Головна

Особливості енергетики вентильних електроприводів

  1.  II. Особливості організації тренінгу менеджерів
  2.  IV. Типові особливості окремих дій
  3.  V2: Тема 5.5 Анатомія венозної системи. Кровообіг плода і особливості кровоносноїрусла плода.
  4.  XIV. Загальні особливості емоційної сфери
  5.  А. Особливості та етапи утворення єдиної Російської держави
  6.  А. Особливості російського лібералізму в 50- 60-х роках XIX ст. консерватори
  7.  А. Особливості формування давньоруської культури

Для регульованих електроприводів найбільш загальним і ефективним шляхом вирішення проблеми енергозбереження на даному етапі розвитку техніки є використання вентильних перетворювачів, При використанні сучасних силових напівпровідникових приладів - тиристорів, транзисторів в різних виконаннях, ККД перетворювачів вражаюче великий. Так, для тиристорного перетворювача з m-фазною схемою випрямлення, в якому на інтервалі провідності обтекаются струмом п послідовно включених вентилів, його можна оцінити за допомогою співвідношення:

де hт - ККД силового трансформатора, що забезпечує потенційну розв'язку силових ланцюгів електроприводу і обмеження струмів к. З. при пробоях тиристорів. У ряді випадків hT - Це ККД струмообмежувального реактора (ТОР), що встановлюється на вході перетворювача, якщо потенційна розв'язка не потрібно; DUв - Падіння напруги на вентилі; Uтпном- Номінальна вихідна напруга перетворювача.

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

Те ж значення hув отримаємо і для перетворювача з нульовою схемою випрямлення: п = 1, але при тій же напрузі живлення номінальна напруга перетворювача в 2 рази менше. Для трансформаторів потужністю 10-1000 кВт значення ККД лежать в межах 0,95-0,98, отже

Доречно зіставити з електромашинним преосвітнім агрегатом для системи Г-Д - його ККД при потужності 1000 кВт складе

Таким чином, в цьому випадку заміна системи Г-Д системою ТП-Д дозволяє економити близько 7% споживаної енергії і знизити втрати в перетворювальної агрегаті приблизно в 3 рази. Це суттєве підвищення енергетичної ефективності електропривода

Однак оцінку енергетичної ефективності вентильних електроприводів на основі врахування втрат в перетворювальної агрегаті необхідно доповнити оцінкою негативних особливостей вентильних електроприводів, пов'язаних з дискретним принципом перетворення і регулювання напруги перетворювачів. Ці особливості реалізуються в двох головних напрямках - всередині електроприводу в результаті впливу форми струмів і напруг, що формуються перетворювачем, на роботу двигуна і в системі електропостачання в результаті впливу споживаних перетворювачем струмів на роботу мережі живлення.

Саме тут ми впритул підступає до аналізу питання, що вимагає глибокого знання не тільки загальних фізичних властивостей електроприводу, а й специфічних особливостей застосовуваної конкретної техніки керування електроприводами, що не узгоджується з цілями і змістом курсу «Теорія електроприводу» і викликає зрозумілі труднощі. Тому ми тут обмежимося укрупненим оглядом стану, перспектив розвитку та енергетичних проблем вентильного електроприводу в зв'язку з вибором системи електроприводу, спираючись на відомості про перетворювальної техніки, отримані в попередніх курсах.

Перш за все, нам необхідно згадати, що сучасна перетворювальна техніка розвивається на базі трьох типів силових напівпровідникових приладів: силових транзисторів і замикаються тиристорів, на базі яких створюються повнокерованим ключі (см.§7.2), і тиристорів з природною комутацією, які відкриваються імпульсом управління, а закриваються після припинення протікання струму внаслідок природної комутації. Удосконалення силових транзисторів, збільшення їх потужності в даний час визначає інтенсивний розвиток частотно-керованих електроприводів змінного струму в діапазоні потужностей від 1 до 600 кВт, причому нові високовольтні транзистори, розроблені фірмою «Сіменс», розширюють цей діапазон до декількох мегават. Які замикаються тиристори використовуються в частотно-керованих приводах великої потужності - від 1000 кВт і вище. Основу сучасної перетворювальної техніки для широко застосовуваних електроприводів постійного струму складають тиристори з природною комутацією, тому розгляду особливостей електроприводів з тиристорним керуванням тут приділимо основну увагу. При природній комутації реалізується максимальна простота схемотехніки, відсутність перенапруг, мінімальні маса, габарити і вартість перетворювачів.

Напруга і струм, що формуються перетворювачем з природною комутацією для якоря двигуна постійного струму або для фази асинхронного двигуна в системі ПЧ-АД визначаються пульсностью перетворювача m, кутом регулювання a, ЕРС обертання в навантаженні е і індуктивністю силового ланцюга двигуна L. Напруга навіть при формуванні постійного струму являє собою періодичну несинусоїдальну залежність з періодом l = 2p / m. Як наслідок, ток, що протікають в навантаженні, містить пульсації щодо заданого значення, які зростають при збільшенні кута регулювання а. Якщо індуктивність силового ланцюга невелика, пульсації струму значні і при зменшенні його середнього значення струм стає переривчастим. Так, в системі НПЧ-АД при m = 3 зона переривчастого струму відповідає зміні навантаження двигуна і відповідно, струму статора в межах від холостого ходу до (0,6?0,8) I1ном, А при m = 6 вона знижується і практично проявляється тільки на холостому ходу.

Яке ж практичне вплив на енергетику електроприводу надає це побіжно розглянуте явище? Корисну роботу електроприводу визначає середній момент, т. Е. Середній струм двигуна постійного струму або перша гармоніка струму двигуна змінного струму. Пульсації струму при даному необхідному моменті створюють додаткові втрати в опорах якірного ланцюга, викликають додатковий нагрів двигуна, тому повинні обмежуватися на допустимому рівні. Режим переривчастого струму і моменту двигуна для швидкодіючих приводів з прецизійним регулюванням швидкості може викликати неприпустиму нерівномірність руху механізму. В тому і іншому випадку знизити пульсації струму і обмежити зону переривчастого струму можна або введенням реактора, що згладжує, або вибором тиристорного перетворювача більшої пульсная-сти. Згладжує реактор - просте і дешеве рішення, але додаються втрати в його обмотці; перетворювач з великим m хороший, але складний і доріг. Потрібно строгий технічний і техніко-економічний аналіз варіантів. При цьому, якщо мова йде про проектування системи НПЧ-АД, необхідно враховувати, що введення реактора, що згладжує в кожну фазу двигуна в номінальному оежіме може вимагати збільшення номінальної напруги перетворювача та інші аналогічні супутні ефекти.

Однак необхідно визнати, що для електроприводів середньої і великої потужності головні енергетичні проблеми лежать в сфері взаємодії електроприводу з мережею живлення і в багатьох випадках на вибір системи електроприводу істотно впливає її показники якості енергоспоживання. Дискретний фазо-імпульсний принцип управління тиристорними перетворювачами, несинусоидальность напруги і струму навантаження викликають зрушення споживаного з мережі струму і спотворення його форми. Якщо будь-яким шляхом визначити (наприклад, виміряти) споживану з мережі активну потужність Р, діючі значення споживаного з мережі струму I1 і напруги мережі U1 можна проаналізувати складові енергоспоживання вентильного електроприводу.

Повна потужність (максимальна активна потужність, яку споживав би електропривод при даних U1 і I1 якби не було зсуву і спотворень):

Активна потужність являє собою середнє значення миттєвої потужності за цикл:

де u1 і i1 - Миттєві значення напруги і струму.

Повна реактивна потужність, обумовлена ??наявністю зсуву і вищих гармонік струму:

Реактивна потужність зсуву

де Т- реактивна потужність спотворення, обумовлена ??взаємодією джерела ЕРС мережі з вищими гармоніками струму. На жаль, за відомими значеннями Р, U1 і I1 визначити порізно складові повної реактивної потужності не вдається. Для перетворювача постійного струму (в тому числі і в схемі перетворювача частоти з ланкою постійного струму) можна оцінити кут зсуву першої гармоніки струму щодо напруги

де а - кут регулювання; g-кут комутації вентилів.

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

отже

При необхідності за відомою активної потужності відповідно до (10.24) можна визначити активну складову основної гармоніки струму

а далі ефективне значення основної гармоніки струму

При несиметричного навантаження фаз виникає додаткова складова реактивної потужності - потужність несиметрії, яку ми, вважаючи перетворювач симетричним, не враховуємо.

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

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

коефіцієнт спотворень

Для розглянутих симетричних перетворювачів його можна визначити відношенням основної гармоніки струму мережі до його діючим значенням

Коефіцієнт потужності характеризує ефективність енергоспоживання електроприводу - ступінь використання повної потужності, завантажує мережу, і може бути виражений через складові енергетичні коефіцієнти

а при наявності несиметрії енергоспоживання по фазах

де  - Коефіцієнт несиметрії.

Таким чином, вентильніперетворювачі негативно впливають на роботу мережі живлення При низьких значеннях коефіцієнта потужності електропривод завантажує мережу реактивним струмом основної гармоніки, що несе активну потужність електроприводу, і наповнює мережу циркуляцією струмів вищих гармонік. Ці реактивні струми, протікаючи по опорам мережі живлення викликають додаткові втрати активної потужності, а вищі гармоніки струму при збільшенні числа і потужності вентильних електроприводів здатні викликати неприпустимі спотворення напруги мережі, які порушують нормальну роботу інших споживачів При переході до масового використання в промисловості вентильних електроприводів в сфері електропостачання виникли й інші проблеми, зокрема, обумовлені вищими гармоніками струму резонансні явища в батареях конденсаторів, раніше успішно використовувалися для компенсації реактивної потужності у результаті резонансу збільшився вихід з ладу конденсаторів Це зажадало переходу до використання фільтро-компенсуючих пристроїв, кожна ланцюг яких містить послідовне з'єднання батарей конденсаторів і індуктивності з налаштуванням даної ланцюга фільтра на певну найбільш істотну вищу гармоніку струму.

Перш ніж перейти до огляду основних шляхів поліпшення якості енергоспоживання вентильних електроприводів на стадії проектування, необхідно обговорити проблему вибору системи регульованого електроприводу в ширшому плані. Припустимо, здійснюється вибір системи для потужного електроприводу постійного струму з двох варіантів - вживана на механізмі, але «застаріла» система Г-Д (рис.10 5, а) і очікуване до використання сучасна система ТП-Д (рис.10 5, б).

 Обговоримо вихідний варіант системи. З давніх-давен до теперішнього часу для збудження генераторів використовуються силові реверсивні магнітні підсилювачі - пристрої прості, надійні, але недосконалі. Низький ККД (близько 35%), великі габарити, низька швидкодія, невисокий коефіцієнт посилення і ряд інших недоліків не дозволяють реалізувати необхідну швидкодію приводу, реальний коефіцієнт форсування процесів збудження генератора aф max? 2. В останні роки вони знімаються з виробництва, тому в замінної системі в якості збудника генератора Г ми вже використовували реверсивний тиристорний перетворювач ТВГ і обмотку збудження синхронного двигуна, яка раніше підключалася до нерегульованого джерела, забезпечили для цілей автоматичного регулювання нереверсивним тиристор-ним збудником ТВС. Вибір коефіцієнта форсування аф <10 і застосування 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 нас високим ККД, кращими масогабаритними показниками, кращою технологічністю і меншою потребою дефіцитних міді та електротехнічної сталі. Однак викликає занепокоєння якість енергоспоживання, яке в порівнюваних системах можна оцінити за допомогою графіків, наведених на ріс.10.6.

Тут для одного пуску в циклі роботи проектованого електроприводу побудовані залежності iя(T), w (t), I1(T), P (t). Криві мають якісний характер, але правильно і наочно демонструють різницю енергоспоживання в порівнюваних системах. Залежно w (t) і iя(T) однакові, залежності активної потужності близькі, відрізняються тільки рівнем потужності втрат в співвідношеннях

де DPSп, DPSс - Сумарні втрати в системі електроприводу відповідно при пуску і в сталому режимі.

В системі Г-Д за рахунок введення автоматичного регулювання струму збудження синхронного двигуна забезпечено відсутність реактивної потужності: Q = 0. В системі ТП-Д на початку пуску має місце значний наброс реактивної потужності, який на практиці часто перевищує в 3-4 рази потужність приводу і далі знижується до значення, відповідного статичному режиму. Споживання з мережі струму I1 за характером збігається зі змінами Iя, В той час як в системі Г-Д I1 збігається за характером зі змінами споживаної активної потужності, так як cos f1= 1. Якщо здійснюється пуск до малій швидкості w ', то в системі Г-Д він відбувається, як показано на малюнку, з малим збільшенням струму I1 за час пуску і з малим струмом I '1 в статиці, а в системі ТП-Д кидок споживаного струму повторить кидок струму якоря Iя п, І в статиці ток залишиться тим же, що і при повній швидкості wном.

 Залишається врахувати, що тиристорний перетворювач споживає з мережі несинусоїдальний струм, який крім основної гармоніки містить ряд гармонік з номерами

n = km + 1, (10.37)

де k = 1,2,3 ...; m - пульсность перетворювача.

Знаючи діюче значення основної гармоніки, наближено визначаємо діюче значення n-ой гармоніки:

Для трифазного мостового перетворювача при симетричному, управлінні m - 6 характерний наступний спектр гармонік: п = 5,7,11,13 ... Якщо скористатися оцінкою (10.38) 5-я гармоніка струму становить 20% основної, т. Е. Дуже значна.

Якщо перетворювач має потужність, порівнянну з потужністю мережі живлення, вентильний перетворювач викличе неприпустимі спотворення напруги мережі, тому, як показано на ріс.10.5, б, в схему доведеться ввести фильтро-яке компенсує пристрій ФКУ, налаштоване на 5-ю і 7-ю гармоніки . Оскільки споживання реактивної потужності в циклі роботи змінюється в широких межах, то пристрій повинен бути автоматично регульованим, а його потужність достатня для компенсації максимального наброса реактивної потужності. Таким чином, додається ще один тірісторньтй перетворювач (або комутатор) потужність якого іноді перевищує в 2-4 рази потужність основного перетворювача.

Який варіант вибрати - далеко не ясно. Якщо електропривод потужний, представляється розумним не породжувати енергетичних проблем, залишити модернізовану систему Г-Д, використовувати потужний синхронний двигун генератора в можливих межах як джерело випереджаючої реактивної потужності для зменшення негативного впливу на мережу інших, менш потужних, вентильних електроприводів, які отримують живлення від тієї ж мережі. Якщо проектується електропривод середньої потужності, при якій ККД системи Г-Д знижується, а вплив системи ТП-Д на мережу незрівнянно більшої потужності несуттєво, технічні переваги на боці системи ТП-Д.

Якщо вибір зупинений на системі ТП-Д, можна докласти зусиль для поліпшення її техніко-економічної ефективності за рахунок зменшення необхідної потужності регульованого ФКУ. У двухмостовом перетворювачі з природною комутацією зниження споживання реактивної потужності зсуву можна забезпечити, наприклад, почерговим керуванням мостами.

Застосувавши аналогічний перетворювач з штучною комутацією вентилів, можна практично повністю виключити реактивну потужність зсуву і обмежитися установкою нерегульованого фільтра найбільш істотних гармонік струму. На жаль, в кожному з цих варіантів при спробах використання виявляються недоліки, що утрудняють практичну реалізацію.

Розглянутий приклад свідчить про складність проблеми вибору системи електроприводу і виявляє основні шляхи підвищення якості енергоспоживання електроприводу:

1. Вибір системи електроприводу з кращими характеристиками якості енергоспоживання;

2. Введення до складу потужних тиристорних електроприводів регульованих ФКУ;

3. Використання несиметричних законів фазо-імпульсного управління тиристорними перетворювачами, що забезпечують зниження накидів реактивної потужності;

4. Використання тиристорних перетворювачів зі штучною комутацією в поєднанні з нерегульованими фільтрами вищих гармонік струму.

Перший шлях є головним, тому вимагає додаткового розгляду стосовно вибору регульованих електроприводів змінного струму. Тут більше, ніж на постійному струмі, варіантів - система ТРИ-АД, каскадні вентильні асинхронні електроприводи, система ПЧ-АД та ін. Адекватною системі ТП-Д за технічними можливостями є система ПЧ-АД, тому обмежимося розглядом особливостей цієї системи в варіантах системи НПЧ-АД, системи Пч (ШІМ) -АД, а також системи Пч (АІН) -АД зі штучною комутацією вентилів мостового інвертора.

З перерахованих систем електроприводу змінного струму з частотним керуванням кращими характеристиками енергоспоживання мають перетворювачі частоти w ланкою постійного струму, якщо вхідний випрямляч є некерованим. При цьому інвертор формує напруги і струми фаз двигуна за принципом широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) з високою точністю. При частоті ШІМ 2?10 кГц пульсації струму двигуна нехтує малі, додаткових втрат практично не викликають, ніж забезпечуються сприятливі умови роботи двигуна. Некерований випрямляч не робить негативного впливу на роботу мережі живлення - реактивна потужність зсуву, обумовлена ??тільки процесами комутації струмів, занадто мала, а спотворення споживаного струму незначні, тому kM близький до одиниці.

Мал.10.7. Схема системи Пч (ШІМ) -АД з некерованим випрямлячем на вході

У зв'язку з цим інтенсивний розвиток частотно-керованих електроприводів змінного струму, характерне для другої половини 80-х років, йшло в першу чергу за рахунок подібних електроприводів, функціональна схема енергетичного каналу яких представлена ??на рис 10.7. Випрямлена некерованим випрямлячем В напруга згладжується індуктивно-ємнісним або ємнісним фільтром Ф і подається на інвертор І. За завданнями інформаційної частини системи управління інвертор формує синусоїдальні фазні напруги (АІН) або струми (RTA) змінної частоти і амплітуди для асинхронного двигуна АД.

Цей кращий за якістю енергоспоживання варіант частотно-керованого асинхронного електроприводу має серйозний технічний недолік - силовий канал електроприводу внаслідок некерованості випрямляча В здатний лише споживати енергію з мережі і не може її в мережу повертати. У гальмівних режимах приводу виробляється двигуном енергія надходить у фільтр, збільшує напругу на його конденсаторах і випрямляч замикається Щоб захистити конденсатор і всю схему приводу від перенапруг можна або відключити інвертор, або підключити паралельно конденсатору фільтра резистор У останньому випадку гальмівний режим реалізується, але енергетично неефективно.

Як наслідок, область раціонального застосування цієї привабливої ??системи обмежена регульованими нереверсивними електроприводами механізмів безперервної дії - насоси, вентилятори, Повітряховки, паперові машини, лісопильні рами, транспортери і т п. У світовій практиці відомі приклади використання таких електроприводів для потужних регульованих реверсивних електроприводів з активним навантаженням , але досвід показує, що енергетична ефективність системи в цих умовах неприпустимо низька і електропривод змінного струму виявляється неконкурентоспроможним по відношенню до систем Г-Д або ТП-Д. У подібних випадках або замінюють некерований випрямляч тиристорним перетворювачем, або вводять в схему для рекуперації ведений мережею інвертор - ТП, що працює при постійній протидії ЕРС (aи= Const), як показано на ріс.10.7 Однак якість енергоспоживання при цьому відповідно знижується.

 Найгіршими з усіх перерахованих вище систем ПЧ-АД показниками якості енергоспоживання має система НПЧ-АД, хоча завдяки одному щаблі перетворення енергії її ККД на кілька відсотків вище, ніж у інших. Принципова схема силових ланцюгів системи НПЧ-АД показано на ріс.10.8 Розглядаючи її, можна встановити, що фазні напруги двигуна або фазні струми формуються за допомогою рівного числу фаз двигуна числа реверсивних тиристорних перетворювачів ТП1, ТП2 і ТПЗ, кожен з яких працює або в режимі джерела напруги, або в режимі джерела струму, в залежності від прийнятого способу управління двигуном. Задані значення uзA, uзB, uзC напруги (струму) формуються системою управління і відтворюються на виході у вигляді напружень (струмів) фаз з певною точністю і якістю, що залежить від пульсності тиристорних перетворювачів.

Розглядаючи схему, можна зробити висновок, що при управлінні електроприводом в області частот, близьких до нуля, енергетичні характеристики системи НПЧ-АД подібні характеристикам системи ТП-Д.

Різниця лише в тому, що система НПЧ-АД при холостому ході (М*= 0) постійно споживає з мережі реактивну потужність на намагнічування двигуна Qm*, А в системі ТП-Д при M*= 0 Q*= 0. Зі збільшенням вихідної частоти перетворювача зростає вплив змін кута регулювання з періодом вихідний частоти, відповідно ряд гармонік (10.37) видозмінюється:

де mдв - Число фаз двигуна, k і п = 1, 2, 3, fвх, fвих - Вхідна і вихідна частоти НПЧ

Ці особливості, а також обмеження максимальної частоти НПЧ умовою fвихвх справедливо відносяться в літературі до числа недоліків системи НПЧ-АД Однак, ця система успішно використовується для потужних електроприводів і в перспективі можна очікувати розширення її сфери застосування в сторону менших потужностей Цьому повинні сприяти зусилля вчених, спрямовані на створення серійних двофазних асинхронних двигунів, для яких НПЧ найбільш простий і менш доріг, ніж для трифазних двигунів

Однак у всіх випадках застосування НПЧ проблема поліпшення енергоспоживання повинна вирішуватися введенням регульованих ФКУ, розрахованих на фільтрацію головних спотворюють гармонік На ріс.10.8 задача вирішена установкою нерегульованого ФКУ спільно з додатковим перетворювачем Перетворювач ТП4 працює на індуктивність LH, І споживає регульовану індуктивну потужність на рівні надлишкової ємнісний потужності ФКУ в кожен момент часу Таким чином забезпечується циркуляція повної реактивної потужності всередині електроприводу і проблема якості енергоспоживання вирішується




 Особливості частотного регулювання швидкості асинхронного електроприводу |  Принцип орієнтування по полю двигуна при частотному управлінні |  Каскадні схеми регулювання швидкості асинхронного електроприводу |  Каскади з Однозонна регулюванням швидкості |  Оптимізація регульованого електроприводу з пружними зв'язками за критерієм мінімуму колебательности |  Загальні відомості |  Точний останов електроприводу |  Автоматичне регулювання положення по відхиленню |  Поняття про стежить електроприводі |  Загальні відомості |

© 2016-2022  um.co.ua - учбові матеріали та реферати