Альтернативная энергетика и энергосбережение
1,487,813
7,532
|
Feral ArtRaz ( Слушатель ) |
| 18 июн 2013 18:34:00 |
Тред №582238
новая дискуссия Дискуссия 391
Несколько раз я упоминал проблему реактивной мощности для инверторов солнечных панелей, но не вдавался вглыбь - на пальцах трудно, а рисовать иллюстрации было лень.
Теперь, готовя "лекции" для своих пацанов-инженеров (да, на картинках - выпустившись из западных универов, они бесподобны в Твиттере, но не могут в уме разделить 111 на 3) нашёл пару.
Как многие из нас знают еще с детсада, синусоиды переменного тока и напряжения, протекая через "чистый" резистор полностью совпадают. Сидя на горшках и поигрывая клеммами старой ламповой УПЗ-70, мы внимали отцу, инженеру-релейщику старой советской школы, тыкающему карандаш в чемодан осциллографа: "Видишь, сынок - на резисторе эти 2 зелёные кривули совпадают без сдвига. А если мы подключим вместо резистора катушечку или моторчик от ёлки, то ... кривуля тока отстаёт от напряжения .. а с конденсатором - ток убегает вперед ". Сынок запомнил, что моторчику или конденсатору оказывается нужна ещё какая-то реактивная мощность и это в принципе нам ненужная, но неизбежная в жизни неприятность.
Можно показать скучный график:
На нём к зелёной линии Р полезной активной мощности в kW (кВт) добавляется красная "неприятность-гадость" Q реактивной в kVAr (кВАреакт) и синяя линия S - это то, что течёт в итоге и греет провода в полных kVA (кВольт-Амперах). Угол сдвига между зелёной и синей линиями и есть знаменитый PF=power factor = cos Фи = коэффициент мощности. Когда моторчиков мало или вообще нет, красная "гадость" мала/отсутствует - наш cos Фи близок к 1 и все счастливы. Когда моторчиков много - зелёная и синяя линии разъезжаются, cos Фи падает до 0,8 или даже жутких 0,6-0,7 (но все помнят, что в военное время, если надо, cos Фи может достигать и 2-х).
Но мне так более близок пример с пивным стаканом:
"Если вы понимаете, как работает пиво - у вас не будет никаких проблем с коэффициентом мощности":
Весь объем стакана в kVA (кВА) - это то, что течёт по проводам. Полезное пиво - мощность в kW (кВт). Ненужная "гадость" реактивной мощности - это бесполезная пена в kVAR (кВАреакт).
Сокращайте пену (повышайте cos Фи до 1,0 = полный стакан пива без никакой пены) и будет вам/нам щастье.
Теперь посмотрим на домашние инверторы солнечных панелей.
Пример №1 (те же зелёные и красные линии, как и в скучном графике):
Электросеть (Power grid) питает нагрузку потребителя (Customer Load) снабжая его 1000 кВт пива и 450 кВАр пены для моторчиков, как меряет счётчик на столбе (Electric Meter). Общий объем стакана 1096 литров кВА, коэффициент мощности PF = 0,912 (вполне хорош) и все довольны.
Пример №2:
Теперь Горыныч и другие "зелёные диверсанты" понаставили солн. панелей на крышах и их инверторов GTI (Grid-Tie Inverter= Инвертор соединения с сетью) аж на 500 кВт и запитывают и свои кондиционэры и холодильники и немножко соседу, если смогут превысить напряжение далёкого трансформатора на столбе. К сожалению, согласно всем нормам IEEE / IEC распределительных сетей, их транзисторные инверторы обязаны выдавать только активную мощность с PF=cos Фи=1,0 и никакой реактивной для поддержки их моторчиков. Электросеть теперь снабжает только 500 кВт пива и те же 450 кВАр пены - в итоге счётчик энергокомпании на столбе с ужасом вдруг видит ухудшение коэффициента мощности до жуткого cos Фи=0,743, что ниже минимум приемлимоего 0,8.
А имея до 2000 Вт панелей на крыше и всего-то 700-1000 Вт домашней нагрузки, эти ребята в солнечный день в теории могут догнать cos Фи до = 0 (причём на 1-й фазе), что оставит энергосистеме одну пену и сведет с ума все её защиты.
Даже больше - учитывая режим включил/отключил холодильников и кондишенов, этот cos Фи может "прыгать" от 0,9 до нуля каждые 5-10 минут.
Вывод:
- применение большинства современных инверторов солн. панелей с фиксированным cos Фи=1 значительно ухудшает работу энергосети своими хаотичными попытками "впрыснуть" в неё только для себя пиво без пены;
- видя это, энергокомпании уже начинают взымать плату за cos Фи с учетом реактивной мощности, что сводит экономику солн. инверторов почти в ноль;
- инверторы с передачей +/- реактивной мощности - это дорогая, но в теории - реальность;
- инверторы, работающие без сети переменного тока просто от батарей могут снизить их износ путём установки конденсаторов на всех моторах и увеличения cos Фи > ближе к 1,0.
Теперь, готовя "лекции" для своих пацанов-инженеров (да, на картинках - выпустившись из западных универов, они бесподобны в Твиттере, но не могут в уме разделить 111 на 3) нашёл пару.
Как многие из нас знают еще с детсада, синусоиды переменного тока и напряжения, протекая через "чистый" резистор полностью совпадают. Сидя на горшках и поигрывая клеммами старой ламповой УПЗ-70, мы внимали отцу, инженеру-релейщику старой советской школы, тыкающему карандаш в чемодан осциллографа: "Видишь, сынок - на резисторе эти 2 зелёные кривули совпадают без сдвига. А если мы подключим вместо резистора катушечку или моторчик от ёлки, то ... кривуля тока отстаёт от напряжения .. а с конденсатором - ток убегает вперед ". Сынок запомнил, что моторчику или конденсатору оказывается нужна ещё какая-то реактивная мощность и это в принципе нам ненужная, но неизбежная в жизни неприятность.
Можно показать скучный график:
На нём к зелёной линии Р полезной активной мощности в kW (кВт) добавляется красная "неприятность-гадость" Q реактивной в kVAr (кВАреакт) и синяя линия S - это то, что течёт в итоге и греет провода в полных kVA (кВольт-Амперах). Угол сдвига между зелёной и синей линиями и есть знаменитый PF=power factor = cos Фи = коэффициент мощности. Когда моторчиков мало или вообще нет, красная "гадость" мала/отсутствует - наш cos Фи близок к 1 и все счастливы. Когда моторчиков много - зелёная и синяя линии разъезжаются, cos Фи падает до 0,8 или даже жутких 0,6-0,7 (но все помнят, что в военное время, если надо, cos Фи может достигать и 2-х).
Но мне так более близок пример с пивным стаканом:
"Если вы понимаете, как работает пиво - у вас не будет никаких проблем с коэффициентом мощности":
Весь объем стакана в kVA (кВА) - это то, что течёт по проводам. Полезное пиво - мощность в kW (кВт). Ненужная "гадость" реактивной мощности - это бесполезная пена в kVAR (кВАреакт).
Сокращайте пену (повышайте cos Фи до 1,0 = полный стакан пива без никакой пены) и будет вам/нам щастье.
Теперь посмотрим на домашние инверторы солнечных панелей.
Пример №1 (те же зелёные и красные линии, как и в скучном графике):
Электросеть (Power grid) питает нагрузку потребителя (Customer Load) снабжая его 1000 кВт пива и 450 кВАр пены для моторчиков, как меряет счётчик на столбе (Electric Meter). Общий объем стакана 1096 литров кВА, коэффициент мощности PF = 0,912 (вполне хорош) и все довольны.
Пример №2:
Теперь Горыныч и другие "зелёные диверсанты" понаставили солн. панелей на крышах и их инверторов GTI (Grid-Tie Inverter= Инвертор соединения с сетью) аж на 500 кВт и запитывают и свои кондиционэры и холодильники и немножко соседу, если смогут превысить напряжение далёкого трансформатора на столбе. К сожалению, согласно всем нормам IEEE / IEC распределительных сетей, их транзисторные инверторы обязаны выдавать только активную мощность с PF=cos Фи=1,0 и никакой реактивной для поддержки их моторчиков. Электросеть теперь снабжает только 500 кВт пива и те же 450 кВАр пены - в итоге счётчик энергокомпании на столбе с ужасом вдруг видит ухудшение коэффициента мощности до жуткого cos Фи=0,743, что ниже минимум приемлимоего 0,8.
А имея до 2000 Вт панелей на крыше и всего-то 700-1000 Вт домашней нагрузки, эти ребята в солнечный день в теории могут догнать cos Фи до = 0 (причём на 1-й фазе), что оставит энергосистеме одну пену и сведет с ума все её защиты.
Даже больше - учитывая режим включил/отключил холодильников и кондишенов, этот cos Фи может "прыгать" от 0,9 до нуля каждые 5-10 минут.
Вывод:
- применение большинства современных инверторов солн. панелей с фиксированным cos Фи=1 значительно ухудшает работу энергосети своими хаотичными попытками "впрыснуть" в неё только для себя пиво без пены;
- видя это, энергокомпании уже начинают взымать плату за cos Фи с учетом реактивной мощности, что сводит экономику солн. инверторов почти в ноль;
- инверторы с передачей +/- реактивной мощности - это дорогая, но в теории - реальность;
- инверторы, работающие без сети переменного тока просто от батарей могут снизить их износ путём установки конденсаторов на всех моторах и увеличения cos Фи > ближе к 1,0.
Отредактировано: Feral ArtRaz - 21 июн 2013 10:28:59
ОТВЕТЫ (7)
|
ЮВС ( Слушатель ) |
| 18 июн 2013 20:35:49 |
Вопрос первый:
А если мы подключим инвертор до счетчика?
Вопрос второй:
А если мы при этом отключим основной источник?
Вопрос третий:
...
|
|
Feral ArtRaz ( Слушатель ) |
| 19 июн 2013 10:02:16 |
Цитата: ЮВС от 18.06.2013 20:35:49
1. Ваш счётчик, подключенный после инвертора разумеется теперь покажет cos Фи=0,912, как в 1-м примере. Но этого никто не делает - инвертор панелей всегда стоит "внутри дома" за входным автоматом и 2-направленным счётчиком, чтоб считать кВты, переданные соседу по улице при благоприятных моментах напряжения.
Энергокомпанию же интересует только их счётчик на далёком столбе.
2. Большинство "сетевых" инверторов (GTI) в случае исчезновения сети мгновенно отключаются, т.к. именно от сети они получают синхронизацию своей синусоиды. Ещё важный момент - безопасность. Представьте, Вы живёте в Маклине и утром уехали на работу в город, оставив панели и инвертор работающими. Монтёры-электрики решили заменить изолятор на вашей улице и отключили трансформатор на столбе, чтоб обесточить линию. А тут Вы им "в спину" бьете 240В своего инвертора - закопав под столбом убитого электрика, думаете они будут ждать, пока вы вернетесь с работы вечерком, чтоб выразить восхищение?
Для работы "сетевого" инвертора в "автономном" режиме (Stand-Alone) без сети надо во-первых иметь такой тип инвертора с "самогенерацией" и во-вторых получать спец. разрешение от Энергосбыта и ставить спец. Automatic Transfer Switch (автоматический переключатель - контактор), отделяющий линию на улице от Вашего дома при исчезновении сети.
3. Дайте угадаю - Как же инвертор, способный производить вроде бы только активную мощность при cos Фи=1,0 крутит от батарей мотор насоса на даче с cos Фи=0,7 ? Кстати, отличный и популярный вопрос. Не вдаваясь глубоко, тут так:
- такой инвертор не "снабжает" мотор реактивной пеной - он её "терпит" своими диодами, шунтирующими транзисторы. Диоды замыкают цепь реактивной мощности, когда напряжение уже в плюсе, а ток, оставая, всё ещё "тащится" сзади него в минусе:
такие диоды часто встроенны в корпус силового транзистора IGBT инвертора (VD1 стоит внутри VT1 и.т.д.)- отсюда объяснение удивленному "Вроде нагрузил всего-то маленький насос, а радиаторы инвертора горячие, как чёрт .."
- мощность инвертора при этом падает > типа инвертор с этикеткой на 1000 Вт может выдать только 700 Вт при нагрузке с cos Фи=0,7
- ток от батарей он при этом берёт на все 1000 Вт;
- надо всегда учитывать ~7-кратный пусковой ток мотора - т.е. 1000 Вт инвертор не надо грузить мотором больше чем
1000/7= 140 Вт;
- если нагрузкой инвертора является импульсный блок питания компа/ТВ, то там коэф. перегруза ~3 из-за пульсирующего тока входных выпрямителей - т.е. 1000 Вт инвертор лучше не грузить компом более 330 Вт.
Есть уже масса схем инверторов с дополнительными транзисторами, коммутирующими в нужный момент встроенную катушку и отправляя её реактивную энергию в нагрузку, причем в +/- полярности. Но они пока в лабах (?) и их выход на рынок пока запрещают стандарты.
|
Еху ( Слушатель ) |
| 19 июн 2013 12:16:23 |
Мое восхищение, сударь! Мой плюс Вам легковесен. Но он искренний. Хотел раньше - отвлекли.
|
|
ЮВС ( Слушатель ) |
| 23 июн 2013 23:41:42 |
Что-то Вы мне все шаблоны порвали.
Долго формулировал вопрос, но это к лучшему - берем вопрос в простейшем варианте.
С батареей шутки плохи: там ток постоянный, следовательно вся забираемая от нее мощность активная. Тогда:
на входе в инвертор мы имеем потребление активной мощности в 1000 Вт; в нагрузку же он выдает только 700 Вт.
Вопрос - куда делись остальные 300?
(Не будем забывать, что максимальная мощность, рассеиваемая собственно инвертором, не превышает 5 % номинала; для данного случая - 50 Вт)
|
|
Feral ArtRaz ( Слушатель ) |
| 27 июн 2013 12:19:45 |
Цитата: ЮВС от 23.06.2013 23:41:42
Извиняюсь за задержку - был в отъезде. С активными P, реактивными Q и полными мощностями S простое арифметическое сложение / вычитание не работает - там всё-таки прямоугольный сине-красно-зелёный треугольник с углом Фи, как на "скучном" графике выше.
Возьмём из гаража простой 2-х обмоточный моторчик "Crompton" 2-EDA71MR с конденсаторным пуском и асинхронной работой (как в дачных насосах и.т.д.) :
- 250 Вт, 4 полюса, 1420 об/мин, при 230В берёт 2,8 А или 644 ВА (вольт-ампер);
- к.п.д. -> при полной мощности 60%, при половине - 52%
- cosФ -> при полной мощности 0,64, при половине - аж 0,44 (!!)
250Вт на этикетке - это мех. мощность на валу. С учётом к.п.д. активная мощность от электросети > 250 / 0,6 = 417 Вт (чистое пиво).
Согласно жуткому cosФ=0,64, там добавляется ещё ~ 500 ВАреакт пены
и активная мощность разъезжается с полной аж на ~50 град.
417 Вт + 500 ВАр явно не равны при простом сложении реальных 644 ВА полной мощности (чёртов треугольник с углом в 50 град).
Не говоря о том, что для запуска такого мотора (когда мощности "разъезжаются пусть и на 2-3 сек, но на все 90 град. при пуске) нужен будет инвертор аж в ~ 417 x 7 = 3000 Вт на этикетке.
Можно грубо и не вдаваясь в многоразнообразие схем всех инверторов на рынке, вроде этого:
сказать, что:
- инвертор со своим к.п.д. в ~ 90% на таком моторе возьмет от батарей наши 644 ВА / 0.9 = ~715 Ва энергии;
- Кратко ответ на Ваш вопрос -> при этом транзисторы инвертора "подадут" эту энергию батарей на мотор, тот её "испортит" своей индуктивностью и встроенные диоды рассеют это как тепло радиаторов? Отсюда и лишние потери.
Остаётся только добавить, что мотор от того же "Crompton" типа 2-TDA71MK с такими же 250 Вт на валу, но! встроенными конденсаторами компенсации реакт. мощности при cosФ=0,98 и минимум пены потребляет всего 1,7 А c вместо 2,8А своего собрата.
|
|
ЮВС ( Слушатель ) |
| 28 июн 2013 12:03:01 |
Теперь шаблон съехал окончательно.
1. Мотор "портит" активную энергию своей индуктивностью - то-есть превращает ее в реактивную? Или портит как-то иначе?
2. Встроенные диоды рассеют "это" - что "это" - реактивную энергию? - "как тепло" - но тепло - это активная энергия. И более того - Вы уверены, что диоды киловаттного преобразователя смогут рассеять 300 ватт тепловой мощности? А если мы подключим преобразователь к чисто индуктивной нагрузке?
|
krabus ( Слушатель ) |
| 28 июн 2013 14:53:40 |
....Рискну навлечь на себя беду и быть прибитым тапками, но у меня по этому вопросу возникли некоторые соображения. Сразу говорю - это просто мысли скажем так, не вполне профи.... Поэтому и рассчитываю на некоторое снисхождение.Цитата: ЮВС от 28.06.2013 12:03:01
Если посмотреть на схему выходных ключей инвертора, приведённую камрадом Feral ArtRaz в сообщении http://glav.su/forum…msg1853186, то можнопредположить, что в момент запирания ключевых ранзисторов одного плеча, на индуктивности нагрузки, включенной в диагональ моста возникает некоторая ЭДС самоиндукции,которая, когда достигнет и превысит напряжение источника питания, через диоды ключевых транзисторов начнёт уходить в источник питания.(Правда, у уважаемого камрада в схеме стоит диод Dpv, который не даст этому случиться.Но зато ЭДС самоиндукции в этом случае может достичь величин, опасных для ключевых транзисторов из-за возможности их электрического пробоя. Поэтому после диода Dpv нужно поставить конденсатор большой ёмкости.) А поскольку внутренне сопротивление источника сильно меньше дифференциального сопротивления диодов, то на диодах выделится некоторая мощность. Вполне активная. При следующей коммутации ключевых транзисторов произойдёт то же самое,только через другую пару диодов. Установив параллельно индуктивности конденсатор соответствующей ёмкости мы получим вообще картинку супер-класс:
Вот таким образом мы и сбережём альтернативно выработанную энергию!))))))
ЗЫ: В радиопередающей аппаратуре очень зорко следят за согласованием антенны с оконечным усилителем мощности. Если антенна не настроена что-то типа как мы сейчас настраиваем двигатель, то на усилитель мощности возвращается, не "пожелав" излучиться в эфир столько энергии,что аноды выходных ламп могут раскалиться до бела, а то и вообще расплавиться!
UPD: Кстати,я вот подумал......а если в транзисторах коммутатора находятся не просто обычные, хотя и скоростные диоды,а именно СТАБИЛИТРОНЫ,то в приведённомм выше случае для защиты транзисторов от перенапряжений в момент коммутации шунтирование коммутатора конденсатором большой ёмкости НЕ ОБЯЗАТЕЛЬНО. Импульс ЭДС самоиндукции ,достигнув напряжения пробоя стабилитрона, рассеется именно на нём, причем выделит МНОГО тепла. Так что коммутатор всё же лучше блокировать ёмкостью - тогда часть энергии ЭДС самоиндукции сохранится в нём, так и не достигнув напряжения пробоя стабилитрона, и пойдёт в нагрузку при следующем такте.