Стратегия выбора электростанции

            При выборе генератора каждый руководствуется своими личными предпочтениями.  Кому-то подавайте мобильность и малый вес, другому необходимы возможность автоматизации и длительной работы, а иной хочет и то и другое, да подешевле. Но в любом случае, приходится так или иначе решать задачу выбора агрегата соответствующей мощности. Для начала попробуем выяснить,  что же это такое – «мощность электрического тока».

            Как рассчитать мощность генератора?    

            Приведем пример: 2-киловаттный обогреватель, 1-киловаттный  пылесос и 300-ваттную морозильную камеру. Что объединяет столь разные нагрузки?  Оказывается, чтобы «запитать» каждую из них, необходим генератор мощностью как минимум 3кВт или кВА.

            Возникает два резонных вопроса. Первый: почему одна и та же величина (мощность) указывается в разных единицах измерения (соответственно кВт и кВА). И второй: почему потребителей электрической энергии (у нас это обогреватель, пылесос и морозильник), нельзя «стричь под одну гребенку» ? 

            Многие производители в каталогах приводят так называемую максимальную выходную мощность.  Имейте в виду: этот параметр предусматривает кратковременную работу агрегата (в зависимости от фирмы интервал колеблется от нескольких секунд до нескольких минут). Реальная номинальная мощность обычно на несколько (иногда на десятки) процентов ниже максимальной. 

            Что такое коэффициент мощности?

            Допустим, электростанция вырабатывает 3 кВА и имеет коэффициент мощности (так называемый cosφ) 0,8. В этом случае мы можем реально получить от нее лишь  3 кВА х 0,8 = 2,4 кВт. Здесь и кроется разница между кВт и КВА.Некоторые производители и продавцы по-разному указывают одно и то же значение мощности. Например, приводят сразу две величины (3000 ВА при cosφ = 0,8 и 2400 ВА при cosφ = 1) либо только одну (2400 ВА при cosφ = 1), избавляя покупателя от необходимости самостоятельно выполнять арифметические вычисления. К сожалению, некоторые продавцы не указывают cosφ по другим причинам, стараясь выдать электростанцию за более мощную. 

            Какие бывают нагрузки? 

            Теперь ответим на второй вопрос. Начнем с пылесоса: почему применительно к нему нельзя полностью реализовать мощность генератора?Немного «ликбеза»: активные (омические) нагрузки – т.е., у которых вся потребляемая энергия преобразуется в тепло. Примеры: лампы накаливания, обогреватели, электроплиты, утюги и т.п. Все остальные нагрузки – реактивные. Они, в свою очередь, подразделяются на индуктивные и емкостные.  Простейший пример первых – катушка, вторых – конденсатор. У реактивных потребителей энергия превращается не только в тепло – часть ее расходуется на другие цели, например, на образование электромагнитных полей.Электрическое сопротивление пылесоса имеет реактивную составляющую, причем индуктивного характера. Главный  «виновник» этого – электромотор с его обмотками, которые добавляют к разности фаз генератора (альтернатора) электростанции собственную разность фаз того же знака (направления). В результате приходиться применять еще один – поправочный – коэффициент мощности, характеризующий теперь уже потребителя энергии.С учетом сказанного посчитаем, пылесос какой мощности сможет «запитать» станция. Притом, что для типичного пылесоса cosφ составляет где-то 0,5. Значит: 3 кВА х 0,8 х 0,5 = 1,2 кВт.Обогреватель реактивностью не обладает (cosφ = 1), поэтому станции вполне  «по зубам»  прибор мощностью 3 кВА х 0,8 х 1 = 2,4 кВт. 

            Высокие пусковые перегрузки 

            А как быть с морозильной камерой? Почему для работы ее мотора необходим такой колоссальный запас мощности? Оказывается, что в момент включения двигатель морозилки потребляет намного больше энергии, чем в процессе работы. Во-первых, он должен выйти на рабочие обороты, а во-вторых, сразу приступить к перекачке хладагента. И если вентилятор пылесоса можно сравнить с лодкой на воде, то компрессор морозильника – с той же лодкой на суше: в первом случае сопротивление движению при разгоне плавно нарастает, а во втором максимально велико с самого начала.А что будет, если, не взирая на расчеты и рекомендации, подключить 300-ваттный холодильник к станции мощностью 1 кВА? Ситуация может развиваться по-разному. Если генератор не оборудован специальными системами, повышающими пусковые токи, то он попросту отключится (сработает предохранительный автомат). Чтобы этого не происходило, некоторые горе-умельцы «модернизируют» электростанцию, отключая или блокируя вышеупомянутое устройство. После такой переделки обязательно что-нибудь «сгорает»: либо сам агрегат, либо электромотор, так и не сумевший выйти на рабочие обороты.            

            Кстати, с точки зрения пусковых токов один из самых «страшных» приборов – погружной насос, у которого в момент старта потребление может подскочить в 3-7 раз. Это и понятно: в отличие, скажем от дрели, у помпы отсутствует холостой ход – ей сразу приходиться начинать качать воду.В асинхронных генераторах применяется стартовое усиление для поддержки больших пусковых токов. Если потребляемый от генератора ток превысит определённую величину, (устанавливаемую для каждой модели генератора), то специальное устройство подключает к конденсаторам основного возбуждения дополнительно ещё один или несколько конденсаторов. Тем самым мощность генератора существенно возрастёт и будет скомпенсировано падение напряжения, вызванное высокой нагрузкой. Для того, чтобы не повредить обмотки генератора из-за перегрева, дополнительное возбуждение отключается с помощью специальной электроники примерно через 8 секунд. Этого времени, с одной стороны, вполне достаточно для пуска электродвигателя, а с другой – генератор не успевает перегреться. Стартовое усиление нельзя применять только в том случае, если от генератора питается сварочный аппарат. Вследствие того, что при сварке скачки тока возникают в каждом случае зажигания дуги, описанное устройство будет постоянно включаться, увеличивая ток возбуждения генератора, что, с течением времени, приведёт к повреждению защиты или обмотки.  Способность «проглатывать» пусковые перегрузки у асинхронных генераторов значительно ниже, чем у синхронных генераторов. Последнее замечание к нашим примерам: соединительные провода тоже имеют сопротивление, а значит, они являются потребителями электроэнергии. Об этом нельзя забывать при расчете мощности. 

            Электрогенератор 

            Электрогенератор или альтернатор, как его часто называют специалисты, преобразует механическую энергию вращения вала двигателя в электрическую энергию переменного тока. В зависимости от его типа и конструкции электростанция лучше подходит для решения тех или иных задач. 

            Синхронный или асинхронный? 

            Для возбуждения ЭДС (электродвижущей силы) в обмотках статора (неподвижная часть генератора) нужно создать переменное магнитное поле. Это достигается вращением намагниченного ротора (другое его название - якорь). Для «намагничивания» используют разные примеры. Так, у синхронного генератора  на якоре имеются обмотки, на которые подается электрический ток. Изменяя его величину, можно влиять на магнитное поле, а следовательно, и на напряжение на выходе статорных обмоток.  Роль регулятора прекрасно исполняет простейшая электрическая схема с обратной связью по току и напряжению. Благодаря этому способность синхронного альтернатора «проглатывать» кратковременные перегрузки очень высока и ограничена лишь омическим (активным) сопротивлением его обмоток, т.е.  легче переносят пусковые нагрузки.

            Однако у такой схемы есть и недостатки. Прежде всего, ток приходится подавать на вращающийся ротор, для чего традиционно используют щеточный узел. Работая с довольно большими (особенно во время перегрузок) токами, щетки перегреваются и частично «выгорают». Это приводит к плохому их прилеганию к коллектору, к повышению омического сопротивления и к дальнейшему перегреву узла. Кроме того, подвижный контакт неизбежно искрит, а значит, становиться источником радиопомех. И самый основной недостаток низкая степень защиты от внешних воздействий таких как: пыль, грязь, вода, т.к.  синхронный генератор охлаждается «протягивая» через себя воздух,  соответственно все что находится в воздухе может попадать в генератор.

            - для трёхфазных синхронных генераторов допустимый перекос фаз 33%;

            - коэффициент нелинейных искажений 13-25% IP23 и 3-10% IP54 (в зависимости от производителя).

             Если генератор щёточный, чтобы избежать преждевременного износа, рекомендуется время от времени  контролировать состояние щеточного узла и при необходимости очищать либо менять щетки. Кстати, после их заменены, желательно дать им время «приработаться» к коллектору, а уж за тем нагружать станцию «по полной программе».

            Многие современные синхронные генераторы снабжены безщеточными системами возбуждения тока на катушках ротора (их также еще называют brash-less). Они лишены вышеуказанных недостатков связанных с щёточным узлом, а потому предпочтительнее.

            Асинхронный генератор вообще не имеет обмоток на роторе. Для возбуждения ЭДС в его выходной цепи используют остаточную намагниченность якоря. Конструктивно такой альтернатор намного проще, надежнее и долговечнее. Кроме того, поскольку обмотки ротора охлаждать не нужно (их просто нет), корпус асинхронного генератора полностью закрыт, что позволяет исключить попадание пыли и влаги. Асинхронные альтернаторы не восприимчивы к коротким замыканиям, поэтому лучше подходят для питания сварочных аппаратов.

            - для трёхфазных асинхронных генераторов допустимый перекос фаз 60-70%;

            -  коэффициент нелинейных искажений 2-3%.

             К сожалению асинхронники тоже не лишены недостатков. Способность «проглатывать» пусковые перегрузки ниже, чем у синхронных генераторов. Но этот недостаток  решается путем оснащения станций системой «стартового усиления». Как правило все профессиональные асинхронные генераторы оснащены системой стартового усиления.

            Сколько же в нем фаз? 

            Действительно, зачем нужны непонятные три фазы, когда и с одной-то не разберешься? Но в том то и дело, что без них никуда. Начнем с того, что трехфазная схема подключения позволяет передавать энергию трех однофазных источников всего по трем проводам (в случае однофазной схемы потребовалось бы выделить по два провода на каждый такой источник).В итоге при равной выходной мощности трехфазный альтернатор компактнее, легче и имеет больший КПД. К тому же он более универсален – на выходе дает как бытовые 220 вольт, так и промышленные 380 вольт.Одно– или трехфазные генераторы. Их название вытекает из назначения – питать соответствующих потребителей. При этом к однофазным генераторам, вырабатывающим переменный ток напряжением 220 вольт и частотой 50 Гц, можно подключать только однофазные нагрузки, тогда, как к трех фазным (380/220 В, 50Гц) – и те, и другие (на приборной панели имеют соответствующие розетки, количество которых у агрегатов разных производителей разное). С однофазными альтернаторами  все более или менее ясно: главное – правильно «посчитать» всех своих потребителей, учесть возможные проблемы (например, высокие пусковые токи) и выбрать агрегат с соответствующей  реальной выходной мощностью. При подключении к трехфазным генераторам трехфазных же нагрузок ситуация аналогичная.А вот при подключении к трехфазникам однофазных потребителей возникает проблема, именуемая перекосом фаз.

            Что такое перекос фаз? 

            При подключении нагрузки на одну фазу трехфазного генератора (альтернатора) используется только одна обмотка статора, в то время как в нормальном режиме задействованы все три, соответственно, реально снять получиться не более чем треть (или 33 %) трехфазной мощности. Если попробовать нагрузить агрегат сильнее, статорная обмотка окажется перегруженной и может «сгореть». Другое дело, когда генератор сделан с «запасом». Например, когда при работе на три фазы его обмотки трудятся в треть силы. Тогда не равномерность распределения нагрузки (это и есть так называемый «перескок фаз») может составить хоть все 100%. В любом случае, не зависимо от предельных возможностей электростанции, нагрузку следует распределять равномерно – это увеличит КПД альтернатора и снизит нагрев статорных обмоток. 

            Кратко подытожить  выбор  типа генератора можно следующим образом:

            Предварительно Вы должны сами определить, какие потребители будут подключаться одновременно к генератору. При подсчёте - лучше (по возможности) проверить мощность потребителей по их паспортным данным,  если это не возможно, то лучше обратится к квалифицированным специалистам, электрикам. Обратите особое внимание на потребителей, имеющих в своём составе электромоторы: холодильники, насосы, газонокосилки и т.д. Это связано с тем, что для пуска электромотора требуется мощность в 3 - 3,5 раза превышающая его номинальную мощность. Приведённые цифры характерны для большинства бытовых приборов. (В некоторых случаях может потребоваться существенно большая мощность и редких случаях меньшая). Для подсчёта возьмите утроенное значение номинальной мощности электроприбора с наибольшим электромотором, прибавьте к ней номинальные значения мощностей других приборов, содержащих электромоторы, если уверенны что они не будут включаться одновременно, и прибавьте к сумме мощности всех остальных активных потребителей (освещение, электроплита, бойлер и т.д.), которые будут работать совместно с первыми.  После того, как определена суммарная мощность, следует позаботиться о запасе мощностей. Так как оптимальный режим работы электростанции - это работа на 80 % нагрузке, для правильной работы электростанции следует создать запас мощностей 10-20 %. Это и будет мощность необходимого Вам генератора. После чего Вам останется решить для какого типа работ Вы собираетесь использовать генератор - постоянная или аварийная, и соответственно выбрать дизельный или бензиновый генератор.

            Ниже приведена таблица мощностей наиболее распространенных бытовых приборов: