Áramfejlesztők alkalmazása II.
2005/5. lapszám | netadmin | 6288 |
Figylem! Ez a cikk 20 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Áramfejlesztők alkalmazása II. Alelosztók, hálózatok Az elmúlt lapszámban közölt ábrákon a főelosztókban csak leágazásokat, fogyasztói csoportokat jelöltünk. Természetesen a főelosztó egy-egy konkrét leágazása nemcsak fogyasztókat, de aleloszt...
Alelosztók, hálózatok
Az elmúlt lapszámban közölt ábrákon a főelosztókban csak leágazásokat, fogyasztói
csoportokat jelöltünk. Természetesen a főelosztó egy-egy konkrét leágazása nemcsak
fogyasztókat, de alelosztókat is táplálhat. A több betáplálásos rendszerek alelosztói
- néhány egyszerűsítéssel - a következő csoportokba sorolhatók.
• Csak egyféle fogyasztói csoportot tápláló alelosztók. Ezek egyszerű berendezések
egy betáplálással, több fogyasztói leágazással. Ha a főelosztó táplálja a betáplálást,
akkor a leágazások üzemelnek. Ebbe a csoportba tartoznak a szünetmentes elosztók
is, melyek csak abban térnek el, hogy betáp oldalukat az UPS táplálja.
• Több betáplálású elosztók. Két vagy több, az előző pont szerinti elosztó, közös
szekrényben. Legbonyolultabb esetben három betáplálás van: csak hálózatról táplált;
mind hálózatról, mind áramfejlesztőről táplált (ún. dízeljogos); és az UPS-ről
táplált. Az egyes betáplálások külön elosztósíneket táplálnak, melyekről külön
táplált fogyasztók működnek.
• Olyan alelosztók, amelyekben nincs külön csak hálózati és dízeljogos betáplálás,
de a fogyasztókat szét kell választani. Ez a probléma akkor gyakori, amikor egy
meglévő rendszert utólag egészítenek ki áramfejlesztővel, de mind a hálózatok,
mind az elosztók készen vannak, a főelosztókat csak az automatikus betáplálás-átkapcsolóval
szeretnék kiegészíteni, és a csak hálózatról vagy áramfejlesztőről is táplálandó
fogyasztókat az alelosztókban (pl. szintelosztókban) szeretnék szétválasztani.
A megoldás általában meglévő elosztókban is kivitelezhető, új elosztókban csak
tervezési kérdés. Ezekben az elosztókban külön gyűjtősínekre kell csoportosítani
az azonos módon táplálandó fogyasztók leágazó készülékeit. A gyűjtősíneket vezérelhető
kapcsolókon keresztül kell táplálni, és azokat úgy kell vezérelni, hogy az egyik
csak hálózati üzemben legyen bekapcsolva, a másik dízel üzemben is. A vezérlésnek
számtalan módja van, lehet vezérlő vezetékeket fektetni a főelosztó (vagy az
automatikus betáplálás-átkapcsoló) és az adott alelosztó közé, lehet vivőfrekvenciával
kapcsolni (úgy, ahogy a többtarifás mérőket kapcsolja át az áramszolgáltató),
olcsón beszerezhetők vezeték nélküli jeladók és jelvevők.
A több betáplálásos rendszer működéséhez természetesen - legalább az alelosztóktól
kezdődően - külön hálózatokat kell kiépíteni a csak hálózatról működő, a dízellel
is táplált és a megszakításmentesen táplált fogyasztók, fogyasztói csoportok
számára. Ha csak egy hálózat van, azt nem lehet különbözőképpen táplálni. Nagyon
fontos a különböző hálózatokat külön, jelölten vezetni, csatlakozóhelyeiket maradandóan
meg kell jelölni, nehogy később, nem odavaló készülék csatlakoztatásával nagy
kárt okozzanak (pl. egy klímakompresszort csatlakoztassanak az UPS hálózatra,
melynek minden bekapcsolási áramlökése letöri az UPS kimenő feszültségét és leállítja
a szervereket, rosszabb esetben működteti a védelmeket, és a megszakításmentesen
táplált összes fogyasztó táplálását megszakítja).
Fogyasztói helyek,
csatlakozók
A fogyasztók csatlakoztatása kétféleképpen történhet: fix kábelbekötéssel vagy
oldható kötéssel (dugaszoló- aljzat). Mindkét esetben lényeges az egyértelmű
megjelölés. Célszerű külön, konzekvens színjelzést alkalmazni az összes csak
hálózatról üzemelő, dízeljogos és megszakításmentesen táplált áramkörre. A
cél az, hogy egyetlen pillantással lehessen meggyőződni arról, hogy az adott
elem milyen táplálási rendszer része.
Áramfejlesztők
Mielőtt a részletes elemzésekbe kezdenénk, röviden két alapvető kérdésről kell
szót ejtenünk. Az első az áramfejlesztők csapágyazása. Az áramfejlesztők
hajtómotorból és generátorból álló gépcsoportok. Az áramfejlesztők területén
a legnagyobb fejlődést - bármilyen hihetetlen - a generátorok csapágyazásának
és a gépcsoport összeépítésének változása idézte elő.
Egészen a ‘60-as évek végéig (Magyarországon a ‘70-es évek végéig) a generátorok
mindkét oldalon csapágyazottak voltak (l. 1. ábra). A generátor 9-es jelű része
a hajtott oldali pajzs a csapágyakkal. Ezeknél az aggregátoknál a motor és
a generátor tengelyét rugalmas tengelykapcsoló kötötte össze, és a két gép
egytengelyűségét hatalmas, robosztus, leggyakrabban öntöttvas alváz biztosította,
amelyre a gépeket mereven, fémesen csatlakoztatták. A hatalmas tömegű gépcsoport
rezgéseit méretezett betontömbbel csillapították, melyet az épület alapjától
elválasztottak (dilatáltak), s melyet rezgéscsillapító, nagy terhelhetőségű,
mafund (műparafa) lapokra helyeztek.
Alapvető változást hozott az, amikor a generátor hajtott oldali csapágyát (és
pajzsát) elhagyták, a robbanómotor lendkerekére menesztő tárcsát csavaroztak:
ebbe csúszik be a generátortengely reteszes vége, és a generátort egy szerelő-
és szellőzőnyílásokkal ellátott gyűrűvel kapcsolták össze a hajtómotorral,
olyannal, mint például az autók sebességváltóját a motorral összekötő tengelykapcsolóház.
A 2. ábra 9-es jelű alkatrésze a generátort a motorral öszszekötő gyűrű, és
látszik a képen, hogy nincs hajtott oldali generátorcsapágy. A konstrukció
az alváz nélkül is biztosítja a gépcsoport egytengelyűségét, így a kompakt
gépcsoportot már a járművek motor és sebességváltó tartóbakjainak megfelelő
rugalmas elemekkel lehet a könnyű, hidegen hajlított profilokból összehegesztett
alvázakhoz csatlakoztatni. A változás drámai. A gépcsoportok súlyát az öntött
alváz és a kiegyensúlyozó betontömb elhagyásával akár tizedére is lehetett
csökkenteni, továbbá akár több nagyságrenddel csökkent a vibráció és a zaj.
A gépek telepítése rugalmassá vált, nemcsak pincében lehetett már azokat telepíteni,
de akár egy kórház tetején, közvetlenül a műtő felett is. A másik, előbb említett
kérdés a generátor típusa. A kisteljesítményű áramfejlesztők között léteznek
aszinkron generátorosak is. Elsősorban nagy áruházak hoznak forgalomba olcsó,
kis benzinmotoros gépeket aszinkron generátorokkal, kondenzátoros meddőteljesítmény-előállítással.
Tapasztalataink szerint ezen gépek még barkácscélú alkalmazásra sem megfelelők,
de professzionális célra egészen biztosan alkalmatlanok. Cikkünkben a fentiek
miatt kizárólag az egy oldalon csapágyazott, szinkrongenerátoros áramfejlesztőkkel
foglalkozunk.
Az áramfejlesztők csoportosítása
A következő motorfajtákat alkalmazzák hajtómotorként: benzinmotor, dízelmotor,
gázmotor. Megjegyezzük, hogy léteznek gázturbinás meghajtású áramfejlesztők
is, de ezek mindig speciális célúak, ezért ezekkel jelen cikkben nem foglalkozunk.
Csak megemlítjük, hogy például az energiarendszer nagy teljesítményű energiablokkjainak
kiesését ideiglenesen 10 perc alatt üzembe helyezhető, gázturbinás erőművekkel
pótolják, illetve repülőgépeken is vannak gázturbinás generátorok. A benzinmotor
ma csak kis teljesítményű, olcsó, házi (barkács) használatra szánt gépekben
fordul elő. Természetesen ez a kijelentés az utóbbi évtizedre érvényes, mivel
az azonos teljesítményű dízelmotorok mérete, súlya és ára mára már alig tér
el a benzinmotorokétól, ugyanakkor előnyei igen jelentősek. Ma 500 VA…12
kVA teljesítménytartományban kaphatók benzinmotoros aggregátorok. A jelenleg
kapható áramfejlesztők benzinmotorjai semmiképpen sem tekinthetők korszerűnek,
a következők miatt:
• 6 kVA alatt általában berántóköteles indítás;
• kétütemű működés;
• porlasztós keverékképzés, indításkor kézi szívatós dúsítással;
• ejtőtartály kézi működtetésű benzincsappal;
• a legtöbb gépnél egyszerű, igénytelen fordulatszám-szabályzás, melynél a
statikus frekvenciastabilitás ±3-4 Hz, a dinamikus frekvenciaváltozás akár
10 Hz-es is lehet (ugrásszerű terhelésváltozás): a rossz frekvenciastabilitás
miatt a benzinmotoros gépek kis része alkalmas igényes fogyasztók, számítástechnikai
rendszerek, UPS-ek táplálására;
• rövid karbantartási periódus;
• rövid élettartam.
Természetesen automatikus áramfejlesztőt nem lehet építeni berántós, kézi szívatós
motorral, ezért a benzinmotoros áramfejlesztők motorját kiegészítik a következőkkel:
önindítómotor, akkumulátor; villamos benzincsap; automata szívató; akkumulátortöltő
generátor; visszajelzés az olajnyomásról és többnyire a motorhőmérsékletről.
Aki visszaemlék-szik szívatós autójának hidegindítási biztonságára, az el tudja
képzelni, milyen biztonsággal indulnak ezek a "felügyeletmentes üzemre készített,
automata" áramfejlesztők, amikor minden induláskor működtetik a szívatót… További
gond, hogy az ejtőtankok kis űrtartalmúak, néhány órai üzemre elegendő üzemanyagot
tartalmazhatnak. Üzem közbeni utántöltésük a kipufogó közelsége miatt rendkívül
tűzveszélyes, az automata üzem feltétlenül nagyobb, legalább 8-10 órai üzemre
méretezett, kettősfalú biztonsági tartályt igényel. (Megjegyzés: ha egy benzinmotoros
áramfejlesztőt jelentős kompromisszumokkal bár, de alkalmassá tesszünk automatikus
üzemre, a járulékos tartozékokkal együtt lényegesen többe kerül, mint az automatikus
üzemre ideális dízelmotoros szerkezet.)
A dízelmotor a szükség-áramfejlesztők ideális motorja. A mai dízelmotorok
legfőbb jellemzői és előnyei a következők. Rendkívül széles teljesítménytartomány:
4…2000 kVA (3,2…1600 kW) teljesítmény-tartományban nagy szériában gyártott
motorok állnak rendelkezésre. A világ legnagyobb dízelmotorja a Wartsila-Sulzer
RTA96-C turbótöltős kétütemű motor, mely 6…14 hengeres kivitelben készül.
A 14 hengeres kivitel kb. 83 MW teljesítményű (súlya 2300 t, 27 m hosszú,
13 m magas. Egy-egy hengerének űrtartalma 1820 l. Ha a 14 hengeres gép
1 óráig teljes teljesítménnyel jár, fogyasztása 6920 l). Érdekességként
a 3. ábrán néhány kép látható a motorról.
A mai dízelmotorokat megbízható működés jellemzi. Előkamrás motoroknál izzítással,
direkt befecskendezésű motoroknál hűtőfolyadék-előmelegítéssel biztosnak
tekinthető a hidegindítás. A benzinmotorokhoz képest többszörös forgatónyomaték
miatt a hirtelen terhelésugrásokra kisebb fordulatszám-változással (frekvenciaváltozás)
reagálnak ezek a motorok. A dízelolaj nem lobbanásveszélyes, mint a benzin,
könnyebb, veszélytelenebb tárolni, enyhébb előírásoknak kell eleget tenni.
A fordulatszám kb. 30 kVA-ig lehet 3000 1/p, a professzionális gépek azonban
jellemzően 1500-as fordulatúak (a 3. ábra szerinti óriásgép 102 1/p fordulatszámon
jár).
A kis fordulatszám és az igényes kivitel miatt az élettartam nagyon hosszú,
megfelelő karbantartással sok tízezer üzemóra. A karbantartási periódus az
újabb motoroknál 500 óra (de a ‘90-es években gyártott gépek olajcsere periódusa
is 250 üzemóra). Gyártótól függően 80-150 kVA felett a motorok elektronikus
vezérlésűek, ami rendkívül egyszerűvé teszi az áramfejlesztő vezérlését,
nagyon alacsony a statikus frekvenciatűrés (±0,25 Hz), könnyen lehet másik
áramfejlesztővel vagy a hálózattal szinkronizálni az áramfejlesztőket. A
dízelmotoros áramfejlesztőkről szóló rész elején azt írtam róluk, hogy a
szükség-áramfejlesztők ideális motorjai. Maga a motor úgynevezett elsődleges
áramforrásként (prime power) használt áramfejlesztő hajtómotorjaként is tökéletes,
de ott, ahol hálózat is rendelkezésre áll, áramtermelésre nem gazdaságos.
Folyamatos üzemben olyan helyeken dolgoznak a dízelmotoros áramfejlesztők,
ahol nincs hálózat, például fúrószigeteken, hajókon.
Az áttekintést folytatva, a gázmoto-rok legfőbb előnye, hogy rendkívül alacsony
a szén-monoxid- és koromkibocsátásuk. Ezek a motorok gyakorlatilag a benzinmotorokhoz
hasonló, szikragyújtásos motorok, csak a gázból és levegőből képeznek üzemanyag-keveréket.
Gázmotort a következő esetekben használnak jó eredménnyel.
• LPG gázpalackról működtetett, kis, csöndes, kedvező kipufogógáz öszszetételű
áramfejlesztőkben. Ugyanúgy, ahogy targoncákat és egyéb gépeket működtetnek
LPG üzemanyaggal, léteznek kisteljesítményű gázmotoros áramfejlesztők is.
Teljesítmény-tartományuk néhány kVA-tól néhányszor tíz kVA-ig terjed.
• Földgázüzemű stabil gépek sorozatgyártásban 20 kVA-tól 1300 kVA-ig terjedő
teljesítménytartományban léteznek. A kisebb teljesítményű gépekhez (általában
100 kVA alatt) létezik ún. LPG-átalakító készlet, melynek segítségével LPG
üzemanyagról történő üzemelésre lehet átállni. Elvben az LPG gáz nagy űrtartalmú
tartályokban tárolható, így hosszú áthidalási idejű szükség-áramfejlesztők
is elképzelhetők, azonban a gázellátó rendszer magas költsége miatt nem alkalmazzák.
Földgázüzemű szükség-áramfejlesztő sem célszerű, mivel a gázellátásban ugyanúgy
felléphet zavar, mint a villamosenergia-ellátásban, és ha mindkettő kiesik,
akkor a jelentős beruházás ellenére is energia nélkül marad az objektum.
A földgáz-üzemű stabil gépeket két esetben előnyös használni: ha a rendelkezésre
álló energiaforrás földgáz (pl. földgázvezetékek kompresszorállomásainak
energiaellátására) vagy kapcsolt hő- és villamosenergia-előállításra, lásd
a későbbi pontot.
• Speciális gázmotor alkalmazás a biogáz-üzemű áramfejlesztő, vagy biogáz-üzemű,
kapcsolt hő- és villamosenergia-termelő rendszer. A tiszta biogáz-üzem legnagyobb
problémája, hogy a gáz összetétele, hőértéke nagyon sok tényezőtől függ,
és nehezen befolyásolható. Ez alapvetően meghatározza a motor hatásfokát,
teljesítményét, és esetleg üzemképességét is. Biztosabb működés érhető el,
ha a több forrásból származó biogázt úgy keverik egymással és a földgázzal,
hogy megfelelő motorműködés és teljesítmény legyen elérhető.
• Alkalmazzák még kapcsolt hő- és villamosenergia-termelő gépcsoportok motorjaként.
A kapcsolt energiatermelési rendszer lényege: a gáz energiatartalmának nem
csak azt a részét hasznosítják, melyet a motor által hajtott generátor termel,
hanem a motor hulladékhőjét is. Hőcserélőkkel hűtik a kipufogógázokat, a
motor vízkörét, sőt a gépcsoport sugárzott hőjét felvevő levegőt is. A hőcserélők
szekunder körében felmelegedett víz fűtésre, és/vagy használati meleg vízként
hasznosítható.
Egy kompakt, minden elemével konténerbe épített, kapcsolt hő- és villamosenergia-termelő
gépcsoportot mutat a 4. ábra. A gyártmánysor legfőbb adatait az 1. táblázat
ismerteti. Érdemes megfigyelni a hatásfokjavulást. A villamos teljesítmény
majdnem kétszerese nyerhető a motor veszteséghőjének felhasználásával, azaz
a gázmotoros generátor 40% alatti hatásfoka a keletkező hőenergia hasznosításával
90 % környékére növelhető. Hol alkalmazhatók a kapcsolt hő- és villamosenergia-előállító
gépcsoportok? Minden olyan helyen, ahol egyidejűleg mind a hő-, mind a villamos
energiára szükség van, például városi fűtőerőművekként, kórházakban, börtönökben,
húsfeldolgozó és egyéb üzemekben. Kijelenthetjük, hogy a kapcsolt energiaellátás
hatásfokát külön-külön még a legkorszerűbb áramfejlesztők, illetve kazánok
sem tudják megközelíteni.
(folytatjuk)
Székely Sándor - okl. villamosmérnök
