Основные понятия и тенденции развития энергосбережения

В электроприводе необходимо защищать обмотки АД от перенапряжений, обусловленных проблемой «длинного  кабеля», свойственной IGBT – инверторам. Для этих целей возможны два варианта блоков выходного фильтра. Блок параллельного  фильтра – модуль согласования устанавливается  на объекте эксплуатации в непосредственной близости от АД (1–2м) и блок последовательного  фильтра, подключаемый к выходным зажимам  преобразователя в рассечку «длинного  кабеля». Критическая длина кабеля и необходимость применения фильтров определяются характеристиками и режимом  работы IGBT – модулей, типом и конструктивными  особенностями приводных АД, типом  самого кабеля.

Для реализации режима электродинамического торможения электропривода предусматривается  возможность установки и подключения  к шинам звена постоянного  напряжения тормозного транзисторного ключа, работающего в режиме широтно–импульсного  регулятора. Тормозной резистор устанавливается  вне преобразователя и подключается к его соответствующим силовым  зажимам. Мощность тормозного контура  составляет от 0,2 до 0,5 номинальной мощности электропривода, что оказывается  достаточным для большинства  общепромышленных применений. МСУ электропривода содержит канал управления тормозным  регулятором с соответствующим  программным обеспечением. Электроприводы с рекуперативным торможением выполняются  на основе реверсивного диодно–транзисторного  выпрямителя.

Микроконтроллер выполняет  основные функции управления узлами системы и обработку данных. Выбор  микроконтроллера определяется требованиями к системе управления и ценовыми соображениями. В структуру системы  управления, кроме микроконтроллера, входят другие функциональные узлы, выполняющие  различные вспомогательные и защитные функции (датчики напряжения и тока, блоки ввода вывода, пульт управления и др.). Обмен данными между этими блоками и микроконтроллером ведется по локальной гальванически развязанной RS-485 магистрали с помощью единого протокола, что обеспечивает высокую унификацию отдельных узлов системы управления и возможность замены любого узла, в том числе и микроконтроллера, узлом другого типоисполнения.

Управление ключами преобразователя  осуществляется с помощью драйверов. Драйверы обеспечивают мониторинг падения  напряжения на коллектор-эмиттерном переходе транзистора для выявления аварийного состояния транзистора, плавное  выключение транзистора из режима КЗ с последующей блокировкой импульсов  управления, контроль напряжения управления на затворе транзистора. Выходной усилитель  мощности обеспечивает ток, достаточный  для управления IGBT. Схема также  обеспечивает возможность настройки  времени включения и времени  выключения транзистора из режима короткого  замыкания.

Несущая частота ШИМ –  определяет частоту переключения транзисторов. Выбор частоты обусловлен оптимизацией двух критериев: синусоидальности токов  двигателя – с ростом частоты  повышается качество кривой тока, и  минимизации динамических потерь в IGBT – с ростом частоты увеличиваются  потери мощности переключения.

Одним из недостатков таких  систем являются значительные коммутационные потери в IGBT, связанные с коммутацией  последних при  конечных (не нулевых) мгновенных значениях тока и напряжения (так называемая жесткая коммутация). Это ограничивает предельную частоту  коммутации 8 – 10 кГц для обычных  и 16 – 20 кГц – для быстрых IGBT. Кроме  того, при высоких скоростях коммутации и длинных соединительных проводниках  к двигателю возникают значительные перенапряжения, которые, достигая двукратных значений, могут нарушить изоляцию обмоток двигателя или привести к сокращению срока его службы.

Одним из способов снижения коммутационных потерь является использование  принципов «мягкой» коммутации силовых  ключей инвертора – в нуле тока или напряжения.

На шине постоянного тока формируется последовательность однополярных колоколообразных  импульсов напряжения. Инвертор вместо ШИМ  использует принципы числоимпульсной модуляции для  формирования на выходе требуемой формы  выходного напряжения. Коммутация импульсов  происходит при нуле напряжения на шине постоянного тока.

Бурно развивается и направление  интеллектуальных силовых модулей IPM, объединяющих в одном корпусе  всю или большую часть схемы  преобразователя частоты, систем управления, защит, диагностики, режимной автоматики, источников питания собственных  нужд. Большинство фирм (“Mitsubishi”, “Fuji”, “Semikron” и т.п.) производят серии IPМ (одно-, двух- и шестиключевых) по технологии многоэтажных конструкций  с использованием технологий гибридных  схем и монтажа на поверхность  с предельными параметрами 800 А/1200 В (одноключевые) и 300 А/1200 В (шестиключевые) с включением функции управления силовыми ключами от маломощных гальванически  развязанных сигналов TTL-уровня, защитами от перегрузки по току (КЗ), от перенапряжения и перегрева. Фирма “International Rectifier” выпускает серию IPМ “Powertrain” (рис.2.5), представляющую по существу ремонтно-пригодные преобразователи частоты регулируемого электропривода с использованием технологии монтажа на поверхность как для «интеллектуальной», так и для силовой частей.

Рисунок 2.5 – Преобразователь частоты регулируемого

Управление модулем осуществляется путем подачи на входы драйвера последовательности сигналов, выработанных задающим устройством  пользователя в соответствии с алгоритмом управления режимами работы технологической  установки.

Международный консорциум «Энергосбережение» (МКЭ), созданный ведущими предприятиями  электротехнической промышленности Украины, России и Белоруссии в 1995 г., разработал и освоил серийное производство на ряде заводов СНГ серии энергосберегающих  электроприводов РЭН мощностью  от 3,5 до 1000 кВт, построенных по схеме  автономного инвертора АИН на IGBT транзисторах. В настоящее время  разрабатываются ПЧ мощностью до 2000 кВт.

 

2.1Асинхронный  электропривод с реализацией  энергии скольжения

 

Один  из наиболее простых способов регулирования  скорости асинхронного двигателя с  фазным ротором основан на введении в цепь ротора дополнительных резисторов. Однако при этом существенно ухудшается КПД электропривода на регулировочных характеристиках, т.к. выделяемые в  роторных резисторах потери скольжения тратятся бесполезно

При мощности электропривода в несколько сотен  киловатт и более потери скольжения становятся весьма ощутимыми по абсолютному значению. Степень ухудшения КПД ориентировочно можно оценить, если не учитывать потери в обмотках статора и в стали асинхронного двигателят.е. КПД снижается пропорционально скорости.

Очевидно, что такой способ регулирования  скорости приводит к существенному  увеличению расхода энергии.

Непосредственно использовать энергию скольжения невозможно, т.к. амплитуда напряжения и частота  тока ротора не только отличается от соответствующих  параметров питающей сети, но и изменяются в функции скольжения двигателя. Поэтому полное использование энергии  скольжения невозможно без включения  в цепь ротора преобразователя электроэнергии.

Принципиально существуют две возможности полезно  использовать энергию скольжения – возврат её на вал АД или в питающую сеть.

Рисунок 2.6 – Электромеханический машинно-вентильном каскад

 

В электромеханическом  машинно-вентильном каскаде (рис.2.6) обмотка ротора АД, приводящего в движение рабочий механизм РМ, подключается к неуправляемому выпрямителю. ЭДС выпрямителя направлена встречно ЭДС вспомогательной машины постоянного тока ВМ. Асинхронный двигатель и машина жёстко соединены одним валом.

Мощность  скольжения в схеме  Р, за вычетом потерь в роторе АД, преобразователе и вспомогательной машине поступает на вал в виде механической мощности от ВМ :

Р=Р_м.вм.

 

Рабочей машине (АД) передаётся вся электромагнитная мощность (если пренебречь потерями в  каскадной схеме):

 

 P_м =Р_с - ∆Р + ∆Р = Р_с.

 

Таким образом, мощность развиваемая каскадом, независимо от скольжения (скорости) поддерживается постоянной. Эти каскады называются каскадами постоянной мощности.

Возврат мощности скольжения в сеть возможен в электрическом вентильно-машинном каскаде (рис.2.7) и в асинхронно-вентильном каскаде.

Рисунок 2.7 - Электрическом вентильно-машинном каскад

 

В электрическом  каскаде вспомогательная машина не имеет механической связи, а соединена одним валом с синхронным генератором, подключенным к сети переменного тока.

Мощность  потерь  передается не на вал рабочей  машины, а с помощью генератора отдается в сеть

Недостатки  вентильно-машинных каскадов определяются наличием вспомогательных  машин.

Практический  диапазон регулирования скорости в  машинных каскадах обычно не превышает  двух. Это определяется тем, что по мере роста диапазона регулирования  скорости требуется увеличивать  установленную мощность всех устройств в роторной цепи АД. Так, при диапазоне, равном двум, установленная мощность электрического АВМК составляет 250%, из них: АД - 100%, выпрямитель, вспомогательная машина и синхронный генератор по 50%.

 

Рисунок 2.8  - Асинхронно-вентильный каскад

 

Наибольшее  распространение получили асинхронно-вентильные каскады (рис.2.8), в которых преобразователь состоит из неуправляемого выпрямителя и ведомого сетью инвертора. Трансформатор необходим для согласования напряжения инвертора и сети.

Одно  из основных преимуществ схемы то, что при ограниченном диапазоне  регулирования скорости мощность преобразователя  в роторной цепи двигателя меньше мощности  самого двигателя

Очевидно, что эффективность вентильного  каскада тем выше, чем меньше мощность преобразователя и чем большее  количество энергии рекуперируется в сеть. Поэтому АВК целесообразно  применять, в первую очередь, для электроприводов большой мощности с длительным режимом работы и небольшим диапазоном регулирования скорости (вентиляторы, насосы, компрессоры и т.д.).

Рекуперация электроэнергии повышает энергетическую эффективность данного способа регулирования скорости АД по сравнению со способами, в которых выделяемая в роторной цепи энергия рассеивается в виде теплоты. Однако АВК присущ существенный недостаток– он имеет низкий коэффициент мощности, что вызывает необходимость применения компенсирующих устройств, например, конденсаторов.

Ухудшение коэффициента мощности объясняется  тем, что активная мощность, потребляемая электроприводом, равна разности мощностей, подводимой к статору АД и рекуперируемой преобразователем. А реактивная мощность каскада равна сумме реактивных мощностей АД и преобразователя.

Коэффициент мощности существенно зависит от нагрузки АД. При холостом ходе АД коэффициент  мощности невелик, т.к. относительно велика доля реактивной мощности по сравнению  с активной. С увеличением нагрузки АД возрастает и достигая своего максимального значения примерно в области номинальной нагрузки.

Коэффициент мощности АД зависит также и от числа пар полюсов, причем двигатели с меньшим числом пар полюсов (с более высокими скоростями) имеют более высокий номинальный .

Коэффициент мощности преобразователя определяется углом опережения включения вентилей инвертора, который в свою очередь  зависит от режима работы электропривода.

При работе электропривода в рабочей зоне частот вращения среднее значение ЭДС преобразователя  близко к нулю, а угол опережения (b»j) равен 90⁰. Таким образом, асинхронно-вентильный каскад, в отличие от привода постоянного тока или вентильного двигателя, характеризуется наибольшим потреблением реактивной энергии и наибольшим значением коэффициентов искажения и гармоник именно в зоне рабочих скоростей, близких к номинальной.

Величины  коэффициентов искажения и гармонических  составляющих тем больше, чем форма  выходного напряжения преобразователя  отличается от синусоидальной. При  напряжение преобразователя принимает пилообразную форму, причем среднее значение ЭДС равно нулю, а амплитуда выбросов напряжения может достигать двухкратного значения номинальной ЭДС вторичной обмотки трансформатора.

Поэтому в реальных схемах  при работе АВК в области номинальных  скоростей преобразователь отключают, а ротор асинхронного двигателя  закорачивают, что следует отнести  к недостаткам электропривода.

Реализация  энергосберегающих преимуществ  АВК предопределяет выбор управляющей  аппаратуры меньшей мощности, чем  установленная мощность электродвигателя.Однако в этом случае возможен только реостатный пуск АД до половинной скорости,что влечет за собой переключения в силовых цепях на ходу и повышение общих потерь энергии при пуске.  

Еще один недостаток АВК - отсутствие тормозного режима электропривода. Для осуществления  электродинамического торможения необходимо отключить систему АВК, в ротор  АД подключить трехфазный реостат, а  в две фазы статора подать постоянный ток.

 

2.2 Асинхронный электропривод с фазным управлением

 

Известно, что самым крупным  потребителем электроэнергии в основном являются электроприводы переменного  тока, и особенно с асинхронными электродвигателями, которые потребляют около половины вырабатываемой в  мире электроэнергии. Если учесть, что  основная масса этих электродвигателей  работает с недогрузкой, то очевидно их существенное влияние на заметное снижение КПД и cosφ как самих электродвигателей, так и электропривода в целом.