Что такое регенеративная энергия двигателя

Система генератор — двигатель постоянного тока

В различных станках часто требуется бесступенчатое регулирование частоты вращения привода в пределах более широких, чем те, которые может обеспечить регулирование посредством изменения магнитного потока двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением. В этих случаях применяют более сложные системы электропривода.

На рис. 1 представлена схема регулируемого электропривода по системе генератор — двигатель (сокращенно Г — Д). В этой системе асинхронный двигатель АД непрерывно вращает генератор Г постоянного тока с независимым возбуждением и возбудитель В, представляющий собой маломощный генератор постоянного тока с параллельным возбуждением.

Двигатель постоянного тока Д приводит в движение рабочий орган станка. Обмотки возбуждения ОВГ генератора и ОВД двигателя питаются от возбудителя В. Изменяя реостатом 1 сопротивление цепи возбуждения генератора Г, меняют напряжение, подводимое к якорю двигателя Д, и тем самым регулируют частоту вращения двигателя. Двигатель при этом работает с полным и неизменным потоком, так как реостат 2 выведен.

При изменении напряжения U меняется частота вращения n 0 идеального холостого хода двигателя Д. Так как поток двигателя и сопротивление цепи его якоря не меняются, то угловой коэффициент b остается постоянным. Поэтому прямолинейные механические характеристики, соответствующие разным значениям U, расположены одна под другой и параллельны друг другу (рис. 2).

Рис. 1. Система генератор — двигатель постоянного тока (дпт)

Рис. 2. Механические характеристики системы генератор — двигатель постоянного тока

Они имеют больший наклон, чем характеристики такого же электродвигателя, питаемого от сети постоянного тока, так как в системе Г — Д напряжение U при неизменном токе возбуждения генератора с увеличением нагрузки снижается согласно зависимости:

где Ег и r г— соответственно э. д. с. и внутреннее сопротивление генератора.

По аналогии с асинхронными двигателями обозначим

Эта величина характеризует уменьшение частоты вращения двигателя при повышении нагрузки от нуля до номинальной. Для параллельных механических характеристик

Эта величина возрастает по мере уменьшения n0. При больших значениях sн заданные режимы резания будут значительно изменяться при случайных колебаниях нагрузки. Поэтому диапазон регулирования напряжением обычно не превышает 5:1.

С уменьшением номинальной мощности двигателей падение напряжения в них увеличивается, и механические характеристики получают больший наклон. По этой причине снижают диапазон регулирования напряжением системы Г — Д по мере уменьшения мощности (при мощностях менее 1 кВт до 3:1 или 2:1).

С уменьшением магнитного потока генератора на его напряжении в большей степени сказывается размагничивающее действие реакции его якоря. Поэтому характеристики, относящиеся к низким частотам вращения двигателя, фактически имеют больший наклон, чем механические характеристики.

Расширение диапазона регулирования достигается уменьшением магнитного потока двигателя Д посредством реостата 2 (см. рис. 1), производимым при полном потоке генератора Этому способу регулирования скорости соответствуют характеристики, расположенные выше естественной (см. рис. 2).

Общий диапазон регулирования, равный произведению диапазонов регулирования обоими способами, достигает (10 — 15) : 1. Регулирование изменением напряжения является регулированием с постоянным моментом (поскольку магнитный поток двигателя остается неизменным). Регулирование изменением магнитного потока двигателя Д является регулированием с постоянной мощностью.

Перед пуском двигателя Д реостат 2 (см. рис. 1) полностью выводят, и поток двигателя достигает наибольшего значения. Затем реостатом 1 увеличивают возбуждение генератора Г. Это вызывает повышение напряжения, и скорость двигателя Д увеличивается. Если обмотку ОВГ включить сразу на полное напряжение UB возбудителя В, то ток в ней, как во всякой цепи, обладающей индуктивностью и активным сопротивлением, будет нарастать:

где rв — сопротивление обмотки возбуждения, LB — ее индуктивность (влиянием насыщения магнитопровода пренебрегаем).

На рис. 3, а (кривая 1) представлен график зависимости тока возбуждения от времени. Ток возбуждения нарастает постепенно; скорость нарастания определяется соотношением

где Тв — электромагнитная постоянная времени обмотки возбуждения генератора; имеет размерность времени.

Рис. 3. Изменение тока возбуждения в системе Г—Д

Изменение напряжения генератора при пуске имеет примерно такой же характер, как и изменение силы тока возбуждения. Это дает возможность автоматического прямого пуска двигателя с выведенным реостатом 1 (см. рис. 1).

Нарастание тока возбуждения генератора часто ускоряют (форсируют), прикладывая в начальный момент к обмотке возбуждения напряжение, превышающее номинальное. Процесс нарастания возбуждения будет при этом протекать по кривой 2 (см. рис. 3, а). Когда сила тока в обмотке достигнет величины Iв1 равной установившейся силе тока возбуждения при номинальном напряжении, напряжение на обмотке возбуждения уменьшают до номинального. Время нарастания тока возбуждения до номинального уменьшается.

Для форсирования возбуждения генератора напряжение возбудителя В (см. рис. 1) выбирают в 2—3 раза превышающим номинальное напряжение обмотки возбуждения генератора и вводят в схему добавочный резистор 4. Замыкая на время пуска этот резистор накоротко контактом 5, на обмотку возбуждения подают повышенное напряжение.

Система генератор — двигатель позволяет осуществить торможение с рекуперацией. Для торможения необходимо, чтобы ток в якоре изменил свое направление. Момент при этом также изменит знак и вместо движущего станет тормозным. Торможение возникает при увеличении магнитного потока электродвигателя реостатом 2 или при уменьшении напряжения генератора реостатом 1. В обоих случаях э. д. с. Е двигателя становится выше напряжения U генератора. При этом двигатель Д работает в генераторном режиме и приводится во вращение кинетической энергией движущихся масс, а генератор Г работает в двигательном режиме, вращая со сверхсинхронной скоростью машину АД, которая при этом переходит в режим генератора и отдает энергию в сеть.

Торможение с рекуперацией можно осуществить и без воздействия на реостаты 1 и 2. Можно просто разомкнуть цепь возбуждения генератора (например, переключателем 3). При этом ток в замкнутой цепи, состоящей из обмотки возбуждения генератора и резистора 6, будет постепенно уменьшаться

где R — сопротивление резистора 6.

График, соответствующий этому уравнению, приведен на рис. 3, б. Постепенное уменьшение тока возбуждения генератора в данном случае равносильно увеличению сопротивления реостата 1 (см. рис.1) и вызывает рекуперативное торможение. В данной схеме резистор 6, включенный параллельно обмотке возбуждения генератора, является разрядным. Он предохраняет изоляцию обмотки возбуждения от пробоя в случае внезапного аварийного обрыва цепи возбуждения.

При обрыве цепи возбуждения магнитный поток машины резко уменьшается, наводит в витках обмотки возбуждения э. д. с. самоиндукции настолько большую, что она может вызвать пробой изоляции обмотки. Разрядный резистор 6 создает контур, в котором э. д. с. самоиндукции обмотки возбуждения вызывает ток, замедляющий уменьшение магнитного потока.

Падение напряжения на разрядном резисторе равно напряжению на обмотке возбуждения. Чем меньше величина разрядного сопротивления, тем меньше будет напряжение на обмотке возбуждения при разрыве цепи. Вместе с тем при уменьшении величины сопротивления разрядного резистора возрастают непрерывно протекающий по нему в нормальном режиме ток и потери в нем. При выборе величины разрядного сопротивления должны быть учтены оба указанных положения.

После отключения обмотки возбуждения генератора на его зажимах вследствие остаточного магнетизма сохраняется некоторое небольшое напряжение. Оно может вызвать медленное вращение двигателя с так называемой ползучей скоростью. Для устранения этого явления обмотку возбуждения генератора после отключения от возбудителя присоединяют к зажимам генератора так, чтобы напряжение от остаточного магнетизма вызвало в обмотке возбуждения генератора размагничивающий ток.

Для реверса электродвигателя Д меняют направление тока в обмотке возбуждения ОВГ генератора Г посредством переключателя 3 (или иного аналогичного устройства). Вследствие значительной индуктивности обмотки ток возбуждения при этом постепенно уменьшается, меняет направление, а затем постепенно нарастает.

Процессы пуска, торможения и реверса двигателя в рассматриваемой системе отличаются высокой экономичностью, так как их осуществляют без применения реостатов, включенных в цепь якоря. Двигатель пускают и тормозят с помощью легкой и компактной аппаратуры, управляющей лишь небольшими токами возбуждения. Поэтому данную систему «генератор — двигатель постоянного тока» целесообразно использовать для работы с частыми пусками, торможениями и реверсами.

Основными недостатками системы генератор — двигатель постоянного тока являются относительно низкий коэффициент полезного действия, высокая стоимость и громоздкосгь, определяемые наличием в системе большого числа электрических машин. Стоимость системы превышает стоимость одного короткозамкнутого асинхронного двигателя такой же мощности в 8 — 10 раз. Кроме того, такая система электропривода требует много места.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Ранее на эту тему: Электропривод

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Артюшенко Олег Григорьевич

Р акета-носитель (Р Н ) «Энергия» ( изделие 11К25 , зарубежное обозначение SL-17) — первая советская ракета, использующая криогенное горючее (водород) на маршевой ступени, и самая мощная из отечественных ракет — суммарная мощность двигателей около 170 миллионов лошадиных сил.

Ракета выполнена по двухступенчатой схеме «пакет» с параллельным расположением четырех кислородно-керосиновых ракетных блоков первой ступени (блоки А) вокруг центрального кислородно-водородного ракетного блока второй ступени (блока Ц) и асимметричным боковым расположением полезного груза .
Благодаря своей компоновке РН «Энергия» является универсальной и способна выводить на околоземные орбиты полезную нагрузку массой более 100 т как в виде многоразового орбитального корабля ( ОК ) , так и в виде самостоятельных крупногабаритных космических аппаратов (КА) . В этом заключается принципиальное отличие РН «Энергия» от американской системы » Space Shuttle » , силовой основой которой является не центральный ракетный блок, а бездвигательный подвесной топливный отсек ; поэтому » Space Shuttle » не может летать без орбитального корабля (воздушно-космического самолета) , на котором установлены маршевые кислородно-водородные ЖРД SSME . Внешнее сравнение двух многоразовых космических систем представлено ниже на рисунке.

Стартовая масса ракеты может достигать 2400 тонн. Каждый блок первой ступени снабжен четырехкамерным жидкостным ракетным двигателем ( ЖРД ) РД-170 , работающим на жидком кислороде и углеводородном горючем. Тяга двигателя первой ступени составляет 740 тонн у поверхности Земли и 806 т — в пустоте. Вторая ступень оснащена четырьмя однокамерными ЖРД РД-0120 с тягой каждого 148 тонн у поверхности Земли и 200 т — в пустоте, работающими на кислородно-водородном топливе (окислитель — жидкий кислород -186 º С, горючее — переохлажденный жидкий водород -255 º С). Суммарная тяга в начале полета — около 3550 т. Двигатели РД-170 , специально разработанные для РН «Энергия» и используемые также на первой ступени РН «Зенит», обладают рекордными параметрами и не имеют аналогов за рубежом, а двигатели РД-0120 — первые мощные отечественные двигатели, использующие в качестве горючего жидкий водород. Несмотря на одноразовое применение РД-0120 в составе второй ступени , двигатель имеет трехкратный полетный ресурс. При создании РД-0120 конструкторам удалось обеспечить высокие заданные характеристики при минимальных газодинамических потерях, регенеративном охлаждении, стойкости применяемых материалов в среде жидкого водорода.
Все двигатели построены по наиболее экономичной — замкнутой схеме, при которой отработанный в турбине газ дожигается в основной камере сгорания.
Двигатели запускаются на старте почти одновременно, что позволяет уйти от проблемы запуска двигателей в невесомости и повышает надежность выведения.
Для управления движением ракеты на участке выведения маршевые двигатели снабжены прецизионной (точность — до 1% от диапазона перемещений) электрогидравлической системой рулевых приводов. Они развивают суммарное усилие до 50 т в каждой плоскости качания двигателей первой ступени и более 30 т — на второй ступени ракеты.

Блоки первой ступени после выработки топлива отделяются попарно от ракеты примерно на 140 секунде полета на высоте 53 км при скорости 1,8 км/сек, затем через 15-25 сек они разделяются и через 8 минут приземляются в заданном районе на удалении 426 км от старта. Каждый блок может оснащаться парашютными системами возвращения и твердотопливными двигателями мягкой посадки на амортизационные стойки, которые размещаются в двух специальных отсеках-контейнерах . После проведения диагностических, профилактических и ремонтно-восстановительных работ возможно повторное использование блоков. Существовали проекты оснащения блоков первой ступени складываемыми крыльями и системами автоматической посадки , что позволяло бы им совершать управляемый планирующий спуск и посадку на посадочную полосу космодрома.
Расчетная многократность применения блоков А — до 10 полетов — обеспечивается суммарным ресурсом приборов, агрегатов и систем в 15 полетов и эксплуатационным ресурсом двигателей РД-170 до 27 полетных циклов (с учетом огневых испытаний).
В первых полетах в контейнерах вместо парашютов, средств приземления и системы управления устанавливалась контрольная аппаратура.

Центральный блок — вторая ступень отделяется на 480 секунде после набора суборбитальной скорости на высоте 115 км и падает в заданном районе акватории (в антиподной старту точке) Тихого океана. Такая схема выведения исключает засорение околоземного пространства отработанными крупногабаритными фрагментами ракет-носителей и снижает потребные энергозатраты выведения. Доразгон до орбитальной скорости выполняют двигатели полезного груза , ОК или разгонного блока, выполняющего функции третьей ступени.

Сборка ракеты в «пакет», ее транспортировка в горизонтальном положении на специальном агрегате-установщике из монтажно-испытательного корпуса на старт ведется с помощью переходного стартово-стыковочного блока Я , который после установки на него ракеты обеспечивает все необходимые (силовые, пневмогидравлические и электрические) связи с пусковым устройством. Блок Я после пуска ракеты остается на стартовом комплексе и может использоваться повторно.

Высокая надежность и живучесть «Энергии» обеспечена специальными мерами и насыщенной программой отработки на экспериментальных установках и в ходе огневых стендовых испытаний.
На ракете предусмотрено резервирование основных жизненно важных систем и агрегатов, включая маршевые двигатели, рулевые приводы, турбогенераторные источники электропитания, пиротехнические средства.
Комплекс автономного управления построен с поэлементным и схемным резервированием. Ракета оборудована специальными средствами аварийной защиты, обеспечивающими диагностику состояния маршевых двигателей обеих ступеней и своевременное отключение аварийного агрегата при отклонениях в его работе. В дополнение к этому установлены эффективные системы пожаро- взрывопредупреждения .

При разработке математического обеспечения и программ управления помимо штатных условий полета было проанализировано более 500 вариантов аварийных ситуаций и найдены алгоритмы их парирования.
Так, при возникновении нештатной ситуации ракета может продолжать управляемый полет даже с одним выключенным маршевым двигателем первой или второй ступени. В нештатных ситуациях при запуске ОК конструктивные меры, заложенные в ракете, позволяют обеспечить выведение корабля на низкую «одновитковую» орбиту с последующей посадкой на один из аэродромов либо осуществить манёвр возврата на активном участке выведения с посадкой корабля на штатную полосу посадочного комплекса Байконура .

Ко времени первого старта «Энергии» была завершена большая программа научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Всего для этой цели было создано более 200 экспериментальных установок, 34 крупногабаритные конструктивные сборки, собрано 5 полноразмерных изделий (см. отдельную таблицу по собранным экземплярам РН «Энергия») , при этом общее количество проведенных испытаний превысило 6,5 тысячи. Кроме того, модульная часть блока А успешно прошла 6 летных испытаний при пусках РН среднего класса «Зенит» .

Первый испытательный пуск РН «Энергия» ( 1 1К25, и зделие 6 СЛ, шифр 14А 0 2, б ортовой номер И 1506СЛ) с тяжелым спутником «Полюс» состоялся 15 мая 1987 года с универсального комплекса стенд-старт космодрома Байконур. Ракета отработала нормально, выведя «Полюс» на переходную траекторию, но сам аппарат не вышел на расчетную орбиту ИСЗ из-за сбоя в автономной системе управления после отделения от второй ступени ракеты-носителя «Энергия».
Второй пуск «Энергии» ( 1 1К25, и зделие 1 Л, б ортовой номер Л 1501Л) с беспилотным многоразовым орбитальным кораблем «Буран» в качестве полезной нагрузки состоялся со второй попытки ( первая — 29 октября 1988 года , прекращение предстартового отсчета Т=-00’51») попытки 15 ноября 1988 года со штатного стартового комплекса космодрома Байконур .

Важной принципиальной особенностью «Энергии» является ее построение на базе блока второй ступени и унифицированных модулей первой ступени . Это придает системе гибкость и позволяет на последующих этапах создать ряд перспективных носителей тяжелого и сверхтяжелого классов в зависимости от числа модулей в их составе — в дальнейшем на базе «Энергии» планировалось создание семейства унифицированных ракет-носителей, включая РН » Энергия-М » грузоподъемностью до 34 т на низкой орбите с двумя блоками А первой ступени и уменьшенным центральным блоком второй ступени с одним ЖРД РД-0120 ; и сверхтяжелый носитель «Вулкан» грузоподъемностью до 200 т с восемью удлиненными блоками А первой ступени и увеличенным центральным блоком Ц для пилотируемой экспедиции на Марс.

Небольшой фотоархив РН «Энергия», составленный из фотографий, являющихся собственностью Федерального космического агентства , находится здесь

Этап работы кислородно-водородных ЖРДвторой ступени

Тригенерация

Что такое тригенерация

Комбинированное производство тепловой и электрической энергий внутри одного комплекса (мини ТЭЦ, КГУ) называется когенерацией (от англ. co + generation, совместная генерация). Когенерация недостаточно эффективна в случаях когда помимо тепловой энергии также требуется холод. В этом случае целесообразно перейти к тригенерации.

Тригенерация (Trigeneration, CCHP — combined cooling, heat and power) — это процесс совместной выработки электричества, тепла и холода. Тригенерационный комплекс – это комбинация когенерационной установки (вырабатывающей электрическую и тепловую энергию), с абсорбционной холодильной машиной, вырабатывающей холод за счет потребления произведенной тепловой и незначительного количества электрической энергии.

Тригенерация позволяет эффективно утилизировать тепло зимой для отопления и летом для кондиционирования помещений и технологических нужд. Генерирующая установка может использоваться круглый год, причем в летний период (когда потребность в тепле уменьшается) не снижается коэффициент полезного действия энергетической установки.

Для тригенерационного комплекса необходима абсорбционная бромистолитиевая холодильная машина (АБХМ). Абсорбционная холодильная машина потребляет бросовую тепловую энергию, а не дорогостоящее электричество, для реализации холодильного цикла.

Сейчас тригенерация используется на заводах и различных предприятиях (торговых центрах, на хладо- и молочных комбинатах, пивоваренных заводах и пр.). Также тригенерационные установки применяются в нефтехимии, металлургии, химической промышленности и в некоторых других отраслях.

Схема системы тригенерации

Принципиальная схема тригенерации в летнем режиме

В летний период, когда у Заказчика имеется потребность в охлажденной воде (например, для систем кондиционирования воздуха), горячая вода от системы охлаждения ГПУ/ГТУ поступает в генератор АБХМ, где происходит I-я ступень утилизации тепла.

В генератор также поступают выхлопные газы АБХМ, где осуществляется II-я ступень утилизации теплоты, за счет чего и вырабатывается холод с максимально высокой эффективностью.

Схема тригенерации в летнем режиме

Принципиальная схема тригенерации в зимнем режиме

В зимний период Заказчик как правило нуждается в горячей воде. В этом случае горячая вода от системы охлаждения ГПУ/ГТУ идет напрямую к потребителю без участия АБХМ.

Принцип работы тригенерации

Нагрев АБХМ происходит горячей водой или паром и может проходить в одну или две ступени.

• При нагреве горячей водой с 1МВт тепловой энергии можно выработать 800 КВт холода.
• При нагреве паром с 1МВт тепловой энергии можно выработать 1400 КВт холода.

Говоря другими словами, холодильный коэффициент работы (отношение холодопроизводительности к потребляемой мощности) водяных машин – до 8,2; паровых машин – до 1,4.

Для оптимальной эффективности тригенерационную систему необходимо эксплуатировать на максимуме холодильной мощности.

Сферы применения

Тригенерация подходит для всех объектов, имеющих централизованную схему отопления, вентиляции и кондиционирования:

• энергетика;
• центры обработки данных;
• офисные центры;
• металлургия;
• технопарки;
• бизнес-центры;
• химическая промышленность;
• торгово-развлекательные центры;
• гостиницы;
• пищевая промышленность;
• аэропорты;
• санатории;
• бумажная промышленность;
• холодильные склады;
• рестораны;
• сельское хозяйство;
• предприятия — производители продуктов питания;
• базы хранения продовольствия;
• теплицы;
• супермаркеты;
• молокозаводы;
• телекоммуникация;
• социальные объекты;
• рыбозаводы.

Пример установки

Тригенерационый энергокомплекс аэропорта Пулково, г. Санкт-Петербург

Компания ЭСТ имеет опыт комплексных решений с применением абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин Shuangliang Eco-Energy для систем тепло- и хладоснабжения уникальных объектов. Среди них самый большой в России тригенерационый энергокомплекс аэропорта Пулково (Санкт-Петербург).

Энергокомплекс обеспечивает терминал и дополнительных потребителей электроэнергией, тепловой энергией (ГВС, отопление и вентиляция) и холодом для нужд систем кондиционирования воздуха.

Зимой горячая вода от 2 турбин поступает в систему отопления, а летом утилизуется тремя АБХМ Shuangliang Eco-Energy. Таким образом все оборудование энергокомплекса круглогодично используется с максимальной эффективностью, экономя ресурсы и повышая сроки окупаемости проекта для Заказчика. По объекту есть положительные отзывы Заказчика.

Тригенерация: научная работа ЭСТ

Поскольку компания ЭСТ является лидером по внедрению тригенерационых комплексов, она делится опытом на научных мероприятиях. К примеру, в 2018 году руководители компаний «Энергосберегающие технологии» и Shuangliang Eco-Energy провели в Санкт-Петербурге совместный семинар «Тригенерация: энергосбережение и новые возможности бизнеса». В ходе семинара специалисты ЭСТ и Shuangliang рассказали о применении абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин (АБХМ) в тригенерационных комплексах. Слушатели познакомились с практическими примерами тригенерационных решений в России и в мире, получили ответы на технические и коммерческие вопросы.

Семинар «Тригенерация: энергосбережение и новые возможности бизнеса» в г. Санкт-Петербург

Как работает ионный двигатель и где он применяется

Ученые уже придумали или готовятся придумать много новых типов двигателей для космических кораблей. Самые смелые предположения даже говорят про варп-двигатель, который должен разгонять корабль до скоростей, в несколько раз превышающих скорость света за счет искривления пространства в мощном гравитационном поле. Пока это только фантастика, которая скоро может стать перспективой. Зато ионные двигатели уже существуют и даже применяются. Они уже на данном этапе могут развивать скорости в несколько раз выше тех, что предлагают традиционные ракетные двигатели. Правда, они не могут отправить ракету в космос. Вот такие противоречия. Но как же тогда работает ионный двигатель и почему на данном этапе это действительно является технологией будущего?

Такой двигатель может разгоняться до очень больших скоростей.

Как работает ионный двигатель

Принцип работы ионного двигателя простой и сложный одновременно. Он заключается в ионизации газа, который разгоняется электростатическим полем для получения реактивной тяги и разгона космического корабля согласно третьему закону Ньютона.

Топливом или рабочим телом такого двигателя является ионизированный инертный газ (гелий, аргон, неон, ксенон, криптон, оганесон, радон). Впрочем, не все инертные газы стоит использовать в качестве топлива, поэтому, как правило, выбор ученых и исследователей падает на ксенон. Также рассматривается вариант использования ртути в качестве рабочего тела ионного двигателя

Во время работы двигателя в камере образуется смесь из отрицательных электронов и положительных ионов. Так как электроны являются побочным продуктом, их надо отфильтровать. Для этого в камеру вводится трубка с катодными сетками для того, чтобы она притягивала к себе электроны.

Положительные ионы, наоборот, притягиваются к системе извлечения. После чего разгоняются между сетками, разница электростатических потенциалов которых составляет примерно 1 200 Вольт, и выбрасываются в качестве реактивной струи в пространство.

Схематичное изображение работы ионного двигателя.

Электроны, которые попали в катодную ловушку, должны быть удалены с борта корабля, чтобы он сохранял нейтральный заряд, а выброшенные ионы не притягивались обратно, снижая эффективность установки. Выброс электронов осуществляется через отдельное сопло под небольшим углом к струе ионов. Таким образом, что произойдет в их взаимодействии после покидания двигателя, уже не так важно, ведь они не мешают движению корабля.

Преимущества ионного двигателя для космического корабля

Ионы на выходе из двигателя разгоняются до очень высоких скоростей. В своем максимуме они могут достигать 210 км/с. При этом, химические ракетные двигатели не способны достигать и 10 км/с, находясь в диапазоне 3-5 км/с.

В нашем Telegram-чате все говорят про варп-двигатель, но давайте сначала с ионным разберемся.

Возможность достижения большого удельного импульса позволяет очень сильно сократить расход реактивной массы ионизированного газа в сравнении с аналогичным показателем для традиционного химического топлива. А еще, ионный двигатель может непрерывно работать более трех лет. Энергия, которая нужна для ионизации топлива берется от солнечных батарей — в космосе с этим проблем нет.

Если спешить с ускорением некуда, то ионный двигатель станет отличным вариантом.

Недостатки ионных двигателей

Возможность продолжительной работы ионного двигателя очень важна, так как он не способен развивать высокую тягу и моментально разгонять корабль до больших скоростей. В нынешних реализациях тяга ионных двигателей с трудом достигает 100 миллиньютонов.

Из-за такой конструктивной особенности, как минимум пока, такой двигатель не дает возможности стартовать с другой планеты, даже если у нее очень маленькая гравитация.

Получается, что использование таких двигателей для дальних путешествий пока невозможно без традиционных тяговых установок на химическом топливе. Зато, их совместное использование позволит гораздо более гибко пользоваться ускорением. Например, за счет обычного двигателя разгонять аппарат до более менее высокой скорости, а потом ускоряться еще больше за счет ионного двигателя.

Покорение дальнего космоса без новых технологий невозможно.

По сути, малая тяга на данный момент является главным недостатком таких двигателей, но ученые работают в этом направлении и в перспективе повысят его мощность, так как определенного прогресса удалось добиться уже сейчас.

Еще одной, пусть и не такой существенной, проблемой является надежность. В целом ионные двигатели достаточно надежны, но надо понимать, что их задача заключается в том, чтобы унести аппарат очень далеко и очень быстро. То есть работать он должен долго, чтобы не ставить под удар всю миссию. Поэтому, пока идут работы над увеличением мощности, разработчики стараются не забывать и о надежности.

Где используются ионные двигатели

Вам могло показаться, что ионные двигатели существуют только на бумаге и в лабораториях, но это не так. Они уже использовались, как минимум, в семи завершившихся миссиях и используются минимум в четырех действующих.

В том числе такие двигатели используются в рамках миссии BepiColombo, запущенной 20 октября 2018 года. В этой меркурианской миссии используются 4 ионных двигателя суммарной мощностью 290 миллиньютонов. Кроме этого, аппарат оснащен и химическим двигателем. Оба они в сочетании с гравитационными маневрами должны обеспечить выход корабля на орбиту Меркурия в качестве искусственного спутника.

Космический аппарат BepiColombo.

Использованием этих двигателей не брезгует и Илон Маск в своей программе Starlink, за счет этих двигателей корабль должен совершать небольшие маневры и уклоняться от космического мусора.

Сейчас планируется доставка на МКС ионной тяговой установки, которая позволит управлять положением станции в автоматическом режиме. Ее мощность подобрана исходя из доступной электрической мощности станции. Для большей надежности планируется так же доставка батарей, которые обеспечат 15 минут автономной работы двигателя.

Астрономы открыли новый тип взрывов в космосе

Но самым необычным проектом был ”Прометей”. Корабль в рамках этого проекта планировалось отправить к Юпитеру со скорость 90 км/c. Ионный двигатель корабля должен бал работать от ядерного реактора, но из-за технических трудностей в 2005 году проект закрыли.

Когда изобрели ионный двигатель

При всей перспективности ионного двигателя, первый раз его концепцию предложил еще в 1917 году Роберт Годдард. Только спустя почти 40 лет Эрнст Штулингер сопроводил концепцию необходимыми расчетами.

В 1957 году вышла статья Алексея Морозова под названием ”Об ускорении плазмы магнитным полем”, в которой он описал все максимально подробно. Это и дало толчок к развитию технологии и уже в 1964 году на советском аппарате ”Зонд-2” стоял такой двигатель для маневров на орбите.

Первый аппарат в космосе с ионным двигателем.

По сути, ионный двигатель является первым электрическим космическим двигателем, но его надо было дорабатывать и совершенствовать. Этим и занимались долгие годы, а в 1970 году прошло испытание, призванное продемонстрировать эффективность долговременной работы ртутных ионных электростатических двигателей в космосе. Показанный тогда малый КПД и низкая тяга надолго отбили желание американской космической промышленности пользоваться такими двигателями.

Ученые поймали очередной сигнал из космоса, но теперь он регулярно повторяется

В СССР разработки продолжались и после этого времени. И европейское, и американское космические агентства вернулись к этой идее. Сейчас исследования продолжаются, а выведенные на орбиту образцы двигателей, хоть и не могут быть главным тяговым элементом управления, но зато проходят ”проверку боем”. Собранная информация позволит увеличить мощность ионного двигателя. По разной информации, так удалось увеличить тягу самого мощного подобного двигателя более чем до 5 Н. Если это так, то все действительно не зря.

Компенсация реактивной мощности в электроустановках с генераторами

1. Введение

До сих пор обсуждалась компенсация реактивной мощности в первом и втором квадрантах системы координат. В последнее время всё чаще промышленные предприятия, к примеру, на которых сжигается древесная пыль, используют генераторы с приводом от паровых машин, работающие параллельно сети.

В этой главе рассматриваются технические и экономические аспекты, относящиеся к требуемому коэффициенту мощности или величине реактивной энергии, которая должна оплачиваться. Если генераторы подают активную энергию обратно к поставщику, это означает, что речь идёт о 4-квадрантной работе. При этом возникают новые аспекты, относящиеся к тарификации потребления реактивной энергии. Как показано далее, тариф, требующий обеспечения среднего коэффициента мощности cosφ = 0,9 (отстающий) (см. главу 4), становится некорректным.

Также разъясняется, что понятия «коэффициент мощности» (cosφ) и «реактивная мощность» (Q) характеризуют совершенно разные электрофизические величины. Это можно выразить следующим неравенством:

То есть коэффициент мощности — это отнюдь не то же самое, что реактивная мощность и наоборот.

2. Общие понятия

О планах по вводу в действие генератора (генераторов) необходимо сообщать поставщику электроэнергии, при этом должен заключаться специальный договор. В нём должно быть указано, к какому входу электропитания (если их больше одного) подключается генератор. При этом необходимо строго соблюдать технические требования, предусмотренные национальными или международными регулирующими организациями [1, 2].

Прежде всего, необходимо отметить, что следует отличать постоянно работающие силовые генераторные устройства, подключенные параллельно сети, от аварийных генераторов, например в больницах, которые включаются в случае аварии в сети питания. Аварийные силовые генераторные установки используются в течение короткого времени, в основном до появления напряжения сети. Поэтому такую ситуацию можно исключить при рассмотрении 4-квадрантной работы.

Силовые генераторные установки могут питаться за счёт энергии воды или ветра, от солнечных батарей, ТЭЦ или топливных элементов.

Электрическая энергия может вырабатываться синхронными или асинхронными генераторами, а также генераторами постоянного тока с преобразователями постоянного тока в переменный.

При работе генератора параллельно с сетью имеют большое значение стабильность напряжения, качество напряжения и синхронизация по частоте. Следует принимать во внимание, планируется ли работа без обмена энергией с сетью. Это возможно в основном при использовании синхронных генераторов.

3. Автоматическое управление реактивной мощностью в 4 квадрантах

3.1 Техническая сторона вопроса

На рисунке 1 показаны 4 квадранта системы координат. При работе генераторов могут иметь место 4 режима нагрузки:

• квадрант I — потребление (+) активной и реактивной энергии;
• квадрант II — потребление (+) активной и отдача (-) реактивной энергии;
• квадрант III — отдача (-) активной и реактивной энергии;
• квадрант IV — отдача (-) активной энергии и потребление (+) реактивной энергии.

В квадрантах III и IV генераторы отдают в сеть поставщика активную энергию, которая должна измеряться отдельным киловаттметром. Наибольшее внимание уделяется ситуации в квадранте IV. Асинхронные генераторы могут отдавать активную энергию в сеть, но они потребляют реактивную энергию для намагничивания.

Ситуация в квадрантах I и II хорошо известна. Управление реактивной мощностью осуществляется с помощью автоматического контроллера. Диапазон нечувствительности ограничивается так называемыми пороговыми линиями C/k и вращением вокруг точки нуля системы координат в зависимости от заданного коэффициента мощности.

На рисунке 1 показаны два заданных коэффициента мощности: 0,85 (отстающий) и единичный. Для вектора нагрузки 3 для получения коэффициента мощности около 0,85 (отстающий) достаточно одной ступени батареи, при этом контроллер находится в режиме ожидания. Для получения коэффициента мощности cosφ = 1 контроллер реактивной мощности коммутирует ещё 3 конденсатора.

Если генератор, работающий параллельно, уменьшает потребление активной энергии из сети, векторы остаются в пределах первого или второго квадранта (см. рисунок 2b). Однако если генератор принимает на себя всю потребляемую мощность и даже отдаёт активную энергию в сеть поставщика, векторы переходят в третий или четвёртый квадрант (см. рисунок 2c). Большинство электронных контроллеров реактивной мощности имеют цифровой дисплей, показывающий текущее значение коэффициента мощности. При управлении реактивной мощностью во всех четырёх квадрантах при отдаче мощности генератором может индицироваться неправильное значение коэффициента мощности (см. рисунок 2c). При управлении во всех четырёх квадрантах может индицироваться значение коэффициента мощности от 0 до 1 в первом или третьем квадранте и от 1 до 0 во втором и четвёртом квадрантах. Таким образом, если контроллер пригоден для 4-квадрантной работы, он показывает любое возможное значение в пределах 360° системы координат.

Предполагается, что контроллер реактивной мощности пригоден для работы во всех 4 квадрантах. Необходимо ещё раз подчеркнуть, что текущее значение коэффициента мощности cosφ_а ничего не говорит о текущем значении реактивной мощности Q.

Рис. 1 Управление реактивной мощностью во всех 4 квадрантах

Вектор 4 в квадранте IV на рисунке 1 изображает ситуацию, когда генератор покрывает всё потребление активной мощности и, кроме того, отдаёт в сеть такую же величину. Если бы был задан коэффициент мощности 0,85 (отстающий), контроллер мог бы неожиданно компенсировать до коэффициента мощности 0,85 на опережающей стороне. Диапазон C/k распространяется от первого квадранта через ноль в третий квадрант. Это называется зеркальной характеристикой контроллера. При этом компенсационной батареи оказывается недостаточно для компенсации до 0,85 на опережающей стороне (вектор 6). Для получения заданного коэффициента мощности может понадобиться 7 конденсаторных ступеней. Как известно, при компенсации в емкостной области имеется недостаток, связанный с увеличением напряжения. Многие современные контроллеры реактивной мощности вырабатывают предупредительный сигнал, если имеющихся ступеней недостаточно для получения требуемого высокого значения коэффициента мощности. Получить надлежащее управление реактивной мощностью — не означает задать требуемое значение во втором квадранте, например, 0,9 на стороне опережения, чтобы получить 0,9 на стороне отставания при управлении в четвёртом квадранте (см. рисунок 1). Простейший способ решить эту проблему — задать требуемый коэффициент мощности равным единице (cosφ = 1). При задании такого коэффициента мощности обеспечивается симметричное управление реактивной мощностью во всех 4 квадрантах (векторы 5 и 2). Таким образом, если компенсация реактивной мощности работает во всех квадрантах, ёмкость конденсатора определяется исходя из необходимости получения среднего коэффициента мощности, равного 1 (cosφ = 1).

Напомним, что полная компенсация реактивной мощности экономит активную энергию благодаря снижению потерь в проводниках. Такое решение незаменимо не только с технической точки зрения, но также с экономической. Об этом идёт речь в следующем разделе.

Рис. 2 Неправильные значения коэффициента мощности при 4-квадрантной работе
(трансформатор тока установлен в точке подвода питания)

3.2 Экономическая сторона вопроса

Как было сказано ранее, потребители, имеющие собственные генераторы, обязаны компенсировать реактивную мощность для обеспечения коэффициента мощности, максимально близкого к единице (cosφ_d = 1).

При этом любое стандартное тарифное соглашение по достижению, к примеру, среднего коэффициента мощности 0,9 становится недействительным. Такой стандартизированный контракт принимает, что количество реактивной энергии, равное 48,5% потребления активной энергии, не оплачивается. То есть если потребление активной энергии составляет, к примеру, 1000 кВт·ч в течение расчётного периода, то 485 квар·ч реактивной энергии являются бесплатными.

Естественным желанием потребителей, имеющих генераторы, является снижение потребления энергии до нуля. В результате в конце расчётного периода счёт за энергоснабжение может содержать 0 кВт·ч активной энергии и, к примеру, 17 000 квар·ч потребления реактивной энергии. Разумеется, энергоснабжающая компания не будет поставлять реактивную энергию без оплаты. Во многих электроустановках с генераторами используются асинхронные двигатели, работающие с так называемым отрицательным скольжением. Независимо от того, работает машина в режиме двигателя или генератора, она постоянно потребляет реактивную энергию для намагничивания магнитопровода.

Таким образом, каждый потребитель, намеревающийся снизить потребление активной энергии, особенно если он собирается это делать с помощью генератора (генераторов), обязан при этом полностью компенсировать реактивную энергию, за исключением случаев, когда он заключил специальный договор с энергоснабжающей компанией.

Вышесказанное можно проиллюстрировать на следующем примере.

Пример. Асинхронный двигатель с номинальной мощностью 100 кВА работает в режиме генератора. Его номинальный коэффициент мощности — 0,82 (инд.). Генератор отдаёт в сеть активную энергию, но при этом потребляет реактивную мощность, которую можно рассчитать следующим образом.

cosφ = 0,82, φ = 34,9º, sinφ = 0,572.

Q = 100 кВА · 0,572 = 57,2 квар.

За сутки или 24 часа варметр насчитает 1373 квар·ч или около 41 200 квар·ч за месяц при непрерывной работе генератора, к примеру, на гидроэлектростанции.

При работе с синхронными генераторами потребление реактивной энергии зависит от заданных параметров возбуждения. Они задаются таким образом, чтобы коэффициент мощности был всегда отстающим. При этом реактивная мощность генератора рассчитывается по методике, приведённой выше для асинхронного генератора.

4 Заключение и выводы

Компенсация реактивной мощности во всех 4 квадрантах системы координат в отличие от классической работы в 2 квадрантах из-за наличия параллельно работающих генераторов требует применения совершенно других методов рассмотрения технических и экономических аспектов.

Основной целью компенсации является получение коэффициента мощности, как можно более близкого к единице (cosφ = 1). Исходя из этого должна выбираться компенсационная батарея. Контроллер реактивной мощности должен быть пригоден для работы во всех четырёх квадрантах.

Разумеется, трансформатор тока контроллера должен быть рассчитан также и на реактивный ток генератора (генераторов). Точка подключения питания генератора (генераторов) всегда должна быть обращена к стороне L корпуса трансформатора тока.

Необходимо выполнять все требования местных, национальных и международных нормативных документов.