Маркировка степеней защиты электроприборов

Мера защищенности приборов (не только альтернаторов) имеет свое численное выражение, которое используется для описания характеристик альтернатора, – это немецкий стандарт DIN 40050. Защищенность описывается двумя цифрами от 0 до 5, которые стоят после букв IP (франц. Internationale Protection – международная защита). Первая цифра выражает защищенность от попадания твердых предметов и означает следующее:

• 0 – защита отсутствует;

• 1 – защита от посторонних предметов размером более 50 мм;

• 2 – защита от касания пальцами и от проникновения твердых посторонних частиц диаметром свыше 12 мм;

• 3 – защита от посторонних предметов и частиц диаметром более 2,5 мм;

• 4 – защита от касания инструментом, пальцами и проволокой диаметром более 1 мм, защита от проникновения твердых посторонних частиц диаметром более 1 мм;

• 5 – полная защита от касания вспомогательными средствами любого типа и от проникновения пыли;

Вторая цифра определяет защищенность от попадания воды:

• 0 – защита отсутствует;

• 1 – защита от вертикально падающих капель воды;

• 2 – защита от капель воды, падающих под углом 15° к вертикали;

• 3 – защита от струй воды, падающих под углом до 60° к вертикали;

• 4 – защита от водяной пыли, распространяющейся со всех сторон;

• 5 – защита от струй воды, падающих со всех сторон под любым углом;

Синхронные генераторы имеют в основном степень защиты IP 23, маломощные – IP 21, но уже появляются агрегаты с IP 54. Для асинхронных же альтернаторов степень защиты IP 54 – это правило, а не исключение.

Дополнительно в маркировках приборов используются буквенные выражения:

• A – защита от доступа тыльной стороны кисти руки;

• В – защита от доступа пальцев;

• С – защита от доступа инструмента;

• D – защита от доступа провода;

• H – прибор высокого напряжения;

• M – защита прибора от воды проверена на подвижных деталях;

• S – защита прибора от воды проверена на подвижных деталях, находящихся в состоянии покоя;

• W – защита от указанных погодных условий с дополнительными защитными мерами.

Таким образом, зная класс защиты агрегата, можно принимать решение о его размещении и использовании.

Дизель-генераторы —

различия в деталях

Чтобы исключить перебои в электроснабжении, применяют

системы бесперебойного гарантированного электропитания,

или СБAЭ. Как правило, они состоят из нескольких

компонентов. Однако сердцем всей системы является

резервный источник электроэнергии — генератор. Среди

пользователей наиболее широко распространены

дизельные генераторные установки — ДAУ.

Виктор ПАНЬКИВ

Генераторы переменного тока, с точки зрения потребителя, представляют собой небольшие электростанции. Области их применения многообразны, но чаще всего генераторы используются в качестве резервных источников электрической энергии при пропадании напряжения в стационарной сети; хотя возможно их использование и как систем постоянного электроснабжения.

Конструктивно бензиновый, дизельный или газовый генератор представляет собой двигатель внутреннего сгорания, соединенный с электрическим генератором (альтернатором) — устройством, которое собственно и вырабатывает электрический ток. Следует заметить, что в отличие от маломощных генераторов, в которых двигатель и альтернатор соединены жестко, в генераторах большой мощности агрегаты соединяются при помощи специального сцепного устройства — виброизолирующей муфты.

Объединенные в единую конструкцию, двигатель и генератор устанавливаются на виброизолирующей станине, которая играет роль жесткой опоры всего агрегата. И — что естественно для стабильной и безопасной работы — генераторная установка комплектуется блоком автоматики различной степени сложности и набора функций.

Таким образом, три компонента, собранные воедино на жесткой опоре и заключенные при необходимости в шумоизолирующий всепогодный кожух, образуют то, без чего огромное количество пользователей электроэнергии (от владельца загородного дома до мощного промышленного предприятия) не представляют себе комфортного существования и безопасной деятельности.

Немного теории

Принцип работы электрогенератора заключается в создании переменного магнитного поля путем вращения намагниченного тела (ротора), благодаря чему на внешних обмотках (статоре) возникает переменный ток, и генератор становится источником электродвижущей силы (ЭДС).

Важный критерий, по которому различаются генераторы, — это использование синхронных либо асинхронных альтернаторов в агрегате. Оба типа устройств, при одинаковой концепции построения, различаются конструктивно, но каждый обладает своими преимуществами и недостатками. Главное же различие синхронного и асинхронного электрогенераторов состоит в устройстве вращающейся части.

 Ротор синхронного электрогенератора содержит обмотки (рис. 1), на них подается ток возбуждения, создающий переменное магнитное поле, при помощи которого регулируют напряжение на выходе обмоток статора.

Наличие обмоток на роторе обуславливает открытость и, как следствие, слабую защищенность синхронного электрогенератора от воздействия факторов внешней среды. Поскольку проводник обмоток нагревается, и его нужно охлаждать (что удобнее всего делать воздухом, подавая его внутрь генератора), то для предотвращения попадания пыли и влаги приходится применять фильтры.

Второй недостаток — наличие коллектора (токоведущих колец ротора), через которые специальные угольные щетки передают ток возбуждения. Коллекторный узел нуждается в уходе и своевременной замене щеток.

Преимущество же такой конструкции — в возможности регулировки ЭДС путем изменения тока, подаваемого на обмотки ротора. Система регулировки напряжения представляет собой электрическую схему с обратной связью по току и напряжению. Поэтому синхронные генераторы легко переносят пусковые нагрузки*⁾, а также кратковременные перегрузки, которые иногда возникают в сети.

_______________________________________________________________

 *⁾ Пусковые нагрузки связаны с тем, что многие приборы для начала работы нуждаются

в большем количестве электроэнергии, чем их номинальная потребность.

Ротор асинхронного генератора (рис. 2) содержит короткозамкнутые обмотки, иногда дополненные постоянными магнитами и, таким образом, имеет более простую конструкцию, что увеличивает его надежность, долговечность и уменьшает стоимость.

 Поскольку ротор в охлаждении не нуждается — корпус такого генератора закрыт, это исключает возможность загрязнения. Другими словами — синхронный генератор имеет более высокую степень защиты (см. «Маркировка степеней защиты электроприборов»).

Но здесь же кроются и недостатки, ведь такой альтернатор не имеет системы регулировки ЭДС, и поэтому тяжело переносит пусковые нагрузки. Для улучшения работы в электростанциях с асинхронными генераторами применяются системы стартового усиления — наборы конденсаторов, которые за счет накопленного заряда компенсируют пусковые токи.

В настоящее время синхронные электрогенераторы установлены на подавляющем большинстве дизель-генераторных и газовых установок средней и большой мощности. Асинхронные же альтернаторы можно встретить только в ряде маломощных бензиновых и дизельных генераторов.

Однофазные и трехфазные системы

Альтернаторы можно классифицировать как однофазные и трехфазные. Первые используются в маломощных (до 15 кВА) генераторах, а вторые занимают более широкий спектр мощностей. При одной и той же мощности трехфазный генератор легче и компактнее однофазного, а также имеет больший КПД. Он незаменим, если в системе есть трехфазные нагрузки — двигатели и пр. Однако при подключении однофазных потребителей к трехфазному генератору возникает перекос фаз, который может привести к отключению и даже выходу из строя альтернатора, потому в бытовом секторе, где трудно обеспечить равномерную загрузку фаз, однофазные установки предпочтительнее.

Все нагрузки разделяются на активные (омические), у которых вся энергия расходуется на тепло, и реактивные (индуктивные и емкостные), у которых часть энергии идет на образование электромагнитных полей. Поэтому при подключении генератора к нагрузке следует учитывать сдвиг между напряжением и током — так называемый cos (обычно для синхронных ДГУ он составляет 0,8; для асинхронных — 1,0), а также аналогичные коэффициенты подключаемых приборов.

Важно знать, что генераторы можно использовать в качестве резервного или основного источника питания. К одному и тому же агрегату рекомендуется в режиме работы основного источника питания подключать меньшую нагрузку, чем при его работе в резервном режиме. Это необходимо для увеличения срока службы генераторов. В резервном режиме они работают недолго, но с мощностью, чуть выше номинальной.

О двигателях внутреннего сгорания

Теперь поговорим о наиболее важном компоненте — а именно о двигателе внутреннего сгорания. Эта часть генераторной установки, по сути, первична. От характеристик двигателя отталкиваются, создавая весь агрегат. Они же и обуславливают его ключевые параметры, такие как мощность и ресурс установки, габариты и шумность. Опыт показывает, что у альтернатора срок службы дольше, чем у двигателей.

Насколько разнообразны области применения, настолько широк и спектр характеристик генераторных установок. Прежде всего, следует упомянуть, что двигатели внутреннего сгорания работают на трех видах топлива — бензине, дизельном топливе и газе. Каждый класс двигателей нашел свою нишу применения в генераторах в соответствии с особенностями работы и конструкции.

Например, генераторы на основе бензиновых двигателей заняли сегмент, в котором они наиболее эффективны. Конструктивно двигатель, работающий на бензине, легче и дешевле дизельного, но затраты топлива выше. Поэтому бензиновые двигатели, с точки зрения стоимости выработки электроэнергии, наиболее целесообразно использовать в маломощных (до 15 кВт), вследствие этого компактных и сравнительно легких, генераторах.

В бензиновых генераторах используют асинхронные или синхронные двухполюсные альтернаторы. Номинальная частота вращения — 3000 об/мин (это соответствует 50 об/с и 50 Гц частоты переменного тока). Вся установка монтируется на трубчатой раме (рис. 3) либо помещается в корпус (рис. 4), что удобно для переноски и использования в быту.

Таким образом, бензиновые генераторные установки нашли широкое применение в сегменте бытовых резервных источников электроэнергии — там, где все выше перечисленные достоинства наиболее востребованы. Они используются в основном при кратковременных перебоях с энергоснабжением в загородном частном доме либо для питания небольшой строительной площадки (для работы бетономешалки вкупе с дрелью и болгаркой достаточно, к примеру, 6–10 кВт).

При увеличении потребляемой мощности, несмотря на высокую материалоемкость и большую стоимость, более выгодными оказались дизельные двигатели. Упомянутые их недостатки полностью перекрываются таким преимуществом, как огромный, по сравнению с бензиновыми двигателями, ресурс (до 200 раз превышающий ресурс бензиновых установок, при одинаковой мощности).

Увеличение ресурса обусловлено низкой затратой топлива и меньшим числом оборотов (как правило, 1500 об/мин, но есть и 750 об/мин). Поэтому в генераторных установках с дизельными двигателями можно использовать альтернаторы с большим количеством полюсов — 4 и 8, соответственно, а массивность и дороговизна вызваны требованием обеспечить рабочий цикл, для которого необходимо создание высокого давления в камере сгорания.

Ну, и вскользь упомянем генераторные установки на газопоршневых двигателях — самых экологически чистых (хотя этим их преимущества не ограничиваются). Газопоршневые двигатели работают на дешевом и экологичном топливе, их выбросы содержат малое, по сравнению с остальными типами «собратьев», количество токсичных высокомолекулярных веществ и не содержат сажи. Продукты горения оказывают минимальное влияние на камеру сгорания, и поэтому генераторные установки, построенные на основе таких двигателей, имеют наибольший ресурс.

И занять бы таким генераторам все без исключения потребительские ниши, но тут сыграла свою роль доступность топлива и возможность его бесперебойной подачи.

Еще одна особенность газопоршневых генераторов заключается в более высоком верхнем пределе мощностей, свойственном для этих систем.

Самые мощные генераторы используются на промышленных предприятиях, где после некоторой доработки их используют как постоянный источник не только электроэнергии, но и тепла, а если нужно, то и холода. Здесь речь идет о так называемых когенерационных и тригенерационных установках, о которых мы поговорим в следующих публикациях.

ДГУ — разнообразие однообразия

Остановимся теперь конкретно на предлагаемых потребителю ДГУ. Главным критерием выбора установки, естественно, выступает мощность, но существует масса других не менее важных деталей, на которые следует обращать внимание. Не менее серьезные параметры — низкое потребление топлива, малошумность, габариты агрегата, его комплектация различными дополнительными устройствами.

Общая компоновка ДГУ неизменна, что можно видеть, сравнивая агрегаты разных производителей и мощности на рис. 5–8.

На станине, в которую вмонтирован топливный бак и электростартерная система с аккумуляторными батареями, последовательно размещены: панель управления, обращенная в сторону от продольной оси установки, альтернатор, сразу за ним — двигатель. Хотя на некоторых образцах панель управления обращена по оси — например G30Q, мощностью 30 кВА, производства JCB (рис. 9 и рис. 10). Установку завершает накрытый защитной клеткой мощный вентилятор, за которым расположен радиатор системы охлаждения. Конструкция рассчитана так, чтобы воздух вытягивался вентилятором по направлению от панели управления к двигателю.

При покупке установки следует знать, что существует такое понятие, как базовая комплектация, предусматривающая для ДГУ минимум необходимых устройств. Зачастую же такого набора явно недостаточно для полноценного функционирования агрегата. Поэтому для каждого конкретного случая применения, в зависимости от нужд или пожелания заказчика, базовая комплектация может быть  дополнена необходимыми опциями, естественно, при этом цена установки возрастает. Сразу заметим, что у разных производителей набор дополнительных и базовых опций различен.

В основную комплектацию, как правило, входит собственно сама установка, комплект фильтров, глушитель, регуляторы напряжения, аккумуляторная батарея, радиатор и самая простая панель управления с кнопками пуска и останова, а также  система экстренной остановки двигателя с аварийной сигнализацией.

Воздушные фильтры служат для очистки воздуха, поступающего в цилиндры. Топливные — для очистки топлива, которое поступает из бака и может содержать различные примеси, в том числе и воду.

Такие опции, как шумозащитный кожух, система подогрева охлаждающей жидкости, панель автоматического управления и системы дистанционного контроля входят в дополнительную комплектацию, но без них зачастую не обойтись. Также улучшить удобство эксплуатации помогут всевозможные датчики, сигнализирующие о высокой температуре масла либо о низком уровне топлива, система автоматической подзарядки аккумуляторной батареи электростарта.

Самый простой пример — использование всепогодных шумозащитных кожухов и мобильных платформ. Первая опция позволяет защитить установку от агрессивных внешних условий, а пользователей — от высокого уровня шума, который у некоторых установок достигает 97 дБ (для сравнения, шум железнодорожного вагона — 90 дБ). При использовании кожуха уровень шума можно снизить на 15–20 дБ. Защитный кожух представляет собой металлический капот с антикоррозионным покрытием. Изнутри к нему крепятся слои шумопоглощающего материала. Также в нем предусмотрены люки, через которые осуществляется доступ к узлам генератора. Панель управления закрывается отдельной прозрачной перегородкой.

Для загородного дома или стройплощадки, если не предусмотрено отдельное помещение для генератора, такой кожух жизненно необходим. Следует также заметить, что наличие защитного кожуха существенно увеличивает занимаемый объем и вес всей установки.

Некоторые производители уделяют внимание дизайну кожухов, чтобы придать установке оригинальный, привлекательный вид (рис. 10). Для установок большой мощности дизайн, разумеется, отходит на второй план (рис. 11).

Без мобильных платформ не обойдутся те, кто хочет законным путем обойти  рутину согласования проекта установки ДГУ с МЧС и экологами. Сейчас дизель-генератор, практически любой мощности, можно установить на мобильную колесную платформу, которая транспортируется как автомобильный прицеп — лишь бы габариты позволяли это сделать (рис. 12 и рис. 13).

ДГУ небольшой мощности на колесной платформе используются владельцами сети заправок, мобильными операторами и даже отделениями банков, поскольку дают возможность сэкономить на расходах. Ведь вместо того, чтобы комплектовать каждый объект собственным источником резервного электропитания, покупаются несколько мобильных, которые позволяют за небольшой интервал времени оказаться в нужном месте и обеспечить потребителя электроэнергией.

Теперь несколько слов о топливе. Многие производители рекомендуют в холодное время года использовать зимние сорта дизельного топлива, но это вряд ли выручит при сильных морозах. Если генератор стоит на улице, в наших климатических условиях ему просто необходима установка системы подогрева топлива и охлаждающей жидкости. Ведь повышение вязкости летних сортов дизельного топлива начинается уже при температуре +3°С и вызывает увеличение расхода топлива и снижение мощности (из-за ухудшения качества распыления в камере сгорания). Без системы подогрева при низкой температуре дизельное топливо, содержащее большое количество высокомолекулярных углеводов (парафинов), станет вязким, или в нем образуются кристаллики парафинов (-5°С …-7°С), тогда генератор попросту не запустится.

Одной из самых важных характеристик ДГУ является тип регулятора частоты оборотов двигателя. Он может быть механическим, механическим с электронным регулированием и полностью электронным. Механическими регуляторами оборотов комплектуются лишь генераторы малой мощности. Влияние на затраты топлива здесь ниже, чем в более мощных двигателях. Но дело не только в затратах топлива, но и в экологии: электронный регулятор частоты оборотов, четко дозируя подачу топлива, уменьшает выбросы.

Здесь последним словом техники, как и в автомобилестроении, считается полностью электронный двигатель, в котором подача топлива регулируется в каждом цилиндре отдельно. Выпуск подобных моделей пока только анонсируется (ожидается в 2010 году) и связан с переходом на европейские стандарты по экологии.

Комплекс дистанционного контроля, позволяющий, используя Интернет, контролировать работу установок — не самая необходимая вещь для основной  массы покупателей. Она предназначается скорее для профессиональных пользователей и крупных компаний. Ведь для контроля параметров необходимо иметь команду квалифицированных обученных работников по обслуживанию. А вот расширенный список датчиков, контролирующих все параметры работу ДГУ, — более востребованный товар. Те же больницы для стабильной работы медицинского оборудования требуют меньших колебаний напряжения в сети, чем коттедж или стройплощадка. Естественно, ДГУ в таких случаях используется совместно с источником бесперебойного питания и автоматом ввода резерва. Стоит также отметить, что компании, занимающиеся инсталляцией ДГУ, как правило, одновременно являются дистрибьюторами производителей ИБП и другой автоматики. Этим они упрощают жизнь — и себе, и вам.

Таким образом, современные ДГУ — это способ эффективно защитить себя и свой бизнес от неполадок в электросети, хотя о полной энергетической независимости речь, разумеется, не идет.

Виктор ПАНЬКИВ,

victor@sib.com.ua ,

СиБ

№ 3 (46) 2009