В статье рассматриваются основные режимы работы системы накопления энергии и последующей передачи её в электрическую сеть при пиковых нагрузках в сети и в случае кратковременных сбоев в основной сети электроснабжения. Режимы работы системы двигатель-генератор супермаховиков существенно отличаются от режимов работы обычного двигателя или генератора.

Основные требования для электроприводов супермаховиков, это обеспечение раскручивания массивного маховика до очень высоких, от десятков тысяч оборотов в минуту и выше. Кроме того, необходимо обеспечить передачу электрической энергии в сеть при пиковых нагрузках. Если энергия передаётся не в сеть, а другим потребителям или механизмам, то нужно обеспечить необходимую мощность и энергию на выходе при снижении оборотов маховика.

Механическая передача энергии от электродвигателя маховику через ремённую, цепную передачу или редуктор при очень больших оборотах и линейных скоростях оказалась недостаточно надежной, поэтому предпочтение отдаётся электродвигателям, которые находятся на одном валу с маховиком, что позволяет также уменьшить потери в передаточном звене. Желательно, чтобы одна машина электрического привода выполняла функции разгонного двигателя маховика и электрического генератора для выработки и передачи полученной электрической энергии.

Вся система накопления и передачи энергии с супермаховиком должна обеспечить:

• разгон маховика до заданной максимальной скорости при поступлении избыточной энергии;
• поддержание постоянных высоких оборотов в рабочем режиме;
• использование по мере необходимости накопленной энергии маховика для получения электрической энергии;
• достаточно быстрое и своевременное переключение машины электропривода с двигательного в генераторный режим и обратно;
• если маховичный накопитель энергии работает совместно с электрической сетью, необходимо обеспечить согласование электрической энергии генератора с электрической сетью, как по частоте, так и по фазе при снижении оборотов маховика;
• обеспечение стабильного выходного напряжения системы энергоснабжения при изменяющейся нагрузке у потребителя и оборотах маховика;
• система защиты и контроля должна обеспечить своевременное и безопасное отключение при чрезмерных нагрузках и аварийных ситуациях.

Режим разгона маховика во много раз дольше обычного пускового режима электродвигателя. Время необходимо для постепенного раскручивания массивного маховика до максимальных для данного привода рабочих оборотов, чтобы накопить нужное количество энергии. В пусковом режиме обычный электродвигатель в течении короткого времени потребляет примерно в 5-7 раз больше энергии, чем в рабочем режиме. Для того, чтобы двигатель не перегрелся при раскручивании маховика, необходимо добавить систему регулирования, чтобы ток в режиме разгона маховика не намного отличался от номинального. Чтобы обеспечить такой режим, нужно принимать меры, для облегчения длительного пускового режима. Нужен не только подходящий электродвигатель, но и специальная система управления режимом двигатель-генератор.

После разгона до необходимых оборотов маховик должен работать длительное время, до тех пор, пока не понадобится его энергия. В этом режиме потребление энергии электродвигателем невелико.

Режим разгона маховика и накопления в нем энергии должен включаться только в том случае, когда основной источник электроэнергии способен выдавать больше энергии, чем используют основные потребители. При увеличении потребления электрической энергии сетью режим разгона маховика нужно своевременно отключать, даже если он и не набрал максимальных оборотов, а электропривод маховика должен перейти в режим генератора электрической энергии.

Режим генератора электропривода маховика применяется, когда необходимо использовать накопленную маховиком энергию. В некоторых случаях энергию маховика используют для получения механического усилия, например, в прессах, или короткого электрического импульса. При этом на маховик действует большая тормозящая движение сила, на которую должна быть рассчитана прочность конструкции. Если электрическое сопротивление нагрузки постоянное, то в начальный момент величина тока будет наибольшей, а затем будет снижаться по мере уменьшения скорости вращения генератора.

При работе накопителя энергии совместно с электрической сетью маховик должен отдавать такое количество энергии, которое необходимо для потребителей. Для этого генератор и все элементы системы должны быть рассчитаны на соответствующую мощность. Обороты маховика снижаются тем быстрее, чем больше он отдаёт энергии в генераторном режиме. При снижении оборотов маховика, изменяется частота переменного тока, вырабатываемого генератором. Поэтому недопустимо подключать генератор непосредственно в электрическую сеть.

Поддержание необходимой ЭДС можно обеспечить за счёт управления обмотками возбуждения, но это увеличивает тормозящий вращение момент и снижает обороты электрогенератора. Различные варианты обеспечения такого режима работы зависят от того, какой двигатель-генератор используется, и какая схема электропривода применяется для этих целей.

Для обеспечения таких режимов необходимы специальные двигатели-генераторы, дополнительное оборудование, например, преобразователи частоты, а также сложные системы управления, согласования и защиты энергосистемы накопления и передачи энергии.