Расчет и выбор зарядных устройств для объектов энергетики

В данной статье поговорим о зарядно-подзарядных устройствах(ЗПУ), которые используются на объектах энергетики - электростанциях, котельных и электрических подстанциях 35-750кВ.

Разберемся какие существуют типы ЗПУ по принципу преобазования, как расчитать и выбрать ЗПУ для конкретного объекта, какие предъявляются требования к функциям ЗПУ и описание данных функций, возможностей и многое другое.

Для начала вкратце, больше для начинающих специалистов, разберемся что же такое ЗПУ и для чего это они используются.

ЗПУ предназначены для преобразования переменного тока в постоянный и входят в состав системы постоянного оперативного тока(СОПТ) энергообъекта.

В нормальном режиме работы СОПТ, от ЗПУ получает питание нагрузка щита постоянного тока и одновременно производится подзаряд аккумуляторной батареи(АБ), входящей в состав СОПТ.

В аварийном режиме работы, при исчезновении переменного тока, нагрузка СОПТ получает питание от АБ.

При выводе АБ на профконтроль с помощью ЗПУ производятся различные режимы заряда АБ.

Правильно выбрать тип и параметры зарядного устройства может специалист по проектированию систем электроснабжения и силового оборудования.

Режимы заряда аккумуляторных батарей

Режим подзаряда АБ

Данный режим используется при уже заряженной АБ, чтобы не допустить ее саморазряда.АБ получает достаточный ток подзаряда, обеспечивающий компенсацию всех потерь емкости в процессе эксплуатации.ЗПУ и АБ работают в буферном режиме, одновременно от ЗПУ получает питание нагрузка и происходит подзаряд АБ. Напряжение подзаряда выбирается согласно инструкции по эксплуатации АБ, обычно оно составяляет 2,23-2,25 В/эл для аккумуляторных батарей с жидким электролитом и 2,25-2,27 В/эл для герметизированных АБ.

Величину тока подзаряда ориентировочно можно оценить по выражению:

Iп.з.=0,0017хСАБ (1)

САБ - номинальная емкость аккумуляторной батареи, [Ахч]

У старых аккумуляторов величина тока подзаряда возрастает в 2-3 раза.

 Режим заряда АБ

Существует довольно много способов заряда аккумуляторных батарей. АБ можно заряжать большими и малыми токами, тот или иной способ заряда выбирается на основании данных аккумуляторной установки и условий ее эксплуатации. 

Условно можно разделить методы заряда на две группы - это заряд при высоких значениях конечного напряжения и заряд при низких значениях конечного напряжения.

Заряд при низких значениях конечного напряжения производится от 2,23 В/эл до 2,4 В/эл(методы IU,IU1U2), заряд при высоких значениях конечного напряжения - от 2,4В/эл до 2,7В/эл(методы I,W).

Напряжение равное 2,4В/эл принято называть напряжением газовыделения, т.е. газ выделяется и при более низких значениях напряжения заряда, но наиболее интенсивное газовыделение происходит ориентировочно при напряжении превышающем 2,4В/эл.

Методы заряда при напряжении до 2,4 В/эл получили наиболее широкое распространение, поскольку при таком уровне напряжения более низкий уровень газовыделения и требуются зарядные устройства с более низкой мощностью, кроме того герметичные АБ можно заряжать только методами при низких значениях конечного напряжения.

Рассмотрим наиболее распространенные режимы заряда. Будем исходить из того, что с батареи снято 100% емкости и для примера рассмотрим графики заряда АКБ емкостью 100 Ахч.

Ориентировочно можно считать, что напряжение на АКБ поднимается до 2,23 В/эл, когда когда она получит 75% емкости и 2,4 В/эл, когда она получит 85% емкости.

Заряд постоянный ток - постоянное напряжение(метод IU)

Первая ступень - заряд постоянным током до  величины напряжения  подзаряда АКБ 2,23В/эл.

При этом ток заряда ограничиваем до значения (0,15-0,2)С10.

Это первая ступень заряда продолжительность которой составляет ориентировочно 5ч.

Далее проводится вторая ступень заряда - выпрямитель переводится в режим работы при стабилизации по напряжению 2,23В/эл и ток заряда АКБ постепенно снижается.

Ток спадает до величины в несколько раз большей тока подзаряда ориентировочно через 14ч.

Вторая ступень заряда может длиться  более 7 суток, при этом АКБ наберет ориентировочно 95% емкости.

Плотность кислоты достигнет своего конечного значения только через несколько месяцев.

Следует отметить что время заряда в значительной степени зависит от степени разряженности АКБ и режима разряда.

Заряд постоянный ток - постоянное напряжение c переключением(метод IU1U2)

Первая ступень - заряд постоянным током до величины напряжения 2,3- 2,4В/эл.

Ток заряда ограничиваем до значения (0,15-0,2)С10.

Продолжительность первой ступени около 6ч.

Вторая ступень - заряд постоянным напряжением 2,3-2,4 В/эл. Зарядный ток ограничивается до величины 5 А на 100Ахч и снижается с течением времени по мере заряда.

При достижении тока заряда величины  близкой к току подзаряда происходит переход к третьей ступени.

Время второй ступени заряда составляет около 14ч.

Третья ступень - заряд при постоянном напряжении 2,23 В/эл .Зарядный ток при этом постепенно снижается до  величины тока подзаряда.

Плотность кислоты достигнет своего конечного значения за несколько дней.

Время заряда составляет 24ч.

Заряд постоянным током(метод I)

Заряд производится постоянным током с ограничением 5А на 100Ахч до величины напряжениям 2,6 В/эл и более, либо ступенями с ограничением по току (0,15-0,2)С10 до напряжения 2,4В/эл и далее с ограничением по току 5А на 100Ахч до напряжения 2,6В/эл и более.

Конечное напряжение на АКБ зависит от величины тока в конце заряда, температуры и плотности раствора серной кислоты, внутреннего сопротивления аккумуляторов, срока службы.

Увеличение тока приводит к повышению конечного напряжения, а рост температуры к его снижению.

Конечное напряжения у новых АКБ больше, чем у эксплуатируемых некоторое время.

Ориентировочное время заряда составляет 22ч.

Плотность кислоты достигает своего конечного значения за время заряда.

Далее переходим в режим подзаряда при напряжении 2,23В/эл.

Заряд падающим током или постоянной мощностью(метод W)

Заряд производится постоянной мощностью при ограничении тока в начале заряда и напряжения в конце заряда

Заряд выполняется падающим током с ограничением по току (0,15-0,2)С10 до достижении напряжения 2,4В/эл и далее с ограничением по току 3,5А на 100Ахч до напряжения 2,6В/эл

Ориентировочное время заряда составляет 22ч.

Плотность кислоты достигает своего конечного значения за время заряда.

Наибольшее распространение получили методы заряда IU и IU1U2.

Следует отметить, что приведенные выше в методах заряда величины носят ориентировочный характер и их необходимо уточнять согласно инструкции по эксплуатации на применяемую АКБ.

Далее переходим в режим подзаряда при напряжении 2,23В/эл.

Режим уравнительного заряда АБ

Уравнительные заряды проводят как способ восстановления аккумуляторной батареи при снижении  ее емкости, либо после глубокого разряда АБ.

Данный вид заряда позволяет уравнять электрические показатели отстающих элементов с показателями лучших.

Заряд производится по следующей схеме:

Первая ступень - заряд постоянным током до  величины напряжения  подзаряда АКБ 2,4В/эл.

При этом ток заряда ограничиваем до значения (0,15-0,2)С10.

Это первая ступень заряда продолжительность которой составляет ориентировочно 5ч.

Вторая ступень - заряд током 5А на 100Ач в течение ориентирововчно 14ч, напряжене при этом возрастает до 2,4 В/эл и выше.

Третья ступень - перерыв в течение 1ч.

Четвертая ступень - заряд током 5А на 100Ач в течение ориентирововчно 4ч.

Третью и четвертую ступени повторяют пока напряжение на элементах не достигнет 2,6 В/эл, плотность электролита не достигнет номинальной величины и данные значения будут постоянны в течение 2 часов.

Далее АБ переключают в режим постоянного подзаряда.

Выбор тока и напряжения зарядного устройства

Согласно нормативным документам ЗПУ должно обеспечивать восстановление емкости АБ до 100% в течении 8 часов после аварийного разряда.

Если обратиться к инструкциям по эксплуатации для АБ то можно найти следующую информацию о величине зарядного тока:

1.Для аккумуляторных батарей с жидким электролитом зарядный ток для выполнения специальных режимов заряда должен быть не менее 0,15хС10, при этом значение максимального зарядного тока до достижения напряжения 2,4В либо не ограничивается либо рекомендуется принимать равным (0,15-0,2)хС10, в зависимости от производителя АБ, а при достижении напряжения 2,4В составляет ориентировочно 5А на 100Ахч.

Приведенные выше величины взяты из руководства по эксплуатации на аккумуляторные батареи с жидким электролитом типа OGI и должны уточняться в зависимости от применяемой АБ.

2.Для герметичных АБ существуют требования по ограничению максимального зарядного тока до 0,3хС10.

ЗПУ должно обеспечивать ток равный току, необходимому для заряда аккумуляторной батареи плюс ток потребляемый нагрузкой СОПТ в нормальном режиме и ток подзаряда аккумуляторной батареи.

Ток потребляемый нагрузкой подключенной к щиту постоянного тока в постоянном режиме работы ориентировочно составляет:

-для электростанций - 20-60А;

-для котельных - 10-20А;

-для подстанций - 35-110кВ - 5-10А;

-для подстанций 220-750кВ - 10-15А.

Ток для зарядки АБ составляет

IЗУ=САБ/Tз, [А] (2)

САБ - номинальная емкость аккумуляторной батареи, [Ахч]

Тз - время заряда аккумуляторной батареи , 8ч [ч]

Ток подзаряда АБ  невелик и составляет порядка 0,1А на 100 Ахч, поэтому его при расчете можно не учитывать.

Рассмотрим пример выбора зарядного устройства для электростанции ТЭЦ

Исходные данные для выбора:

-ток постоянной нагрузки - 30А;

-АБ с жидким электролитом емкостью 1100Ахч;

-количество элементов АБ -104.

Ток зарядного устройства

1.IЗУ=0,15САБ = 0,15*1100= 165А, коэфициент 0,15 уточняется в руководстве по эксплуатации на применяемую АБ.

2.IЗУ=САБ/Tз=1300/8=137,5А.

С учетом постоянной нагрузки получаем ток зарядного устройства

IЗУ+Iпост=165+30=195А

Если к ЩПТ подключено несколько зарядных устройств, то допускается принимать их суммарный ток при невозможности выбрать одно ЗПУ с рачетным током.

Для информации,  в системе СОПТ для каждого ЩПТ в большинстве случав устанавливается:

-для электрических станций - 1 зарядно-подзарядное устройство, которое обеспечивает питание постоянной нагрузки и ток подзаряда АБ + 1 общее зарядное устройство на несколько ЩПТ, которое обеспечивает заряд АБ , питание постоянной нагрузки и ток подзаряда АБ:

-для электрических подстанций - два ЗПУ на каждый ЩПТ, каждое из которых обеспечивает заряд АБ, питание постоянной нагрузки и подзаряд АБ.

Напряжение ЗПУ, точнее диапазон рабочих напряжений выбирается в зависимости от количества элементов АБ с возможностью проведения различных режимов заряда.

Диапазон напряжений ЗПУ выберем исходя их рассмотрения различных режимов работы ЗПУ и АБ.

При полностью разряженной АБ минимальное напряжение для зарядки составит:

1,8х104=187,2В

В режиме подзаряда АБ напряжение составит:

104х2,23 = 231,9В

В режиме выравнивающего заряда АБ напряжение составит:

104х2,4=249,6В

В режиме специального заряда повышенным напряжением при вводе АБ в эксплуатацию

104х2,7=280В

Таким образом получаем, что диапазон рабочих напряжений ЗПУ для нашего примера должен составлять 187-280В.

Про расчет и выбор аккумуляторных батарей можно прочитать в этой статье.

Технические требования и функции зарядных устройств

Существуют два основных типа зарядных устройств по принципу преобразования - это тиристорные и инверторные высокочастотные выпрямительные установки.

Остановимся коротко на каждом из типов устройств.

Тиристорная выпрямительная установка представляет собой трехфазный мостовой тиристорный преобразователь с выходными фильтром.

Тиристорный преобразователь подключен к сети через силовой разделительный трансформатор Т и входной С-фильтр.

Управление преобразователем осуществляется схемой импульсно - фазного регулирования.

Принцип работы агрегата основан на свойстве тиристоров изменять в широких пределах среднее значение выходного напряжения путем задержки момента открытия тиристоров по отношению к началу положительной полуволны питающего напряжения.

На выходе устройства при помощи фильтра получатся напряжение постоянной величины с некоторым уровнем пульсаций. 

Инверторная высокочастотная выпрямительная установка представляет собой высокочастнотный транзисторный преобразователь с выходным фильтром.

Поступающий на вход выпрямительной установки переменный ток выпрямляется и сглаживается при помощи фильтра. 

От полученного таким образом постоянного тока получает питание транзисторный инвертор на выходе которого получается ток значительно большей частоты, чем ток питающей сети.

К инвертору подключатется высокочастотный трансформатор, выполняющий функцию гальванического разделения сетей.

От высокочастотного трансформатора ток подается на вторичный выпрямитель, откуда через выходной фильтр попадает на выход устройства.

Далее рассмотрим основние параметры и функции каждого из типов зарядных устройств на примере их параметров, технических характеристик  и современных требований предъявляемых для выпрямительных установок используемых в системах  оперативного постоянного тока энергообъектов.

Ниже приведен пример заполнения опросного листа при проектировании зарядных установок

Параметры	Тиристорная установка	Инверторная установка
Входное напряжение	~380В ±10%	~220В(~380В) ±10%
Номинальное выходное напряжение	=230В	=230В
Допустимое отклонение частоты	±5%	±20%
Диапазон регулирования выходного напряжения	0-220В  I<=Iном,стабилизация U>1% 220-280В при Iном стабилизация U<=1%	2-280В* при Iном, стабилизация U<1% (180-280) при Iном, стабилизация U<1%
Номинальное значение выходного тока	А	А
Диапазон регулирования выходного тока	(1-100)% N, А	(0-100)% N, А
Выходная мощность	N кВт	N кВт
Стабилизация выходного напряжения	1%	0,5%
Стабилизация выходного тока	2%	0,5%
Уровень пульсаций U при работе на АКБ	1%	<0,1%
КПД	0,9	0,9
Коэфициент мощности cosф	0,8	0,95
Габаритные размеры	ШХГХВ	ШХГХВ
Климатическое исполнение	УХЛ4	УХЛ4
Степень защиты	IP21	IP21
Система охлаждения	Естественная или принудительная с контролем исправности вентиляторов	Естественная или принудительная с контролем исправности вентиляторов
Функции
Подзаряд АБ	+	+
Заряд АБ	+	+
Уравнительный заряд АБ	+	+
Автоматическое включение при восстановлении U	+	+
Контроль полнофазного режима питания	+	+
Контроль выходного напряжения	+	+
Ограничение выходного тока	+	+
Контроль целостности цепи  АБ	+	+
Контроль температуры АБ(термокомпенсация)	+	+
Защита от перегрузки и к.з.	+	+
Индикация нормальных и аварийных режимов	+	+
Сухой контакт, неисправность устройства	+	+
Возможность блокировки уставок по напряжению U заряд и уравнительный заряд от внешнего дискретного сигнала(сухой контакт) (для блокировки с системой вентиляции АБ)	+	+

Напряжение питания у тиристорных выпрямителей трехфазное ~380В.У инверторных выпрямителей в зависимости от номинального тока устройства может быть как однофазное ~220В, так и трехфазное питание ~380В. У блоков на большие токи используют трехфазное напряжение питания.

Номинальное выходное напряжение должно соответствовать номинальному напряжению СОПТ, обычно оно поддерживается на 5% выше номинального, т.е. =230В

Диапазон регулирования стабилизированного выходного напряжения для инверторных установок шире чем для тиристорных,однако общий диапазон регулирования в зависимости от производителя может быть различен и составляет (180-280)В, либо (2-280)В. Данные диапазоны указаны ориентировочно и могут варьироваться в некоторых пределах у разных изготовителей устройств.

Инверторный выпрямитель имеет более высокий уровень стабилизации выходного напряжения и тока и меньший уровень пульсаций при работе на АКБ. Этот факт связан с более высокой частотой выходного сигнала и следовательно в большей эффективности выходного фильтра и простоты его изготовления.

Высокий коэфициент мощности обусловлен наличием корректора мощности на входе инверторного выпрямителя.

Далее рассмотрим основные функции зарядных устройств

Подзаряд, заряд и уравнительный заряд рассматривались выше в разделе "Режимы заряда аккумуляторных батарей".

В случае временного исчезновения или снижения напряжения питания, которое может возникнуть при самозапуске электродвигателей, работе АРВ собственных нужд, необходимо чтобы выпрямитель восстанавливал в этом случае выходное напряжение для подзаряда АБ и питания постоянной нагрузки СОПТ. Для этого используется функция выпрямителя - автоматическое включение при восстановлении U.

Контроль полнофазного режима питания и выходного напряжения необходим для нормального функционирования выпрямителя и поддержания заданных выходных параметорв U в требуемом диапазоне.

Ограничение выходного тока требуется для возможности осуществления различных режимов заряда АБ, которые описаны выше.

Контроль целостности цепи АКБ. Контролируется наличие подключения АКБ к щиту постоянного тока. В нормальном режиме работы питание нагрузки, подзаряд АБ и поддержание напряжения на шинах ЩПТ обеспечивается за счет выпрямителя. Необходимо контролировать наличие надежного подключения батареи. Для этого на зарядном устройстве снижается напряжение ниже напряжения АКБ и контролируется ток от батареи.

Термокомпинсация АБ - это изменение выходного напряжения на зарядном устройстве в зависимости от температуры в помещении АКБ. Соглансо нормам требуется в обязательном порядке для герметизированных АБ, для малообслуживаемых АКБ с жидким электролитом  по желанию. При понижении температуры необходимо поднять зарядное напряжение для поддержания необходимого уровня зарядного тока. Это связано с увеличением внутреннего сопротивления аккумуляторов при понижении температуры. Соответственно при повышении температуры необходимо снизить напряжение подзаряда.

В выпрямителе предусматривается внутренняя защита от токов перегрузки и коротких замыканий. Защита выполняется  при помощи автоматических выключателей(предохранителей) на входе и выходе устройства, а также аппаратно запиранием транзисторов(тиристоров) схемой управления ЗУ.

Индикация нормальных и аварийных режимов производится при помощи светодиодов, а также отображением информации на дисплее устройства.

Возможность блокировки уставок по напряжению (заряд и уравнительный заряд) связано с работой сиситемы вентиляции. При реализации вышеуказанных режимов работы выпрямительного агрегата система вентиляции батареи должна быть включена.

Работа выпрямительного агрегата и аккумуляторной батареи на нагрузку

 На участке 1-2 выпрямительный агрегат работает в режиме стабилизации внешнего напряжения, которое соответствует напряжению подзаряда АКБ

При возрастании тока нагрузки до 1,1хIном выпрямительный агрегат переходит в режим работы стабилизации тока и может находиться в этом режиме до снижения напряжения до 0,5Uном(участок 2-3).

При дальнейшем возрастании тока нагрузки (учаток 3-4) до значения 1,25 Iном, при котором работает быстродействующая защита выпрямителя и отключает его(участок 4-5)

P.S. Копирование материалов статьи возможно только при наличии активной ссылки на источник !!!