157	0,162	0,176	0,201	0,240	0,298	0,388	0,536	0,783	4,690
Rл, Ом		0,005	0,019	0,044	0,083	0,141	0,231	0,379	0,626	4,533
L, км	3,925	4,05	4,4	5,025	6	7,45	9,7	13,4	19,575	117,25
L, км		0,125	0,475	1,1	2,075	3,525	5,775	9,475	15,65	113,325

Nк - количество конденсаторов большой ёмкости в батарее;

Cб, Rб - ёмкость и сопротивление батареи конденсаторов большой ёмкости;

U - напряжение на конце линии;

R'л - сопротивление линии при котором напряжение на конце линии остаётся равным 0,7UАБ = 154 В;

Rл - величина, на которую можно повысить сопротивление линии, таким образом, что бы напряжение на конце линии осталось равным 0,7UАБ = 154 В;

L - длина кабельной линии при её сопротивлении R'л и удельном сопротивлении

Rуд = 0,04 Ом/м;

L – величина, на которую можно увеличить длину кабельной линии при её сопротивлении R'л и удельном сопротивлении Rуд = 0,04 Ом/м.

145

Рис. 9.9. График зависимости U(C)

Рис. 9.10. График зависимости Rл(C)