Современный человек вряд ли может себе даже представить существование без электричества. Тем не менее в жизни бывают ситуации, когда его попросту нет. Еще не подвели на стройплощадку, отключили из-за аварии на линии – вариантов множество, решение одно: использование автономного генератора электроэнергии, который, согласно определению, является агрегатом, преобразующим механическую энергию в электрическую.
Сегодняшний рынок предлагает потребителям автономные генераторы электроэнергии, также нередко называемые автономными электростанциями, на основе бензиновых или дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС), причем первые могут дополнительно оснащаться оборудованием для работы на природном (магистральном) и сжиженном (пропан-бутановой смеси) газе. Сюда же можно добавить газопоршневые агрегаты, правда, в бытовых условиях они встречаются крайне редко. Все подобные устройства предназначены для использования как простой, компактный и мобильный резервный или временный (реже – постоянный) источник электропитания в местах, где централизованное энергоснабжение либо отсутствует, либо является нестабильным, с частыми длительными отключениями.
Несколько проигрывающие дизельным аналогам по долговечности, бензиновые генераторы заметно выигрывают по стоимости самого устройства, однако в ряде случаев дальнейшие эксплуатационные расходы могут свести экономию на нет и даже отправить в минус. Более высокая по сравнению с дизтопливом склонность бензина к возгоранию вынуждает соблюдать определенную осторожность при хранении необходимого запаса горючего, а также в процессе заправки бака. В частности, двигатель агрегата необходимо выключать и принимать определенные меры для предотвращения образования искр – к примеру, работать в перчатках из натуральной ткани. Нужно отметить, что подобные сложности являются не более чем рекомендацией из раздела «Меры безопасности при работе с оборудованием», однако пренебрегать ими не следует.
В остальном же бензиновый генератор будет отлично справляться с возложенной на него задачей, надо лишь четко и правильно ее сформулировать.
Круг решаемых задач
Для начала следует определить сферу использования генератора и примерный список подключаемых к нему устройств: именно от этого напрямую зависят мощность и, как следствие, стоимость агрегата. Будет ли автономная электростанция задействоваться изредка для обеспечения аварийного питания только наиболее важных систем жизнеобеспечения на объекте при отключении централизованного электроснабжения, или ему придется работать как полноценному альтернативному источнику питания всех электрических цепей частного дома, или пользователи выберут некий промежуточный вариант?
Ответ на поставленный вопрос и будет являться решающим при определении выходной электрической мощности генератора. В первом случае, когда от него будут запитаны только несколько контрольных лампочек, одна розетка и, например, компоненты системы водяного отопления на основе любого котла, кроме электрического, высокая мощность не потребуется: достаточно 3–3,5 кВт со всем возможным запасом. Кстати, вопрос подключения современных автоматических отопительных котлов к автономным генераторам, будоражащий умы многих домовладельцев, требует отдельного рассмотрения. Еще несколько лет назад производители однозначно заявляли, что могут более или менее твердо гарантировать работоспособность подобных систем лишь при использовании относительно дорогостоящих электростанций инверторного типа... Впрочем, об этом будет рассказано чуть ниже.
Мощность полноценного альтернативного источника питания, способного полностью удовлетворить потребности объекта в электроэнергии, начинается от 5–6 кВт и до бесконечности, хотя разумным максимумом для большинства случаев жизни (если речь не идет о крупном офисном центре или производственном цехе) можно назвать цифру в 15–18 кВт. К слову, такие агрегаты уже нельзя назвать компактными и легкими, а мобильность в данном случае обеспечивается разве что с помощью автопогрузчика или крана-манипулятора. Здесь уместно напомнить, что до недавних времен (а в некоторых регионах, особенно деревнях, так и до сих пор) так называемая электрическая мощность, выделяемая местными энергосетями для каждого частного дома, составляла не более 5 кВт. Что интересно, ее вполне хватало, чтобы полностью обеспечивать освещение, отопление и водоснабжение в доме (в случае, если вода подается из скважины при помощи насоса), а также работу простейшей бытовой техники и прочих электроприборов. Хотя от использования электрических духовок с грилем и конвекцией, проточных водонагревателей и т. п. мощных потребителей, конечно же, приходилось воздерживаться, сеть не «тянула» такую нагрузку. Как видно, басни особо бойких продавцов о том, что генераторы мощностью менее 10–15 кВт способны лишь шуметь и загрязнять чистый воздух на приусадебном участке, являются откровенной чушью.
Бензиновый инверторный мини генератор Fubag TI 800 на 0,7 кВт (0,8 кВА)
Как бы там ни было, необходимую мощность генератора можно прикинуть самостоятельно. Теоретически достаточно сложить значения потребляемой мощности для всех электроприборов, которые планируется присоединять к электросети, хотя вероятность одновременного включения сразу всех запланированных потребителей, причем «на всю катушку», в реальности довольно невысока.
К получившейся сумме необходимо прибавить минимум 20–30%, и причин тому несколько. Первая – это логичный запас на всякий случай. Вторая имеет отношение к ресурсу работы агрегата: не секрет, что постоянно используемое на пике своих возможностей устройство изнашивается намного быстрее. Третья причина – пусковые токи электродвигателей (например, холодильника, гаражных ворот или кухонного лифта), которые могут в 2–3 раза превышать номинальные значения для этих устройств. Впрочем, их воздействие носит кратковременный характер, и любой синхронный генератор без проблем выдержит такое превышение нагрузки. В конце концов, даже если покупатель автономной электростанции изначально ошибется и выберет агрегат недостаточной мощности, не позволяющий питать сразу все необходимые электроприборы, то никакой катастрофы здесь нет: придется включать эти устройства не одновременно, а по очереди, что на поверку не так уж и страшно. В свою очередь, защиту генератора от возможной долговременной значительной перегрузки возьмет на себя обычный автоматический выключатель («автомат»), имеющийся у всех современных моделей автономных электростанций.
Существует еще и четвертая причина: не вполне понятные большинству людей двойные характеристики потребляемой мощности, указываемые для ряда электроприборов.
Ватты или вольт-амперы?
Из школьного курса физики многие помнят, что электрическая мощность есть произведение напряжения на ток, то есть P=U·A, и измеряется в ваттах (обозначается Вт или W). Но мало кто знает, что это выражение верно исключительно для активной нагрузки, то есть приборов, обладающих только омическим сопротивлением. К подобным устройствам можно отнести осветительные лампы, электроплитки, нагревательные приборы, паяльники, словом, целый ряд используемых в быту потребителей.
В отличие от активной, реактивная нагрузка предполагает несовпадение фаз тока и напряжения, поэтому их произведение становится векторным: получившееся значение необходимо разделить на косинус угла между векторами тока и напряжения, который, как известно, меньше 1, и принимает обычно значение 0,6–0,8. Итоговая формула P=U·A/cosφ и будет определять значение потребляемой мощности для приборов, обладающих реактивной нагрузкой. К ним относятся в основном электродвигатели холодильников, стиральных машин, гаражных ворот и подъемных устройств, а также насосов, практически всех разновидностей электроинструмента, садовой техники и т. п. Простейшие расчеты показывают, что если использовать, например, дрель потребляемой мощностью 1000 Вт, для которой указанный производителем cosφ (маркируется как cos) равен 0,6, то реальная потребляемая этим прибором мощность будет 1000/0,6≈1667 Вольт-Ампер (обозначается как ВА или VA).
Это значение называется максимальной эквивалентной мощностью: именно из-за нее рассматриваемый электроинструмент, будучи подключенным к автономному генератору мощностью 1,0 кВт, может провоцировать периодическое срабатывание защиты от избыточной нагрузки.
И еще один важный момент: обмотки электрических генераторов сами по себе имеют реактивную составляющую с собственным значением cos, который также следует учесть при расчетах. Для той самой киловаттной дрели окончательное значение мощности питающего ее генератора можно получить, разделив максимальную эквивалентную потребляемую мощность инструмента на cos генераторной части электростанции. Если он имеет значение, например, 0,9, то в цифрах это будет P=1000/(0,6·0,9), т. е. чуть более 1850 ВА. По рассмотренным выше причинам многие производители электроприборов, обладающих реактивной составляющей нагрузки, равно как и производители автономных генераторов, дополнительно к мощности в ваттах обязательно указывают ее значение в вольт-амперах.
Сложно? Да, как-то не очень понятно... Между тем все приводимые математические расчеты однозначно и бесспорно свидетельствуют только об одном: пять минут общения со специалистом (пусть даже консультация будет платной) позволят не тратить на них драгоценное время.
Ну а если чуть более вдумчиво изучить существующие предложения на рынке, то можно заметить интересную особенность: большинство выпускаемых моделей автономных переносных генераторов обладают мощностью 5,0–6,5 кВт, или соответственно от 5,5 до 7,1–7,2 кВА. Именно они пользуются наибольшим спросом у владельцев загородных домов, прорабов на стройплощадках, мастеров частных ремонтно-строительных бригад и т. д.
Внутреннее устройство
Основным элементом любой автономной электростанции выступает бензиновый или дизельный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), соединенный с ведущим валом генератора через виброизолирующую муфту, призванную компенсировать взаимную несоосность этих узлов. Именно генераторная часть обеспечивает преобразование механической энергии в электрическую.
Вся конструкция может иметь два варианта исполнения: открытое, при котором все элементы монтируются на раме без использования кожухов, капотов и навесов (такая компоновка характерна для маломощных устройств), и закрытое, предусматривающее наличие защитных кожухов.
Трехфазная дизельная электростанция DS 40 DA ES Fubag открытого исполнения максимальной мощностью 41кВА.
Различаются автономные генераторы и по способу включения: вручную при помощи троса («пускача») или нажатием на кнопку (другой вариант – поворотом ключа) электрического стартера (он работает от аккумулятора), либо автоматически – за счет контроллера, который отслеживает наличие напряжения в сети и при его исчезновении отдает команду на запуск агрегата.
Как бензиновые, так и дизельные электростанции могут быть однофазными, обеспечивающими напряжение 230 В, и трехфазными (400 В). Вторые также имеют один или несколько выходов на 230 В, однако если в хозяйстве нет трехфазных потребителей энергии, то разумнее будет приобрести однофазную модель, которая обойдется заметно дешевле.
Теперь взглянем на генераторную часть, которая может быть синхронной либо асинхронной. У синхронного генератора частота вращения магнитного поля статора равна частоте вращения ротора, выполненного в виде постоянного магнита или электромагнита. Количество полюсов ротора должно быть кратно двум: в бытовых электростанциях обычно используется ротор именно с двумя полюсами, чем и обусловлена частота вращения двигателя электростанции (3000 об/мин).
При запуске электростанции ротор формирует слабое магнитное поле, но с увеличением оборотов повышается значение ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с нее через блок автоматической регулировки (AVR) поступает на ротор, позволяя контролировать стабильность выходного напряжения за счет изменения магнитного поля ротора путем изменения силы тока в его обмотке.
Асинхронный генератор работает в так называемом режиме торможения: ротор вращается в том же направлении, что и магнитное поле статора, но с опережением, нарастающим по мере увеличения подключенной нагрузки. Вращающееся магнитное поле, созданное вспомогательной обмоткой статора, индуцирует магнитное поле на роторе, которое наводит ЭДС в рабочей обмотке статора по аналогии с синхронным генератором. Вращающееся магнитное поле не поддается регулировке и, следовательно, остается неизменным, вследствие чего напряжение и частота на выходе генератора зависят от частоты вращения ротора, определяемого исключительно стабильностью работы двигателя электростанции.
Асинхронные генераторы характеризуются простотой обслуживания и низкой чувствительностью к короткому замыканию, однако эти несомненные достоинства компенсируются целым рядом недостатков. Сюда, в частности, следует отнести постоянное потребление намагничивающего тока значительной силы, что предполагает обязательное наличие источника реактивной мощности (это потенциально проблемный узел), и ненадежность работы устройства по причине нестабильности (подверженности внешним воздействиям) возбуждения асинхронного генератора. Кроме того, имеется уже отмеченная выше досадная зависимость выходного напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя, т. е. фактически от состояния ДВС (с каждым новым моточасом агрегат работает все хуже и хуже) и качества топлива.
Подведем итоги. Синхронные устройства обладают более высоким потенциалом мощности по сравнению с технически сложными, тяжелыми, довольно капризными и относительно дорогостоящими асинхронными аналогами, однако при определенных условиях и способах эксплуатации проигрывают тем по качеству вырабатываемой электроэнергии. И все же в подавляющем большинстве выпускаемых сегодня автономных электростанций применяются именно синхронные генераторы, причем бесщеточные, т. е. с короткозамкнутым ротором. А вот найти сегодня в продаже асинхронный генератор, да еще и в наличии (не под заказ), будет не очень просто.
Бензин, дизтопливо или газ?
Выбирая между бензиновой, дизельной или многотопливной моделью генератора, следует учитывать, что все три разновидности обладают своими особенностями, преимуществами и недостатками. Да, ничего идеального в нашем мире так и не изобрели…
Несомненно, в классе компактного мобильного оборудования для дома и небольших стройплощадок бензиновые электростанции гораздо популярнее дизельных, и вот почему. По сравнению с дизельными аналогами, обладающими сходными характеристиками, бензиновые генераторы обладают меньшими габаритами, массой и, что немаловажно, стоимостью. Максимальная мощность здесь ограничена 15 кВт, правда, в большинстве случаев этого вполне достаточно. Существенным преимуществом рассматриваемых устройств можно считать то, что в холодное время года они запускаются намного легче дизельных и запросто стартуют даже при 20-градусном морозе, в то время как возникновение проблем с дизелем не исключено уже при 5 градусах ниже нуля. Бензиновые генераторы работают тише дизельных и способны функционировать при минимальной электрической нагрузке, в то время как для дизельных электростанций она должна составлять не менее 40% от номинальной.
Бензиновый инверторный генератор Honda EU 30 iS1
К слабым сторонам бензиновых двигателей относят их относительно невысокий ресурс (в пределах 4–5 тыс. моточасов) и необходимость довольно частого проведения технического обслуживания. Допустимое отклонение напряжения на выходе таких электростанций составляет не более 10%, а частоты – до 4% от номинала в 230 В/50 Гц. Кстати, надежность и стабильность работы таких генераторов очень зависят от качества используемого топлива.
Дизельные электростанции, как правило, мощнее бензиновых аналогов таких же габаритов. К примеру, переносные установки данного типа имеют мощность до 25 кВт, а относительно компактные стационарные – до 40 кВт и даже выше. К их неоспоримым достоинствам также относятся более стабильная работа и значительный эксплуатационный ресурс, доходящий до 40 тыс. моточасов, – правда, у наиболее дорогостоящих моделей. Отклонение величины выходного напряжения у дизельных генераторов в среднем составляет всего 1%, частоты – 2,5%, плюс, как уже говорилось, такие устройства менее пожароопасные, чем бензиновые.
Что касается представленных на рынке многотопливных электростанций, способных функционировать на бензине, сжиженном и природном газе, то они фактически являются бензиновыми генераторами, дополнительно оснащенными редуктором для подключения к газовой магистрали или баллону. Неоспоримым преимуществом таких «симбиозов» являются невысокие эксплуатационные расходы: стоимость киловатт-часа электроэнергии в данном случае будет ниже, чем при использовании бензина или дизельного топлива.
В газифицированных районах для автономного энергоснабжения можно использовать электростанции на основе газопоршневых двигателей внутреннего сгорания, работающих на смеси газа с небольшим (в пределах 10%) количеством дизельного топлива. К слову, установки небольшой (до 5 кВт) мощности могут работать даже от баллона со сжиженным газом, подключенного через редуктор. Одним из важнейших преимуществ таких агрегатов по сравнению с бензиновыми и дизельными аналогами является не ограниченное объемом топливного бака время работы при подсоединении к газовой магистрали. Газопоршневые генераторы служат минимум на 25% дольше, чем аналогичные бензиновые и даже дизельные, т. к. при сгорании «голубого топлива» образуется меньше твердых частиц нагара, вызывающих повышенный износ деталей двигателя. Окупаются подобные агрегаты достаточно быстро, что происходит благодаря относительной дешевизне горючего, в качестве которого может применяться природный (магистральный), сжиженный (пропан-бутан), пиролизный, коксовый, попутный или рудничный газ, биогаз и т. д.
Установка и подключение
Подавляющее большинство автономных генераторов предназначены для работы в помещениях, т. к. «боятся» пыли, влажности и морозов ниже 30 °С. Разумеется, их можно использовать как переносные (мобильные) электростанции на стройплощадках и т. п. объектах, однако из-за невысокого класса пылевлагозащищенности (как правило, IP24, но есть и более дорогие модели с IP54) следует соблюдать некоторые меры предосторожности, например, не включать устройство во время дождя. Экстремальные режимы эксплуатации многократно снижают надежность и ресурс любого генератора, поэтому хороший хозяин не установит агрегат в неотапливаемом, грязном и пыльном подвале. Заявляемые диапазоны рабочих температур что-нибудь вроде «от –30 до +50 °С» наверняка реальны, однако производители «забывают» уточнить, как долго устройство прослужит в климатических условиях на границах указанного диапазона. Зато в ремонтной мастерской, где оборудование в скором времени окажется, его владельцу с удовольствием откроют глаза на суровую правду жизни.
Проблема с выхлопными газами от двигателя внутреннего сгорания легко решается при помощи гофрошланга, отводящего их на улицу, а бороться с шумом при работе агрегата можно либо за счет хорошей звукоизоляции помещения, где тот смонтирован, либо попросту установкой электростанции в отдельно стоящей хозяйственной постройке.
Что же касается присоединения генератора к домовой электросети, то здесь все просто. Подключение осуществляется от одной или нескольких розеток на корпусе в зависимости от выходной мощности электростанции и максимальной силы тока, на который рассчитана розетка. При «многорозеточном» варианте провода подключаются к домовому щитку параллельно. Переключение между централизованным электроснабжением и питанием от автономного генератора осуществляется с помощью перекидного рубильника (некоторые модели изначально оснащаются данным приспособлением), полностью исключающего подачу напряжения одновременно от обоих источников: в случае «противотока» электрическая часть генераторов мгновенно выходит из строя. Кстати, для пущей безопасности применяются трехпозиционные рубильники, осуществляющие переключение «через ноль», то есть промежуточное положение, в котором домовая сеть полностью отключается от обоих источников питания. Эти устройства могут быть как ручными, так и автоматическими: автоматика отслеживает наличие напряжения на вводе и в случае его отсутствия в течение заданного времени (обычно это 30–60 секунд) подключает резервную цепь питания с автономным генератором, одновременно отдавая команду на запуск его двигателя. Как только централизованное электроснабжение будет восстановлено, произойдет обратное переключение.
Текст: Алексей Оградилов