Особенности энергетики вентильных электроприводов
Для регулируемых электроприводов наиболее общим и эффективным путем решения проблемы энергосбережения на данном этапе развития техники является использование вентильных преобразователей, При использовании современных силовых полупроводниковых приборов - тиристоров, транзисторов в различных исполнениях, КПД преобразователей впечатляюще велик. Так, для тиристорного преобразователя с m-фазной схемой выпрямления, в котором на интервале проводимости обтекаются током п последовательно включенных вентилей, его можно оценить с помощью соотношения:
где hт - КПД силового трансформатора, обеспечивающего потенциальную развязку силовых цепей электропривода и ограничение токов к.з. при пробоях тиристоров. В ряде случаев hT - это КПД токоограничивающего реактора (ТОР), устанавливаемого на входе преобразователя, если потенциальная развязка не требуется; DUв - падение напряжения на вентиле; Uтпном- номинальное выходное напряжение преобразователя.
Если с достаточным запасом принять DUB=DUB max=2 В, то для мостовой схемы преобразователя (n=2) при U1=380 В и Uтп.ном=440 В КПД собственно управляемого выпрямителя составит
То же значение hув получим и для преобразователя с нулевой схемой выпрямления: п=1, но при том же напряжении питания номинальное напряжение преобразователя в 2 раза меньше. Для трансформаторов мощностью 10-1000 кВт значения КПД лежат в пределах 0,95-0,98, следовательно
Уместно сопоставить с электромашинным преобразовательным агрегатом для системы Г-Д - его КПД при мощности 1000 кВт составит
Таким образом, в этом случае замена системы Г-Д системой ТП-Д позволяет экономить около 7% потребляемой энергии и снизить потери в преобразовательном агрегате примерно в 3 раза. Это существенное повышение энергетической эффективности электропривода
Однако оценку энергетической эффективности вентильных электроприводов на основе учета потерь в преобразовательном агрегате необходимо дополнить оценкой негативных особенностей вентильных электроприводов, связанных с дискретным принципом преобразования и регулирования напряжения преобразователей.
Эти особенности реализуются в двух главных направлениях - внутри электропривода в результате влияния формы токов и напряжений, формируемых преобразователем, на работу двигателя и в системе электроснабжения в результате влияния потребляемых преобразователем токов на работу питающей сети.
Именно здесь мы вплотную подступаем к анализу вопроса, требующего глубокого знания не только общих физических свойств электропривода, но и специфических особенностей применяемой конкретной техники управления электроприводами, что не согласуется с целями и содержанием курса «Теория электропривода» и вызывает понятные трудности. Поэтому мы здесь ограничимся укрупненным обзором состояния, перспектив развития и энергетических проблем вентильного электропривода в связи с выбором системы электропривода, опираясь на сведения о преобразовательной технике, полученные в предшествующих курсах.
Прежде всего, нам необходимо вспомнить, что современная преобразовательная техника развивается на базе трех типов силовых полупроводниковых приборов: силовых транзисторов и запираемых тиристоров, на базе которых создаются полноуправляемые ключи (см.§7.2), и тиристоров с естественной коммутацией, которые открываются импульсом управления, а закрываются после прекращения протекания тока вследствие естественной коммутации. Совершенствование силовых транзисторов, увеличение их мощности в настоящее время определяет интенсивное развитие частотно-управляемых электроприводов переменного тока в диапазоне мощностей от 1 до 600 кВт, причем новые высоковольтные транзисторы, разработанные фирмой «Сименс», расширяют этот диапазон до нескольких мегаватт. Запираемые тиристоры используются в частотно-управляемых приводах большой мощности - от 1000 кВт и выше. Основу современной преобразовательной техники для широко применяемых электроприводов постоянного тока составляют тиристоры с естественной коммутацией, поэтому рассмотрению особенностей электроприводов с тиристорным управлением здесь уделим основное внимание. При естественной коммутации реализуется максимальная простота схемотехники, отсутствие перенапряжений, минимальные масса, габариты и стоимость преобразователей.
Напряжение и ток, формируемые преобразователем с естественной коммутацией для якоря двигателя постоянного тока или для фазы асинхронного двигателя в системе ПЧ-АД определяются пульсностью преобразователя m, углом регулирования a, ЭДС вращения в нагрузке е и индуктивностью силовой цепи двигателя L. Напряжение даже при формировании постоянного тока представляет собой периодическую несинусоидальную зависимость с периодом l=2p/m. Как следствие, ток, протекающие в нагрузке, содержит пульсации относительно заданного значения, которые возрастают при увеличении угла регулирования а. Если индуктивность силовой цепи невелика, пульсации тока значительны и при уменьшении его среднего значения ток становится прерывистым. Так, в системе НПЧ-АД при m=3 зона прерывистого тока соответствует изменению нагрузки двигателя и соответственно, тока статора в пределах от холостого хода до (0,6¸0,8)I1ном, а при m=6 она снижается и практически проявляется только на холостом ходу.
Какое же практическое влияние на энергетику электропривода оказывает это бегло рассмотренное явление? Полезную работу электропривода определяет средний момент, т.е. средний ток двигателя постоянного тока или первая гармоника тока двигателя переменного тока. Пульсации тока при данном требуемом моменте создают дополнительные потери в сопротивлениях якорной цепи, вызывают дополнительный нагрев двигателя, поэтому должны ограничиваться на допустимом уровне. Режим прерывистого тока и момента двигателя для быстродействующих приводов с прецизионным регулированием скорости может вызывать недопустимую неравномерность движения механизма. В том и другом случае снизить пульсации тока и ограничить зону прерывистого тока можно либо введением сглаживающего реактора, либо выбором тиристорного преобразователя большей пульсно-сти. Сглаживающий реактор - простое и дешевое решение, но добавляются потери в его обмотке; преобразователь с большим m хорош, но сложен и дорог. Требуется строгий технический и технико-экономический анализ вариантов.
При этом, если речь идет о проектировании системы НПЧ-АД, необходимо учитывать, что введение сглаживающего реактора в каждую фазу двигателя в номинальном оежиме может потребовать увеличения номинального напряжения преобразователя и другие аналогичные сопутствующие эффекты.
Однако необходимо признать, что для электроприводов средней и большой мощности главные энергетические проблемы лежат в сфере взаимодействия электропривода с питающей сетью и во многих случаях на выбор системы электропривода оказывает решающее влияние ее показатели качества энергопотребления. Дискретный фазо-импульсный принцип управления тиристорными преобразователями, несинусоидальность напряжения и тока нагрузки вызывают сдвиг потребляемого из сети тока и искажения его формы. Если каким-либо путем определить (например, измерить) потребляемую из сети активную мощность Р, действующие значения потребляемого из сети тока I1 и напряжения сети U1 можно проанализировать составляющие энергопотребления вентильного электропривода.
Полная мощность (максимальная активная мощность, которую потреблял бы электропривод при данных U1 и I1 если бы не было сдвига и искажений):
Активная мощность представляет собой среднее значение мгновенной мощности за цикл:
где u1 и i1 - мгновенные значения напряжения и тока.
Полная реактивная мощность, обусловленная наличием сдвига и высших гармоник тока:
Реактивная мощность сдвига
где Т- реактивная мощность искажения, обусловленная взаимодействием источника ЭДС сети с высшими гармониками тока. К сожалению, по известным значениям Р, U1 и I1 определить порознь составляющие полной реактивной мощности не удается. Для преобразователя постоянного тока (в том числе и в схеме преобразователя частоты со звеном постоянного тока) можно оценить угол сдвига первой гармоники тока относительно напряжения
где а - угол регулирования; g-угол коммутации вентилей.
Если принять напряжение синусоидальным, реактивная мощность сдвига определяется только первой гармоникой тока. При этом
Следовательно
При необходимости по известной активной мощности в соответствии с (10.24) можно определить активную составляющую основной гармоники тока
а далее эффективное значение основной гармоники тока
При несимметричной нагрузке фаз возникает дополнительная составляющая реактивной мощности - мощность несимметрии, которую мы, полагая преобразователь симметричным, не учитываем.
Рассмотренные составляющие позволяют дать определение соответствующих коэффициентов, характеризующих качество энергопотребления. Коэффициент мощности:
Коэффициент сдвига характеризует соотношение между активной мощностью и реактивной мощностью сдвига:
Коэффициент искажений
Для рассматриваемых симметричных преобразователей его можно определить отношением основной гармоники сетевого тока к его действующему значению
Коэффициент мощности характеризует эффективность энергопотребления электропривода - степень использования полной мощности, загружающей сеть, и может быть выражен через составляющие энергетические коэффициенты
а при наличии несимметрии энергопотребления по фазам
где
Таким образом, вентильные преобразователи отрицательно влияют на работу питающей сети При низких значениях коэффициента мощности электропривод загружает сеть реактивным током основной гармоники, несущей активную мощность электроприводу, и наполняет сеть циркуляцией токов высших гармоник. Эти реактивные токи, протекая по сопротивлениям питающей сети вызывают дополнительные потери активной мощности, а высшие гармоники тока при увеличении числа и мощности вентильных электроприводов способны вызывать недопустимые искажения напряжения сети, нарушающие нормальную работу других потребителей При переходе к массовому использованию в промышленности вентильных электроприводов в сфере электроснабжения возникли и другие проблемы, в частности, обусловленные высшими гармониками тока резонансные явления в батареях конденсаторов, ранее успешно использовавшихся для компенсации реактивной мощности В результате резонанса увеличился выход из строя конденсаторов Это потребовало перехода к использованию фильтро-компенсирующих устройств, каждая цепь которых содержит последовательное соединение батарей конденсаторов и индуктивности с настройкой данной цепи фильтра на определенную наиболее существенную высшую гармонику тока.
Прежде чем перейти к обзору основных путей улучшения качества энергопотребления вентильных электроприводов на стадии проектирования, необходимо обсудить проблему выбора системы регулируемого электропривода в более широком плане. Допустим, осуществляется выбор системы для мощного электропривода постоянного тока из двух вариантов - применяемая на механизме, но «устаревшая» система Г-Д (рис.10 5,а) и намечаемая к использованию современная система ТП-Д (рис.10 5,б).
Здесь для одного пуска в цикле работы проектируемого электропривода построены зависимости iя(t), w(t), I1(t), P(t). Кривые имеют качественный характер, но правильно и наглядно демонстрируют разницу энергопотребления в сравниваемых системах.
Зависимости w(t) и iя(t) одинаковы, зависимости активной мощности близки, отличаются только уровнем мощности потерь в соотношениях
где DPSп, DPSс - суммарные потери в системе электропривода соответственно при пуске и в установившемся режиме.
В системе Г-Д за счет введения автоматического регулирования тока возбуждения синхронного двигателя обеспечено отсутствие реактивной мощности: Q=0. В системе ТП-Д в начале пуска имеет место значительный наброс реактивной мощности, который на практике зачастую превышает в 3-4 раза мощность привода и далее снижается до значения, соответствующего статическому режиму. Потребление из сети тока I1 по характеру совпадает с изменениями Iя, в то время как в системе Г-Д I1 совпадает по характеру с изменениями потребляемой активной мощности, так как cos f1=1. Если осуществляется пуск до малой скорости w', то в системе Г-Д он происходит, как показано на рисунке, с малым увеличением тока I1 за время пуска и с малым током I'1 в статике, а в системе ТП-Д бросок потребляемого тока повторит бросок тока якоря Iя п, и в статике ток останется тем же, что и при полной скорости wном.
n=km+1, (10.37)
где k=1,2,3... ; m - пульсность преобразователя.
Зная действующее значение основной гармоники, приближенно определяем действующее значение n-ой гармоники:
Для трехфазного мостового преобразователя при симметричном, управлении m - 6 характерен следующий спектр гармоник: п=5,7,11,13.... . Если воспользоваться оценкой (10.38) 5-я гармоника тока составляет 20% основной, т.е. весьма значительна.
Если преобразователь имеет мощность, соизмеримую с мощностью питающей сети, вентильный преобразователь вызовет недопустимые искажения напряжения сети, поэтому, как показано на рис.10.5,б, в схему придется ввести фильтро-компенсирующее устройство ФКУ, настроенное на 5-ю и 7-ю гармоники. Так как потребление реактивной мощности в цикле работы изменяется в широких пределах, то устройство должно быть автоматически регулируемым, а его мощность достаточна для компенсации максимального наброса реактивной мощности.
Таким образом, добавляется еще один тиристорньтй преобразователь (или коммутатор) мощность которого иногда превышает в 2-4 раза мощность основного преобразователя.
Какой вариант выбрать - далеко не ясно. Если электропривод мощный, представляется разумным не порождать энергетических проблем, оставить модернизированную систему Г-Д, использовать мощный синхронный двигатель генератора в возможных пределах в качестве источника опережающей реактивной мощности для уменьшения отрицательного влияния на сеть других, менее мощных, вентильных электроприводов, получающих питание от той же сети. Если проектируется электропривод средней мощности, при которой КПД системы Г-Д снижается, а воздействие системы ТП-Д на сеть несоизмеримо большей мощности несущественно, технические преимущества на стороне системы ТП-Д.
Если выбор остановлен на системе ТП-Д, можно предпринять усилия для улучшения ее технико-экономической эффективности за счет уменьшения требуемой мощности регулируемого ФКУ. В двухмостовом преобразователе с естественной коммутацией снижение потребления реактивной мощности сдвига можно обеспечить, например, поочередным управлением мостами.
Применив аналогичный преобразователь с искусственной коммутацией вентилей, можно практически полностью исключить реактивную мощность сдвига и ограничиться установкой нерегулируемого фильтра наиболее существенных гармоник тока. К сожалению, в каждом из этих вариантов при попытках использования выявляются недостатки, затрудняющие практическую реализацию.
Рассмотренный пример свидетельствует о сложности проблемы выбора системы электропривода и выявляет основные пути повышения качества энергопотребления электропривода:
1. Выбор системы электропривода с лучшими характеристиками качества энергопотребления;
2. Введение в состав мощных тиристорных электроприводов регулируемых ФКУ;
3. Использование несимметричных законов фазо-импульсного управления тиристорными преобразователями, обеспечивающих снижение набросов реактивной мощности;
4. Использование тиристорных преобразователей с искусственной коммутацией в сочетании с нерегулируемыми фильтрами высших гармоник тока.
Первый путь является главным, поэтому требует дополнительного рассмотрения применительно к выбору регулируемых электроприводов переменного тока. Здесь больше, чем на постоянном токе, вариантов - система ТРИ-АД, каскадные вентильные асинхронные электроприводы, система ПЧ-АД и др. Адекватной системе ТП-Д по техническим возможностям является система ПЧ-АД, поэтому ограничимся рассмотрением особенностей этой системы в вариантах системы НПЧ-АД, системы ПЧ(ШИМ)-АД, а также системы ПЧ(АИН)-АД с искусственной коммутацией вентилей мостового инвертора.
Из перечисленных систем электропривода переменного тока с частотным управлением лучшими характеристиками энергопотребления обладают преобразователи частоты w звеном постоянного тока, если входной выпрямитель является неуправляемым. При этом инвертор формирует напряжения и токи фаз двигателя по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) с высокой точностью. При несущей частоте ШИМ 2¸10 кГц пульсации тока двигателя пренебрежимо малы, дополнительных потерь практически не вызывают, чем обеспечиваются благоприятные условия работы двигателя. Неуправляемый выпрямитель не оказывает отрицательного влияния на работу питающей сети - реактивная мощность сдвига, обусловленная только процессами коммутации токов, пренебрежимо мала, а искажения потребляемого тока незначительны, поэтому kM близок к единице.
Рис.10.7. Схема системы ПЧ(ШИМ)-АД с неуправляемым выпрямителем на входе
В связи с этим интенсивное развитие частотно-управляемых электроприводов переменного тока, характерное для второй половины 80-х годов, шло в первую очередь за счет подобных электроприводов, функциональная схема энергетического канала которых представлена на рис 10.7. Выпрямленное неуправляемым выпрямителем В напряжение сглаживается индуктивно-емкостным или емкостным фильтром Ф и подается на инвертор И. По заданиям информационной части системы управления инвертор формирует синусоидальные фазные напряжения (АИН) или токи (АИТ) переменной частоты и амплитуды для асинхронного двигателя АД.
Этот лучший по качеству энергопотребления вариант частотно-управляемого асинхронного электропривода имеет серьезный технический недостаток - силовой канал электропривода вследствие неуправляемости выпрямителя В способен лишь потреблять энергию из сети и не может ее в сеть возвращать. В тормозных режимах привода вырабатываемая двигателем энергия поступает в фильтр, увеличивает напряжение на его конденсаторах и выпрямитель запирается Чтобы защитить конденсатор и всю схему привода от перенапряжений можно либо отключить инвертор, либо подключить параллельно конденсатору фильтра резистор В последнем случае тормозной режим реализуется, но энергетически неэффективно.
Как следствие, область рационального применения этой привлекательной системы ограничена регулируемыми нереверсивными электроприводами механизмов непрерывного действия - насосы, вентиляторы, воздуховки, бумагоделательные машины, лесопильные рамы, транспортеры и т п. В мировой практике известны примеры использования таких электроприводов для мощных регулируемых реверсивных электроприводов с активной нагрузкой, но опыт показывает, что энергетическая эффективность системы в этих условиях недопустимо низка и электропривод переменного тока оказывается неконкурентноспособным по отношению к системам Г-Д или ТП-Д. В подобных случаях либо заменяют неуправляемый выпрямитель тиристорным преобразователем, либо вводят в схему для рекуперации ведомый сетью инвертор - ТП, работающий при постоянной противо-ЭДС (aи=const), как показано на рис.10.7 Однако качество энергопотребления при этом соответственно снижается.
Заданные значения uзA, uзB, uзC напряжения (тока) формируются системой управления и воспроизводятся на выходе в виде напряжений (токов) фаз с определенной точностью и качеством, зависящим от пульсности тиристорных преобразователей.
Рассматривая схему, можно заключить, что при управлении электроприводом в области частот, близких к нулю, энергетические характеристики системы НПЧ-АД подобны характеристикам системы ТП-Д.
Разница лишь в том, что система НПЧ-АД при холостом ходе (М*=0) постоянно потребляет из сети реактивную мощность на намагничивание двигателя Qm*, а в системе ТП-Д при M*=0 Q*=0. С увеличением выходной частоты преобразователя растет влияние изменений угла регулирования с периодом выходной частоты, соответственно ряд гармоник (10.37) видоизменяется:
где mдв - число фаз двигателя, k и п=1, 2, 3 , fвх, fвых - входная и выходная частоты НПЧ
Эти особенности, а также ограничение максимальной частоты НПЧ условием fвых<fвх справедливо относятся в литературе к числу недостатков системы НПЧ-АД Однако, эта система успешно используется для мощных электроприводов и в перспективе можно ожидать расширения ее области применения в сторону меньших мощностей Этому должны способствовать усилия ученых, направленные на создание серийных двухфазных асинхронных двигателей, для которых НПЧ наиболее прост и менее дорог, чем для трехфазных двигателей
Однако во всех случаях применения НПЧ проблема улучшения энергопотребления должна решаться введением регулируемых ФКУ, рассчитанных на фильтрацию главных искажающих гармоник На рис.10.8 задача решена установкой нерегулируемого ФКУ совместно с дополнительным преобразователем Преобразователь ТП4 работает на индуктивность LH, и потребляет регулируемую индуктивную мощность на уровне избыточной емкостной мощности ФКУ в каждый момент времени Таким образом обеспечивается циркуляция полной реактивной мощности внутри электропривода и проблема качества энергопотребления решается
