Особливості енергетики вентильних електроприводів

4.2 Особливості енергетики вентильних електроприводів

Для регулюємих електроприводів найбільш загальним і ефективним шляхом вирішення проблеми енергозбереження на даному етапі є використання вентильних перетворювачів. При використанні сучасних напівпровідникових пристроїв – тиристорів, транзисторів в різноманітних виконаннях, ККД перетворювачів достатньо великий. Так для тиристорного перетворювача з m – фазною схемою випрямлення, в якій на інтервалі провідності обтікаються струмом n послідовно увімкнених вентилів його можна оцінити за допомогою співвідношення:

 (4.2.1)

де - ККД силового трансформатора, який забезпечує потенціальну розв'язку силових ланцюгів електропривода та обмеження струмів короткого замикання при пробоях тиристорів. - падіння напруги на вентилі;  - номінальна вихідна напруга перетворювача.

Якщо з достатнім запасом прийняти , то для мостової схеми перетворювача (n=2) при U₁=380 В і U_т.п.ном=440 В ККД керованого випрямляча складе:

Те ж значення отримаємо і для перетворювача з нульовою схемою випрямлення (n=1), Але при тій же напрузі живлення номінальна напруга перетворювача в 2 рази менша. Для трансформаторів 10 – 1000 кВт значення ККД лежать в межах 0,95 – 0,98, тобто:

Доцільно співставити з електромашинним перетворювальним агрегатом для системи генератор – двигун – його ККД при потужності 1000 кВТ складе:

Таким чином, в цьому випадку заміна системи генератор – двигун системою тиристорний перетворювач – двигун дозволяє економити близько 7% споживаної енергії і знизити втрати в перетворювальному агрегаті приблизно в 3 рази. Це суттєве підвищення енергетичної ефективності електропривода.

Але оцінку енергетичної ефективності вентильних електроприводів на основі обліку втрат в перетворювальному агрегаті необхідно доповнити оцінкою негативних властивостей вентильних електроприводів, пов'язаних з дискретним принципом перетворення і регулювання напруги перетворювачів. Ці особливості реалізуються в двох головних напрямках – всередині електропривода в результаті впливу форми струмів і напруг, які формує перетворювач, на роботу двигуна і в системі електропостачання в результаті впливу споживаних перетворювачем струмів на роботу живильної мережі.

Основу сучасної перетворювальної техніки складають тиристори з природною комутацією. При природній комутації реалізується максимальна простота схемотехніки, відсутність перенапруг, мінімальна маса, габарити і вартість перетворювачів.

Напруга і струм, які формує перетворювач з природньою комутацією для фази асинхронного двигуна в системі перетворювач частоти – асинхронний двигун визначається пульсністю перетворювача m, кутом регулювання α, ЕРС обертання в навантаженні е і індуктивністю силового ланцюга двигуна L. Напруга навіть при формуванні постійного струму періодичну несинусоїдальну залежність з періодом . Як наслідок струм, який протікає в навантаженні, містить пульсації відносного заданого значення, яке збільшується при збільшенні кута регулювання α. Якщо індуктивність силового ланцюга невелика, пульсації струму значні і при зменшенні його середнього значення струм стає уривчастим. Так в системі НПЧ – АД при m=3 зона уривчастого струму відповідає зміні навантаження двигуна і відповідно, струму статора в межах від холостого ходу до (0,6 – 0,8)І_1ном , при m=6 вона знижується і практично проявляється лише на холостому ході.

Корисну роботу електропривода визначає середній момент, тобто перша гармоніка струму двигуна змінного струму. Пульсації струму при потрібному моменті створюють додаткові втрати в опорах якірного ланцюга, викликають додатковий нагрів двигуна, тому повинні обмежуватись на допустимому рівні. Режим уривчастого струму і моменту двигуна для швидкодіючих приводів з преціозним регулюванням швидкості може викликати недопустиму нерівномірність руху двигуна механізма. В цьому та іншому випадку знизити пульсації струму та обмежити уривчастого струму можна шляхом введення згладжую чого реактора або вибором тиристорного перетворювача більшої пульсності. Згладжуючий реактор – простіше і дешевше рішення, але додаються втрати в його обмотці, перетворювач з великим m гарний, але досить дорогий. Якщо маємо справу з проектуванням системи НПЧ – АД, необхідно враховувати, що введення згладжуючого дроселя в кожну фазу двигуна в номінальному режимі може потребувати збільшення номінальної напруги перетворювача та інші аналогічні ефекти.

Для електроприводів середньої і великої потужності головні енергетичні проблеми лежать в сфері взаємодії електропривода з живлячою мережею і в багатьох випадках на вибір системи електропривода виявляють вирішальний вплив її показники якості енергоспоживання. Дискретний фазо – імпульсний принцип управління тиристорними перетворювачами, несинусоїдальність напруги і струму навантаження викликають зсув споживаного із мережі струму і спотворення його форми. Якщо якимось шляхом визначити (наприклад, виміряти) споживану із мережі активну потужність Р, діюче значення споживаного із мережі струму І₁ і напруги мережі U₁, можна проаналізувати складові енергоспоживання вентильного електропривода.

Повна потужність (максимальна активна потужність, яку споживав би електропривод при даних І₁ та U₁, якщо б не було зсуву і спотворень):

 (4.2.2)

Активна потужність являє собою середнє значення миттєвої потужності за цикл:

 (4.2.3)

де u₁ і i₁ – миттєві значення напруги і струму.

Повна реактивна потужність обумовлена наявністю зсуву у вищих гармоніках струму:

 (4.2.4)

Реактивна потужність зсуву:

 (4.2.5)

де Т – реактивна потужність спотворення, обумовлена взаємодією джерела ЕРС мережі з вищими гармоніками струму.

На жаль, по відомим значеннях Р, І₁ та U₁ визначити окремо складові повної реактивної потужності не вдається. Для перетворювача постійного струму (в тому числі і в схемі перетворення частоти з ланкою постійного струму) можна оцінити кут зсуву першої гармоніки струму відносно напруги:

 (4.2.6)

де α – кут регулювання, γ – кут комутації вентилів.

Якщо прийняти напругу синусоїдальною, реактивна потужність зсуву визначається лише першою гармонікою струму. При цьому:

 (4.2.7)

Звідси:

 (4.2.8)

При необхідності по відомій активній потужності можна визначити активну складову основної гармоніки струму:

, (4.2.9)

а далі ефективне значення основної гармоніки струму:

 (4.2.10)

При несиметричному навантаженні фаз виникає додаткова складова реактивної потужності – потужність несиметрії, яку вважаючи перетворювач симетричним, не враховуємо.

Розглянуті складові дозволяють дати визначення відповідних коефіцієнтів, які характеризують якість енергоспоживання. Коефіцієнт потужності:

 (4.2.11)

Коефіцієнт зсуву характеризує співвідношення між активною потужністю і реактивною потужністю зсуву:

 (4.2.12)

Коефіцієнт спотворень:

 (4.2.13)

Для розглядаємих симетричних перетворювачів його можна визначити відношенням основної гармоніки струму мережі до його діючого значення:

К_с=І₁₍₁₎/І₁ (4.2.14)

 

Коефіцієнт потужності характеризує ефективність енергоспоживання електропривода – ступінь використання повної потужності, яка завантажує мережу, і може бути виражений через складові енергетичні коефіцієнти:

К_м=К_з·К_с (4.2.15)

а при наявності несиметрії енергоспоживання по фазах:

К_м= К_з·К_с·К_н (4.2.16)

де К_н= - коефіцієнт несиметрії.

Таким чином, вентильні перетворювачі негативно впливають на роботу живильної мережі. При низьких значеннях коефіцієнта потужності електропривод завантажує мережу реактивним струмом основної гармоніки, яка несе активну потужність електроприводу і наповнює мережу циркуляцією струмів вищих гармонік. Ці реактивні струми, протікаючи по опорах живильної мережі викликають додаткові втрати активної потужності, а вищі гармоніки струму при збільшенні числа і потужності вентильних електроприводів здатні викликати недопустимі спотворення напруги мережі, які порушують нормальну роботу інших споживачів. При переході до масового використання в промисловості вентильних електроприводів в сфері електропостачання виникли і інші проблеми, обумовлені вищими гармоніками струму резонансні явища в батареях конденсаторів, які раніше успішно використовувались для компенсації реактивної потужності. В результаті резонанса збільшується вихід із ладу конденсаторів. Це вимагало переходу до використання фільтро – компенсуючи пристроїв, кожний ланцюг яких містить послідовно з'єднані батареї конденсаторів і індуктивності з на лаштуванням даного ланцюга фільтра на певну найбільш суттєву вищу гармоніку струму.

Припустимо, здійснюється вибір системи для потужного електропривода постійного струму із двох варіантів – використовуємо, але застарівши система Г – Д і сучасна система ТП – Д.

З давніх пір до теперішнього часу для збудження генераторів використовують силові реверсивні магнітні підсилювачі – пристрої прості, надійні, але недосконалі. Низький ККД (близько 35%), великі габарити, невисокий коефіцієнт підсилення і ряд інших недоліків не дозволяють реалізувати потрібну швидкодію привода, реальний коефіцієнт форсування процесів збудження генератора α_{ф max}≤ 2. В останні роки вони знімаються з виробництва, тому в замінюваній системі в якості збуджувача генератора вже використовують реверсивний тиристорний перетворювач і обмотку збудження синхронного двигуна, яка раніше підключалась до некерованого джерела, забезпечили для цілей автоматичного регулювання нереверсивним тиристорним збуджувачем. Вибір коефіцієнта форсування і α_ф≤10 і використання мікроелектроніки в системі управління забезпечує швидкодію і точність системи Г – Д на рівні, що не поступається системі ТП – Д. При цьому система ТП – Д приваблює високим ККД , кращими малогабаритними показниками, кращою технологічністю і меншими потребами в дефіцитній міді і електротехнічній сталі.

Якщо вибір зупинений на системі ТП – Д, можна вжити заходів щодо покращення її техніко – економічної ефективності за рахунок зменшення потрібної потужності фільтро – компенсуючого пристрою. В двохмосовому перетворювачі з природною комутацією зниження споживання реактивної потужності зсуву можна забезпечити шляхом почергового управління мостами. Використавши аналогічний перетворювач з штучною комутацією вентилів, можна практично повністю виключити реактивну потужність зсуву і обмежитись установкою нерегульованого фільтра найбільш суттєвих гармонік струму.