Rotační záložní zdroje elektrické energie - motorgenerátor a setrvačník

DomůElektřinaRotační záložní zdroje elektrické energie - motorgenerátor a setrvačník

Mezi rotační záložní zdroje patří motorgenerátory, kde dochází k přeměně paliva na energii kinetickou a následně na energii elektrickou. Do kategorie rotačních zdrojů patří i setrvačníkový systém, kde je elektrická energie přeměněna na energii kinetickou. V tomto stavu je energie uložena a udržována do doby, než je nutné ji použít. Setrvačníkové systémy jsou konstruovány tak, aby bylo možné rychle měnit mezi generátorovým a spotřebičovým režimem.

Motorgenerátor

Motorgenerátor je soustrojí, které je mechanicky spojeno a složeno ze dvou hlavních částí – spalovací motor a elektrický generátor. Spalovací motor bývá ve většině případů dieselový, ale v praxi se někdy používají i motory benzínové nebo plynové. Existují i speciální případy, kdy se jako pohonná jednotka používá turbína. Elektrický generátor je synchronní alternátor. Synchronní alternátor je ve většině případů konstruovaný jako dvoupólový nebo čtyřpólový.

Vlastnosti

Motorgenerátor se skládá z těchto 6 základních částí:

  • Soustrojí spalovací motor-elektrický generátor
  • Palivová nádrž (velikost je zcela závislá na výkonu soustrojí, většinou se používá nádrž zabudovaná a nádrž externí)
  • Startovací systém
  • Chladicí systém (vzduch nebo voda)
  • Měření a regulace
  • Vyvedení elektrického výkonu

Měření a regulace je umístěno v rozvaděči (ATS = Automatic Transfer Switch) a plní zejména tyto funkce:

  • Připojení/odpojení zátěže -> přepojování zátěže mezi síť a záložní zdroj
  • Start/stop spalovacího motoru
  • Dobíjení startovací baterie (pro velké zdroje jich může být i více)
  • Kontrola celého systému (olej, teplota, napětí baterií, tlak, palivo, atd.)
  • Měření vstupních a výstupních parametrů (napětí, proud, frekvence)

Způsoby umístění motorgenerátoru

  • bez kapotování – využívá se hlavně pro umístění do strojoven
  • s kapotováním – používá se hlavně pro venkovní provedení, aby celé soustrojí lépe odolávalo vlivům počasí
  • v kontejneru – speciální provedení, kde veškeré části jsou uloženy v kontejneru (vlastní spotřeba, rozvod vn/nn, nádrž, motorgenerátor, chlazení, atd.)
Soustava spalovací motor-elektrický generátor. Zdroj: ČVUT FEL

Princip synchronního alternátoru

Princip trojfázového synchronního alternátoru plyne z obrázku. Statorové vinutí je tvořeno třemi cívkami, tj. fázemi s plným krokem, které jsou vzájemně prostorově natočeny o 120 ° elektrických. Vinutí je stejné jako statorové vinutí trojfázového asynchronního alternátoru.

Kotva je umístěna na statoru z toho důvodu, že synchronní alternátory mívají velké výkony a vysoká napětí. Proto je velice výhodné mít pevné vývody. Budicí vinutí na rotoru je napájeno stejnosměrným proudem z vlastního budiče, který je dnes tvořen tyristorovým usměrňovačem nebo rotačním usměrňovačem z diod přímo na rotoru. V cívkách statorového vinutí se při otáčení rotoru indukují střídavá napětí, která jsou při sinusovém průběhu magnetického pole sinusová. Všechna napětí jsou vůči sobě časově posunutá o 120 °.

Provedení

Motorgenerátory jsou schopny převzít plnou zátěž do 15 vteřin od ztráty elektrického napájení z distribuční sítě. Ve většině případů ale motorgenerátory přebírají napájení daného objektu i v případě, kdy nedojde k výpadku napájení. Mezi tyto případy patří zakolísání sítě nebo frekvence, napěťová špička, vysokofrekvenční rušení, harmonické zkreslení, atd.

Motorgenerátory jsou sice schopny převzít plnou zátěž, ale až po určité době. Tato doba je dána hlavně startem samotného motorgenerátoru a náběhem na provozní otáčky. Aby se tato doba překlenula a o objekt nebyl bez napájení, bývají motorgenerátory kombinovány ještě s jinými zdroji nepřerušitelného napájení. Mezi tyto zdroje patří statické UPS (např. baterie) nebo jiný druh rotační UPS.

Setrvačník

Účelem setrvačníku je vyřešit problémy spojené s bateriemi, které se používají jako hlavní komponent pro statické zdroje nepřerušitelného napájení. Hlavní problém baterii je způsob uložení elektrické energie a jejich nízká životnost. Tyto dva hlavní problémy se snaží setrvačník odstranit.

Princip

Setrvačník v normálním provozu funguje jako synchronní motor. Cívky kotvy slouží k roztáčení rotoru, kde je uloženo budící vinutí (v některých případech se používají i permanentní magnety). Rotor se roztočí na přibližně 7700 ot/min (rychlost na okrajích setrvačníku se blíží rychlosti zvuku) a na těchto otáčkách se udržuje. Při výpadku napájení z distribuční sítě přechází celý systém do generátorového režimu. Do kotvy se začne indukovat střídavé napětí. Při zatížení setrvačníku dochází k jeho postupnému zpomalování, což snižuje indukované napětí na kotvě.

Řez setrvačníkem. Zdroj: Powerbridge

Aby výstupní napětí bylo konstantní, tak dochází ke konverzi napětí přes soustavu usměrňovač-střídač. Střídač tak na výstupu udržuje konstantní napětí i frekvenci, která činí 3×400 V/50 Hz. Aby ztráty při uchovávání, ale i odebírání elektrické energie byly co nejmenší, je celý systém uložen ve vakuu. Dále pro snížení třecích ztrát vlivem tření hřídele při otáčení se celý systém vznáší na magnetickém polštáři. Tato vylepšení snižují ztráty na minimum a zvyšují účinnost setrvačníkového systému.

Schématické zapojení setrvačníkového systému. Zdroj: ČVUT FEL

Setrvačník pracuje v normálním provozu paralelně s distribuční sítí a udržuje si konstantní otáčky. Pro údržbu se používá manuální nebo elektronický bypass. Při výpadku začne setrvačník dodávat elektrickou energii do zálohovaného systému. Setrvačníky se nepoužívají samostatně ale v kombinaci s motorgenerátory. Proto jsou většinou konstruovány a dimenzovány tak, aby dodávaly jmenovitý výkon po maximální dobu 15 sekund. Potom plně převezme zátěž motorgenerátor.