Нагрузочный блок — это часть электрического испытательного оборудования, используемого для имитации электрической нагрузки , для проверки источника электроэнергии без подключения его к его нормальной рабочей нагрузке. [1] [2] Во время процедур тестирования, настройки, калибровки или проверки нагрузочный блок подключается к выходу источника питания, такого как электрический генератор , аккумулятор , сервоусилитель или фотоэлектрическая система , вместо его обычной нагрузки. Нагрузочный блок представляет источник с электрическими характеристиками, аналогичными его стандартной рабочей нагрузке, при этом рассеивая выходную мощность , которая обычно потреблялась бы им. Мощность обычно преобразуется в тепло с помощью мощного резистора или блока резистивных нагревательных элементов в устройстве, а тепло отводится принудительной системой воздушного или водяного охлаждения . Устройство обычно также включает в себя приборы для измерения, управления нагрузкой и защиты от перегрузки. Нагрузочные блоки могут быть либо постоянно установлены на объекте для подключения к источнику питания при необходимости, либо портативные версии могут использоваться для тестирования источников питания, таких как резервные генераторы и аккумуляторы. Они являются необходимыми дополнениями для воспроизведения, доказательства и проверки реальных требований к критически важным энергосистемам. [2] Они также используются во время работы непостоянных возобновляемых источников энергии, таких как ветряные турбины, для сброса избыточной мощности, которую электрическая сеть не может поглотить. [3]
Нагрузочные батареи используются в различных областях, включая:
Три наиболее распространенных типа нагрузочных банков — резистивные, индуктивные и емкостные. Как индуктивные, так и емкостные нагрузки создают то, что известно как реактивное сопротивление в цепи переменного тока. Реактивное сопротивление — это противодействие элемента цепи переменному току , вызванное нарастанием электрических или магнитных полей в элементе из-за тока, и является «мнимой» составляющей импеданса или сопротивлением сигналам переменного тока на определенной частоте. Емкостное реактивное сопротивление равно 1/(2⋅π⋅f⋅C), а индуктивное реактивное сопротивление равно 2⋅π⋅f⋅L. Единицей реактивного сопротивления является Ом . Индуктивное реактивное сопротивление сопротивляется изменению тока, заставляя ток цепи отставать от напряжения. Емкостное реактивное сопротивление сопротивляется изменению напряжения, заставляя ток цепи опережать напряжение.
Резистивная нагрузочная группа, наиболее распространенный тип, обеспечивает эквивалентную нагрузку как для генераторов , так и для первичных двигателей . То есть, на каждый киловатт (или лошадиную силу ) нагрузки, приложенной к генератору нагрузочной группой, равное количество нагрузки прикладывается к первичному двигателю генератором. Таким образом, резистивная нагрузочная группа отбирает энергию из всей системы: нагрузочная группа от генератора — генератор от первичного двигателя — первичный двигатель от топлива. Дополнительная энергия отводится в результате работы резистивной нагрузочной группы: отходящее тепло от охлаждающей жидкости, потери выхлопных газов и генератора и энергия, потребляемая вспомогательными устройствами. Резистивная нагрузочная группа влияет на все аспекты генерирующей системы.
Нагрузка резистивной нагрузки создается путем преобразования электрической энергии в тепло с помощью мощных резисторов, таких как резисторы сетки . Это тепло должно рассеиваться от нагрузки, либо воздухом, либо водой, принудительным способом или конвекцией .
В испытательной системе резистивная нагрузка имитирует реальные резистивные нагрузки, такие как лампы накаливания и нагревательные нагрузки, а также резистивную или единичную составляющую коэффициента мощности магнитных нагрузок (двигатели, трансформаторы).
Наиболее распространенный тип использует сопротивление провода, обычно с вентиляторным охлаждением, и этот тип часто является переносным и перемещается от генератора к генератору для целей тестирования. Иногда нагрузка этого типа встроена в здание, но это необычно. [4]
Реже используется реостат с соленой водой . Его можно легко изготовить своими руками, что делает его полезным в отдаленных местах.
Для тестирования автомобильных аккумуляторов , углеродный блок нагрузки позволяет устанавливать регулируемую нагрузку на аккумулятор или зарядную систему, что позволяет точно имитировать большую нагрузку на аккумулятор во время запуска двигателя. Такие устройства обычно портативны и могут включать в себя измерение для отображения напряжения и тока. [5]
Индуктивная нагрузка включает в себя индуктивные (с отстающим коэффициентом мощности ) нагрузки.
Индуктивная нагрузка состоит из реактивного элемента с железным сердечником, который при использовании в сочетании с резистивным нагрузочным блоком создает отстающую нагрузку коэффициента мощности. Обычно индуктивная нагрузка оценивается по числовому значению 75% от соответствующей резистивной нагрузки, так что при совместном применении обеспечивается результирующая нагрузка коэффициента мощности 0,8. То есть, на каждые 100 кВт резистивной нагрузки обеспечивается 75 кВАр индуктивной нагрузки. Возможны другие соотношения для получения других значений коэффициента мощности. Индуктивная нагрузка используется для имитации реальных смешанных коммерческих нагрузок, состоящих из освещения, отопления, двигателей, трансформаторов и т. д. С резистивно-индуктивным нагрузочным блоком возможно полное тестирование системы электропитания, поскольку предоставленное сопротивление подает токи в противофазе с напряжением и позволяет проводить оценку производительности генераторов, регуляторов напряжения, переключателей ответвлений нагрузки, проводников, распределительных устройств и другого оборудования. [4]
Емкостная нагрузка или конденсаторная батарея аналогична индуктивной нагрузке по номиналу и назначению, за исключением того, что создаются опережающие нагрузки коэффициента мощности, поэтому реактивная мощность подается от этих нагрузок в систему, а не наоборот. Следовательно, для в основном индуктивной нагрузки это может приблизить коэффициент мощности к единице, улучшая качество питания. Эти нагрузки имитируют определенные электронные или нелинейные нагрузки, типичные для телекоммуникационной, компьютерной или ИБП-промышленности. Люминесцентные лампы также являются емкостными нагрузками.
Комбинированный блок нагрузки обычно состоит из резистивных элементов и индукторов, которые могут использоваться для обеспечения нагрузочного тестирования при неединичном коэффициенте мощности (отстающем), включая возможность полного тестирования генераторной установки при 100% паспортной мощности в кВА. Комбинированные блоки нагрузки включают резисторы и индукторы в одной конструкции, которые могут независимо переключаться для обеспечения только резистивного, только индуктивного или переменного отстающего коэффициента мощности тестирования. Комбинированные блоки нагрузки оцениваются в киловольт-амперах (кВА). Стоит отметить, что комбинированные блоки нагрузки могут также состоять из резистивных, индуктивных и емкостных (RLC). [2]
Обычно для объектов требуются устройства с приводом от двигателя, трансформаторы и конденсаторы. Если это так, то нагрузочные блоки, используемые для тестирования, требуют компенсации реактивной мощности. Идеальным решением является сочетание как резистивных, так и реактивных элементов в одном пакете нагрузочного блока.
Резистивные/реактивные нагрузки способны имитировать двигательные нагрузки и электромагнитные устройства в энергосистеме, а также обеспечивать чисто резистивные нагрузки.
Многие резервные генераторы и турбины должны быть введены в эксплуатацию на паспортной мощности с использованием комбинации резистивной и реактивной нагрузки для полной квалификации их эксплуатационных возможностей. Использование резистивно-реактивной нагрузки позволяет проводить комплексное тестирование с одного блока. Доступен ряд резистивно-реактивных нагрузок для имитации этих типов нагрузок на источнике питания и трансформаторах, реле и переключателях, которые будут распределять питание по всему объекту.
Резистивные/реактивные нагрузочные блоки могут использоваться для тестирования турбин, распределительных устройств, роторных ИБП, генераторов и систем ИБП. Их также можно использовать для комплексного системного тестирования систем защиты подстанций коммунальной сети, особенно для более сложных реле, таких как дистанционное, направленное сверхтоковое, направленное силовое и другие. Резистивная/реактивная индуктивная и/или емкостная нагрузка часто требуется для тестирования солнечных инверторов, чтобы гарантировать, что солнечные панели могут быть остановлены от выработки электроэнергии в случае отключения электроэнергии. Резистивные/реактивные комбинированные нагрузочные блоки используются для тестирования двигатель-генераторной установки при ее номинальном коэффициенте мощности. В большинстве случаев это коэффициент мощности 0,8. [6]
Электронный нагрузочный блок, как правило, представляет собой полностью программируемую конструкцию с воздушным или водяным охлаждением, используемую для имитации твердотельной нагрузки и обеспечения постоянной мощности и тока в цепях для точного тестирования.
Если дизель-электрический локомотив оборудован системой динамического торможения , тормозной резистор может использоваться в качестве нагрузочной батареи для испытания двигательно-генераторной установки.
На электрических железных дорогах старые электровозы, которые больше не требуются для регулярной эксплуатации, иногда преобразуются в мобильные нагрузочные батареи для тестирования оборудования контактной сети и систем распределения электроэнергии. [7]