Metodologija određivanja elektroenergetskog bilansa operacije Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Sc Velenko Milanović,

pukovnik, dipl. inž. VP 4100, Novi Sad

METODOLOGIJA ODREĐIVANJA ELEKTROENERGETSKOG BILANSA OPERACIJE

UDC: 621.8.037 : 519.6] : 355.42/43

Rezime:

Pored ubojnih i pogonskih sredstava, elektricna energija je treci bitan elemenat ener-gije boja. Proracun i poznavanje elektroenergetskog bilansa jedinice podrazumeva odreliva-nje potreba za elektricnom energijom (izvorima, punjacima, ispravljacima, pretvaracima), omogucuje iznala'enje optimalnih resenja pomocu raspolo'ive opreme i sredstava, a koman-dovanju obezbeUuje donosenje pravovremenih i kvalitetnih odluka i predstavlja bitan faktor borbene gotovosti jedinice. Poznavanje elektroenergetskog bilansa omogucuje odreUivanje autonomnosti jedinica, sto je va'no za planiranje i realizaciju odreUenih zadataka i aktivno-sti. U ovom radu predstavljen je matematicki model za odreUivanje elektroenergetskog bilansa bilo koje jedinice, za sve uslove i zadatke u kojima se moze naci i koje moze izvrsavati. Bilans se moze odrediti sa ili bez upotrebe informaticke opreme sto mu obezbeluje siroku i sve-nivojsku primenu.

Kljucne reci: elektroenergetski bilans, matematicki model, elektricna energija, hemijski izvori struje.

METHODOLOGY OF DETERMINING ELECTRIC ENERGY BALANCE OF OPERATIONS

Summary:

Besides explosives and propulsive devices, electric energy represents the third crucial element of battle energy. Calculation and understanding of electric energy balance of units imply determination of needs for electric energy (sources, chargers, transformers, converters), enable optimal solutions by the help of available equipment and in commanding they provide making timely and high-quality decisions thus representing an important factor of unit combat readiness. Furthermore, knowledge of electric energy balance provides unit autonomy, which is very important in planning and realisation of particular missions and activities. This paper presents a mathematical model for electric energy balance determination for any type of units, all circumstances and missions they may be involved in. The model is applicable with or without use of computers, thus providing its wide and all level-application.

Key words: electric energy balance, mathematical model, electric energy, chemical sources of electric energy.

Uvod

Brzi razvoj tehnike, a posebno elek-trotehnike i elektronike, u poslednjim de-kadama dvadesetog veka, imao je veliki uticaj na kvalitet i nacin naoružavanja i opremanja jedinica Vojske Srbije i Crne

Gore. Elektronika se sa složenih sistema (veze, radarskih, raketnih i drugih) „pre-selila“ do samog vojnika, radi poboljsa-nja njegove efikasnosti i zastite u borbi. Primena elektronike postaje sve masov-nija u naoružavanju i opremanju svih na-sih jedinica, bez obzira na rod, službu i

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3-4/2004.

313

namenu. Da bi naoružanje i oprema bili u neprekidnoj i potpunoj funkciji, neop-hodno je obezbediti neprekidno i kvali-tetno napajanje elektri~nom energijom. Autonomnost jedinica, kao jedan od osnovnih principa u izvrsavanju borbenih i drugih zadataka, nužno nameće potrebu da se, pored planskog obezbedenja uboj-nim, pogonskim i drugim sredstvima, planira i realizuje i obezbedenje elektri~-nom energijom. Da bi se taj zadatak kva-litetno realizovao, potrebno je odrediti elektroenergetski bilans svake jedinice.

Kao i sve druge potrebe, i potrebe za elektri~nom energijom prora~unavaju se po odredenoj metodologiji za svaku jedinicu, odnosno, za izvrsenje odrede-nog mirnodopskog ili borbenog zadatka. U ovom radu prikazana je metodologija odredivanja, odnosno, prora~una elektro-energetskog bilansa operacije.

Autonomne izvore elektri~ne ener-gije ~ine:

- hemijski izvori (akumulatori i gal-vanski elementi),

- mehani~ki izvori naizmeni~ne struje - elektroagregati,

- pretvara~i elektri~ne energije,

- punja~i akumulatora.

Određivanje elektroenergetskog

bilansa

Elektroenergetski bilans na~elno se odreduje za ZTJ i niže jedinice, a može se razmatrati i utvrdivati preko:

- takti~kih parametara (oblik oruža-ne borbe, vid borbenih dejstava, borbeni uslovi, zemljiste, vreme, vreme nepo-srednog u~esća u b/d, dnevni intenzitet upotrebe potrosa~a elektri~ne energije, režim rada na prijemu-predaji, prioritet u elektroenergetskom obezbedenju);

- parametara tehni~kog obezbedenja (zadržavanje jedinice u odredenom rejonu u zoni ili van zone b/d, trajanje premestanja u novi rejon, svijanja i razvi-janja za rad, prikupljanja akumulatora, pripreme akumulatora za punjenje, dotu-ra napunjenih akumulatora, zamene akumulatora u jedinicama);

- tehni~kih parametara (vrsta, broj i autonomija potrosa~a elektri~ne energije, broj osnovnih i rezervnih akumulatora, napon i nominalni kapacitet, koeficijent realnog kapaciteta, struja punjenja, struja prijema i predaje kod radio-uredaja, vreme punjenja, vrsta punja~a i koeficijent iskoristivosti, nepovratni gubici akumu-latora, vrsta i broj galvanskih elemenata, vrsta i broj potrosa~a naizmeni~ne struje, koeficijent jednovremenog rada svih ure-daja - potrosa~a elektri~ne energije).

Obezbedenje operacije elektri~-nom energijom mora, po obimu i kvali-tetu, da odgovara složenosti i zna~aju primene i upotrebe sredstava u uslovima izvodenja operacije. Zbog toga se prora-~unavaju i definisu autonomni izvori elektri~ne energije koji će pokrivati potrebe jedinica u toku izvodenja operacije, uz obezbedenje maksimalne borbene goto-vosti (Kg = 1).

Za prora~un je potrebno poznavati i definisati sve navedene parametre, jer oni uti~u na tok i rezultate prora~una.

Definisani parametri i po~etni uslovi uvode se u matemati~ki model prora~una elektroenergetskog bilansa, koji definisu sledeće relacije:

- instalisana energija svih akumulatora (radnih i rezervnih):

W = 2 cUn [W ]

i=l

314

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3-4/2004.

gde je:

C, - nazivni kapacitet i-te vrste akumula-tora,

U,, - nazivni napon i-te vrste akumulatora, n, - broj akumulatora i-te vrste.

Za izracunavanje ove vrednosti po-trebno je znati brojno stanje akumulatora u svim jedinicama i njihove nazivne po-datke;

- električna energija potrebna za punjenje svih akumulatora u jedinici, iz punjaca:

Wp =Z Wh- [W ]

i=1

gdeje:

I pi - struja punjenja i-te vrste akumulatora, Upi - napon punjenja i-te vrste akumula-tora,

p - vreme punjenja i-te vrste akumulatora, ni - broj akumulatora i-te vrste.

Uzimajući u obzir srednji napon punjenja akumulatora, dolazi se do koefici-jenata punjenja za olovne i alkalne aku-mulatore, aPb = 1,38 i aAl = 1,61, pa se njihovom primenom dobiju sledeće re-lacije:

Wp = aPb WPb - za olovne akumu-latore,

Wp = aAl WAl - za alkalne akumula-

tore;

- električna energija punjenja po danu rata izračunava se po izrazu:

Wd =T~TL‘r [[

Ai

h / danrata I

i=l

Api - autonomija rada i-te vrste akumulatora (h),

tr - broj dana rata (neprekidno angažovanje sredstava u b/d) tr = 10-16 h/dan rata;

- autonomija rada elektronickih uredaja koji su napajani iz akumulatora za sredstva veze:

A = -

nCsV O)

m (1 pred f pred + 1prij f prij )

gde je:

n - broj kompleta akumulatora koji idu uz TMS,

Cstv - stvarni kapacitet,

m — odnos vremena predaje-prijema za

radio-uredaje,

Iped - struja Predaje,

fpral - faktor korekcije potrosnje kapaciteta za

Ipred

Iprij - struja prijema,

fprij - faktor korekcije potrosnje kapaciteta za

Iprij-

Za motorna vozila A = 90 dana za akumulatore veće od 100 Ah i A = 60 dana za akumulatore manje od 100 Ah;

— raspoloživa električna energija akumulatora za vreme upotrebe:

Wr = kW-n = k 2 CtUM [Wh]

i=l

gde je:

k - faktor smanjenja vrednosti nominal-nog kapaciteta:

k = kst kT ksam kod ki <1

gde je:

Wpi - energija punjenja i-te vrste akumulatora (Wh),

kst - koeficijent starosti hemijskog izvora, kT - koeficijent uticaja temperature na hemijski izvor,

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3-4/2004.

315

ksam - koeficijent samopražnjenja hemij-skog izvora,

kd - koeficijent održavanja hemijskog iz-vora,

ki - koeficijent uticaja struje pražnjenja veće od normalne.

Prema iskustvenim podacima vred-nost k kreće se u granicama od 0,7 do 0,85, odnosno, usvaja se:

- k = 0,85 za olovne akumulatore,

- k = 0,70 za alkalne akumulatore;

- ukupna struja punjenja svih akumula-tora, propisana prema vrsti, tipu i raspo-loživom vremenu punjenja:

L = > ь [A]

i=1

gde je:

f- koeficijent za uvećanje el. energije zbog ojacanja (zadaje se u granicama 1- 1,40),

Пр - stepen iskorisćenja punjaca (np = 0,9 - 0,95 za jedan punjac i np = 0,85 za 3 punjaca),

a - faktor povećanja snage elektroagregata u slucaju korisćenja brzih punjaca (1 do 2), b - koeficijent jednovremenosti korisćenja svih punjaca (0,85 do 1), g - verovatnoća nepovratnih gubitaka aku-mulatora, (usvaja se 0,005), t - raspoloživo vreme za punjenje aku-mulatora;

- snaga naizmenicnih elektroagrega-ta podrazumeva snagu potrebnu za napa-janje potrosaca u pokretnim radionicama u StTOd:

- ukupna dnevna struja punjenja po danu rata:

P = Z jin

j=i

Id = > — [A]

^W-

i=i " p

- raspolo'ivo vreme za punjenje:

tp = tz — traz — tpri — td

gde je:

tz - vreme zadržavanja StTOd bez pre-mestanja,

tmz - vreme razvijanja - svijanja StTOd tpri - vreme pripreme izvora za punjenje (0,5 h)

td - vreme dotura napunjenih akumulatora,

— snaga elektroagregata za dnevno punjenje akumulatora:

gde je:

ij - faktor jednovremenog korisćenja svih potrosaca elektricne energije na i-tom TMS,

Pinj - instalisana snaga elektricne energije svih potrosaca na i-tom tehnickom sred-stvu,

j = 1, 2,.... l, broj grupa tehnickih sredsta-va sa ugrađenim potrosacima naizmenic-ne elektricne energije;

— koeficijent gotovosti:

Kg =

1

T

1+T- T T

Pd = fab

WdgWp

nPtP

gde je:

T - ukupno vreme rada radnog i rezer-vnog kompleta,

316

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3-4/2004.

т— vreme koje je uređaj bio bez izvora na-pajanja.

Ako je Kg = 1 (sto se želi postići) onda mora biti t= 0;

- broj akumulatora na dnevnom pu-njenju:

gdeje:

n - ukupan broj TMS, nk - broj akumulatora u radnom kompletu, nr - broj akumulatora u rezervnom kom-pletu,

A - stvarna autonomija (sa radnim i rezer-vnim kompletom),

tr - neprekidno angažovanje sredstava u operaciji (prihvata se 16 h).

Za poznavanje stanja hemijskih izvora struje i za preduzimanje mera za njihovo dovođenje u stanje kada mogu obezbediti koeficijent gotovosti Kg = 1 za sva sredstva koja su na upotrebi u je-dinici, potrebno je da budu dostupni pr-venstveno sledeći podaci:

Pd - snaga elektroagregata za dnev-no punjenje akumulatora,

Wd - elektricna energija punjenja po danu rata,

nd - broj akumulatora na dnevnom punjenju;

- dnevne potrebe pogonskog goriva za elektroagregate:

PGd =Z N (d / r)s (p / r) s [lit]

s=1

gde je:

s = 1, 2, ... t, broj vrsta elektroagregata sa razlicitom dnevnom potrosnjom,

Ns - broj elektroagregata s-te vrste,

(d/r)s - kriterijum za dnevnu potrosnju pogonskog goriva elektroagregata s-te vrste,

(p/r)s - punjenje rezervoara elektroagrega-ta s-te vrste.

Dnevne potrebe pogonskog goriva iz-ražavaju se posebno za motorni benzin i za dizel gorivo. U odnosu na dnevne potrebe pogonskog goriva, u određenom procentu izracunavaju se i kolicine ostalih pogon-skih sredstava po posebnom kriterijumu.

Proracun rezervi akumulatora

S obzirom na veliki broj olovnih akumulatora u svim ZTJ i nepoznavanja njihovog trenutnog stanja, veoma je tesko predvideti mogućnost otkaza i dinamiku zamene. Uzimajući u obzir prosecan vek olovnih akumulatora od 3 godine za for-mirane i 5 godina za suvopunjene, proce-njuju se godisnje potrebe za zamenom od 1/5 do 1/3 postojećih akumulatora (u pr-voj godini realni su i veći otkazi).

Pri planiranju rezervi alkalnih akumulatora potrebno je, pored zanavljanja ,,isluzenih“ akumulatora, uzeti u obzir i postizanje koeficijenta gotovosti Kg = 1.

Potpunije sagledavanje rezervi mo-guće je pomoću „verovatnosnog modela“ određivanja dinamike kretanja rezervi za akumulatore u eksploataciji.

Akumulatori se, pri matematickoj formulaciji problema, razmatraju kao ne-popravljivi uređaji koji se mogu naći u sa-mo dva stanja - ispravnom i neispravnom.

U praksi je dominantan normalni ot-kaz (postepeni otkaz) zbog gubitka kapa-citeta, porasta unutrasnjeg otpora i pove-ćanja samopražnjenja u odnosu na izne-nadne otkaze, kao posledice nepravilnog rukovanja i nepredviđenih događaja, a koji su sastavni deo prakse.

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3-4/2004.

317

Normalni otkazi imaju zakonomerni karakter, pa se njihove pojave, sa određe-nom verovatnoćom, mogu unapred pred-videti.

- verovatnoća bezotkaznog rada akumulatora, tj. verovatnoća da za date uslove eksploatacije i unapred zadato vre-me T neće doći do otkaza, p(t) = P(T>t), odnosno, statisticka velicina p*(t) odre-đuje se prema izrazu:

... N - m(t) 1 m(t) ..

p *(t) =-----— = 1-----— m(t) <N

N N

gde je:

N - ukupan broj rashodovanih akumulatora, m(t) — broj rashodovanih akumulatora u vremenu t.

— verovatnoća otkaza za vreme t defmisana je sa q(t) = P(T <t) i predsta-vlja integralnu zakonitost raspodele, odnosno kumulativnu relativnu ucestalost ot-kaza.

Statisticka velicina q* (t), određuje se prema izrazu:

ЧЧО = m(,)<N

Ucestalost otkaza koja predstavlja br-zinu „opadanja“ pouzdanosti akumulatora

f (t)=-d ili

dt

f *(t)

m( At)

N

gde je m(At) broj rashodovanih akumulatora u jedinici vremena;

— intenzitet otkaza predstavlja se od-nosom:

Kt)

f (t) p(t)

Staticki A*(t) predstavlja broj rasho-dovanih akumulatora u jedinici vremena m(At) prema ukupnom broju akumulatora koji do tog trenutka jos nisu rashodovani:

ЛЧ() = m(A<)

N - m(At)

— statisticko srednje vreme do otkaza, odnosno, srednji vek trajanja, određuje se prema izrazu:

Tsr =— (t1 + t2 + ••• + tn ) =—^ li

i=1

tt je vek trajanja i-tog akumulatora iz po-smatranog skupa od n vrsta, a određuje se prema podacima iz kartona rashodova-nog akumulatora, na osnovu podataka o datumu formiranja i datumu rashodovanja.

Na osnovu kriterijuma da se olovni akumulator može upotrebljavati sve dok mu je kapacitet za 70% veći od naziv-nog, akumulatori su svrstani u pet kate-gorija (tabela).

Ukoliko se u sistemu ne vrsi nika-kva zamena, a s obzirom na pet usvoje-nih starosnih kategorija akumulatora,

Kategorije akumulatora

Kvalitet akumulatora Kategorija Kapacitet Vreme u eksploataciji Kol. Verovatnoća bezotkaznog rada % gubitka radne sposobnosti

Odlican I 0,9 Cn do 2 god. N, 0,92-0,99 (0,95) 0-25

Vrlo dobar II 0,8-0,9 Cn 2-3 god. N, 0,71-0,91 (0,80) 25-50

Dobar Ш 0,75-0,8 Cn 3-3,5 god. N3 0,46-0,70 (0,60) 51-70

Podnošljiv IV 0,70-0,75 Cn 3,5-4,0 god. N4 0,20-0,45 (0,35) 71-90

Za rashod V 0-0,70 Cn > 4 god. N5 <0,20 > 91

318

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3-4/2004.

ukupan broj akumulatora u nekom tre-nutku, određen je izrazom:

No(t) = Z NiP(t 11)

i=1

gde je p(t/t) uslovna verovatnoća da će skup akumulatora, koji su u posmatranom trenutku istroseni u meri koja odgovara verovatnoćip(t), ,,preživeti“ jos vreme t.

Ako je na skupu akumulatora u eks-ploataciji do trenutka т broj zamenjenih akumulatora određen velicinom r(r), tada velicina б(т) = г(т) — г(т—1) predstavlja broj akumulatora koji su zamenjeni u in-tervalu (t, t—1).

Novi akumulatori će se u eksploata-ciji ponasati po istom zakonu verovatno-će kao i akumulatori koji rade od pocet-nog trenutka, samo će doći do vremen-skog pomeranja njihove verovatnoće bez-otkaznog rada za t, odnosno kod njih će se racunati p(t-T).

Ukoliko se popunjavanje (zamena) akumulatora vrsi od trenutka t = 1 do t = t u nekim određenim intervalima ukupan broj ,,preživelih“ akumulatora od novih (zamenjenih) biće određen relacijom:

Nz (t) = ZJ(t)P(t -T

T=1

— ukupan broj „pre'ivelih “ akumulatora u sistemu, vodeći racuna i o onima koji rade od trenutka t = 0, dobija se po obrascu:

N (t) = N0 (t) + Nz (t) =

= No (t) + ^S(t) P(t -t)

T=1

Iz ovog izraza može se izracunati i broj akumulatora koje je potrebno obezbediti za zamenu normalno otkaza-lih akumulatora u intervalu t:

б) = N - No (t) -^S(t) p(t-t)

T=1

Proracun ljudstva potrebnog za aktiviranje suvopunjenih akumulatora u toku mobilizacije

Proracun potrebnog broja izvrsilaca za aktiviranje suvopunjenih akumulatora i postavljanje na motorna vozila može se empirijski proracunati:

Naa =

1 n

ТТа£а<

-? 1 ,-1

T -,

V rad i=1

N

TC

+Noa + Npa + NRE + Nz,

gde je:

Trad - trajanje radova u kojem se vrsi de-konzervacija motornih vozila (m/v),

TAl - vreme potrebno za aktiviranje i postavljanje jednog akumulatora na m/v,

QAi - broj akumulatora i-te vrste koje je potrebno formirati,

NTC - broj ljudi u tehnoloskoj celini koji vrsi prenos akumulatora na mesto formi-ranja i formira akumulatore,

Noa - broj ljudi za odnosenje akumulato-

ra na m/v,

Npa - broj ljudi za postavljanje akumulatora na m/v,

Nre - broj rukovodilaca ekipe,

Nzr - broj zamenika rukovodilaca ekipe.

Trajanje radova (TraJ racuna se po formuli:

T = 2/3T —T - T

x rad mob uzb -1- ш

gde je:

Tmob - vreme mobilizacije, Tuzb - vreme uzbunjivanja,

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3-4/2004.

319

TUO - vreme utovara sredstava ekipe za dekonz. m/v i vreme njenog dolaska do m/v.

Zaključak

U ovom radu prezentiran je mate-maticki model koji je, jednim delom, za-snovan na empirijskim pokazateljima za proracun i odredivanje elektroenerget-skog bilansa za bilo koju jedinicu, uz uvažavanje najbitnijih taktickih i tehnic-kih parametara. Na osnovu dobijenih re-zultata proracuna može se planski pristu-piti elektroenergetskom obezbeđenju je-dinice.

Poznavanje elektroenergetskog bilansa omogućuje komandovanju bolje praćenje ovog vrlo važnog faktora borbe-ne gotovosti jedinice. Prikazani matema-ticki model podrazumeva i primenu auto-

matizacije proracuna i obrade podataka na bilo kom savremenom racunaru, a time i kvalitetniju obradu dobijenih rezul-tata za potrebe odlucivanja po ovoj pro-blematici. Kao problem koji bi trebalo resavati u daljem periodu opremanja i naoružavanja Vojske, nameće se potreba unifikacije izvora za napajanje, a samim tim i opreme za njihovo održavanje, sto bi pojednostavilo rukovanje i osnovno održavanje.

Literatura:

[1] Memisević, V.; Beoković, M.: Hemijski izvori elektricne energije, VIZ Beograd, 1983.

[2] Marcetić, M.: Usavrsavanje održavanja EIEE, Projektni za-datak, TVA Zagreb.

[3] Milanović, V.: Analiza pouzdanosti EIEE, seminarski rad VTA, 1998.

[4] Milanović, V.: Priprema EIEE za eksploataciju u toku mo-bilizacije, seminarski rad VTA, 2000.

[5] Vuksanović, D.: Elektroenergetsko obezbeđenje oklopne brigade, seminarski rad VTA, 1998.

320

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 3-4/2004.