Применение компенсационных выпрямителей в асинхронных электроприводах турбомеханизмов в целях энергосбережения

УДК 622.242

ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЕНСАЦИОННЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ В АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ ТУРБОМЕХАНИЗМОВ В ЦЕЛЯХ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

А.И. Зайцев, К.А. Разинкин, А.С. Кожин

Рассмотрены особенности управляемых выпрямителей с искусственной коммутацией по отношению к другим типам выпрямителей при питании асинхронных частотно-регулируемых электроприводов турбомеханизмов

Ключевые слова: электропривод, энергосбережение, коммутация, турбомеханизм, моделирование

Электропривод входит как существенная составляющая в единый энергетический процесс производства, распределения и использования электрической энергии. Проблемы всестороннего совершенствования электропривода, как основного потребителя электроэнергии и комплекса, часто определяющего технический уровень и экономическое совершенство обслуживаемых технологических процессов, должны представлять интерес для государств, заботящихся о благополучии своей экономики.

На сегодняшний день, частотно-

регулируемый асинхронный электропривод уверенно вошел в технологии, где традиционно применялся нерегулируемый электропривод.

Выбор типа преобразователя для частотнорегулируемого привода связан, в первую очередь, с решением задачи компенсации реактивной мощности нагрузки для исключения перенапряжений при мгновенной коммутации тока с фазы на фазу двигателя. В автономном инверторе тока (АИТ) такие конденсаторы находятся на стороне нагрузки (на стороне переменного тока). Как любые токовые источники подобного типа они содержали в звене постоянного тока дроссель большой индуктивности, работающий как фильтр. Схемная модификация первых АИТ, в которых компенсирующие конденсаторы через мост обратных диодов были вынесены на сторону постоянного тока, получила в дальнейшем название автономного инвертора напряжения (АИН), поскольку, оказавшись на входе инвертора, конденсаторы стали одновременно играть роль С-фильтра, придав такому инвертору свойства источника напряжения. На протяжении нескольких десятилетий именно вид входного фильтра являлся основным классификационным признаком АИТ и АИН, поскольку в обеих схемах использовались обычные тиристоры.

Зайцев Александр Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: ai_zaicev@mail.ru

Разинкин Константин Александрович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 243-77-03

Кожин Алексей Сергеевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: ellexx@mail.ru

Свойство полууправляемости делает возможным включение тиристоров лишь в области так называемых отстающих углов управления (вправо от точки естественной коммутации). При разложении прямоугольной формы выпрямленного тока в гармонический ряд основная гармоника тока 1(1) нагрузки, например, фаза А сдвигается на угол ф(1) в сторону отставания от напряжения питающей сети. Это свойство однооперационных тиристоров приводит к потреблению реактивной мощности индуктивного характера. В наиболее распространенных схемах управляемых вентильных преобразователей (УВП) потребление реактивной мощности происходит в размерах, пропорциональных степени регулирования выходного напряжения. В результате в ряде случаев работа мощного вентильного преобразователя зачастую сопровождается просадками напряжения в питающей сети, нарушающими режим энергоснабжения предприятий, особенно ярко это проявляется при резко-переменной нагрузке (например, прокатные станы).

Компенсация реактивной мощности, потребляемой УВП, затруднительна и часто малоэффективна, ввиду сравнительно высокого быстродействия этих устройств. В этой связи большие возможности для улучшения динамических и энергетических показателей УВП представляет метод искусственной коммутации полностью управляемых вентилей. Управление преобразователями с искусственной коммутацией возможно в области опережающих углов (-п < а < 0). При этом такие преобразователи превращаются из потребителей в генераторы реактивной мощности емкостного характера (компенсационные преобразователи). Существует возможность построения преобразователей, работа которых основывается на сочетании искусственной и естественной коммутации вентилей. Регулирование этих устройств возможно с поддержанием соъф^^ 1, в связи с чем их принято называть компенсированными. Таким образом, применение искусственной коммутации дает возможность изменять характер потребляемой реактивной мощности на подо-

бии режима работы синхронного компенсатора, работающего при различных токах возбуждения. Такие компенсаторы при недовозбуждении потребляют реактивную мощность индуктивного характера, при перевозбуждении генерируют в сеть реактивную мощность емкостного характера, а при номинальном возбуждении коэффициент мощности его будет равен единице.

Последний этап в развитии УВП с искусственной коммутацией ознаменовался появлением глубокорегулируемых устройств, свойства которых делают возможным применение их в широкой области техники. Разрабатывая преобразователь с искусственной коммутацией, в первую очередь приходится решать вопрос о коммутирующем узле. В случае использования полностью управляемых вентилей (ЮВТ, ОТО, ЮСТ) этот вопрос отпадает, но встает вопрос об ограничении перенапряжений из-за большой скорости изменения коммутируемых токов.

Для многофазных преобразователей в подавляющем большинстве случаев более целесообразна двухступенчатая коммутация, что объясняется возможностью использовать один (для нулевых схем) или два (для мостовых схем) узла коммутации для всего преобразователя.

Эффективность искусственной коммутации принято оценивать коэффициентом эффективности, под которым понимается отношение выигрыша в реактивной мощности, получаемого при применении компенсированного преобразователя, к мощности коммутирующих конденсаторов, приведенной к частоте сети. Выигрыш в реактивной мощности может быть до двойного (компенсация до единичного коэффициента мощности обычного преобразователя с управлением при отстающих углах управления (+а) плюс генерируемая реактивная мощность при опережающих углах управления (-а). В этом случае можно провести аналогию с работой синхронных двигателей, работающих в режимах недовозбуждения и перевозбуждения, при которых наряду с полезной работой осуществляется генерация (потребление) реактивной мощности.

Так же как и у управляемых вентильных преобразователей с естественной коммутацией, одним из основных недостатков вентильных регулируемых компенсированных преобразователей переменного тока в постоянный с искусственной коммутацией является значительное содержание в кривой тока высших гармоник. Улучшить гармонический состав тока можно путем увеличения продолжительности перевода тока из фазы с высшим напряжением в фазу

с низшим напряжением, т.е. увеличивая угол коммутации у. Следующим фактором, влияющим на форму выпрямленного тока, является наличие коммутационных перенапряжений, которые в зависимости от угла коммутации могут при прочих равных условиях весьма существенно видоизменить форму выпрямленного тока.

Негативные аспекты воздействия токоприемников с управляемыми статическими преобразователями на питающую сеть хорошо изучены. Однако вводимые во многих странах мира жесткие стандарты энергопользования придают данной проблеме особую значимость, поскольку штрафные санкции за нарушение качества электропотребления практически исключают применение преобразовательных установок, загрязняющих сеть.

При применении питания потребителей от полупроводниковых преобразователей нарушается электромагнитная совместимость за счет несинусоидальности потребляемого тока из сети. При этом происходит генерирование в сеть высших гармоник, искажающих форму напряжения сети. В ряде случаев затруднен или невозможен двухсторонний обмен энергией с питающей сетью.

Это негативное влияние обусловлено двумя взаимосвязанными факторами: неидеально-стью и в первую очередь неполной управляемостью используемых силовых ключей, а также несовершенством используемых алгоритмов управления.

Достижения современной силовой и информационной электроники позволяют преодолеть эти недостатки за счет применения современных силовых ЮВТ транзисторов, ОТО и 1ОСТ тиристоров, а также внедрения микропроцессорных систем управления.

Определим технико-экономические показатели выпрямителей с искусственной коммутацией по генерации реактивной мощности при условиях питания выпрямителей от сетей 380 вольт и применении асинхронных двигателей с соединением статорных обмоток в звезду.

Указанной ступени напряжения сети и двигателей по переменному току и постоянному току соответствует трехфазный мостовой выпрямитель с выходным напряжением по постоянному току 500В. Эти соотношения позволяют получать на выходе автономного инвертора действующее значения переменного тока 380 В.

Результаты расчетов сведены в таблицу, где показаны потребляемая активная мощность Р, генерируемая реактивная мощность емкост-

ного характера Qc для режимов 1-7 (в относительных единицах на1кВт).

Расчеты проведены по отношению одного кВА установленной мощности выпрямителя и двигателя. Построенные характеристики являются универсальными.

Тб' $'

шш

Режим Подача среды Р, о.е. а, град. Qcsinа, о. е.

1 1,0 1,0 0 0

2 0,9 0,729 3 - 0,6820

3 0,8 0,512 -59 0,8572

4 0,7 0,343 0 - 0,9397

5 0,6 0,216 7 - 0,9744

6 0,5 0,125 -83 0,9925

7 0,4 0,064 -86 0,9976

При переходе к именованным единицам достаточно умножить показатели в относительных единицах на установленную мощность двигателя и выпрямителя. На рис.1 приведено графическое отображение полученных расчетных значений активной и реактивной мощностей в функции угла управления выпрямителем.

При нулевом значении угла управления а потребляемая активность (точка 1) равна максимальному значению, а реактивная мощность (точка 1’) равна нулю.

Характерной особенностью таких выпрямителей является резкое возрастание углов управления при уменьшении нагрузки на двигатель. Так, например, при снижении нагрузки от полной (в относительных единицах - это 1,0) до 0,9 потребляемая мощность двигателем снижается до уровня 0,729 (точка 2), а генерируемая реактивная мощность возрастает до 0,65 (точка 2’) от полной мощности выпрямителя.

4* " 8

Ч/1 м

/ / > 2*

/ 3

/ \/ Ц, \. ф

4 в'

1 V

/>

Ш Ш -60 -Ж Ш -30 -20 -10

Ш

т

0,8

щ

Ж:

ом

щ

Ш

0,2

ц!

о

Рис. 1. Универсальные графики генерации РМ емкостного характера в функции углов управления

Начиная с 4 режима, и далее, реактивная мощность достигает уровня выше 0,9 от полной мощности выпрямителя «^п .

При равенстве напряжений выпрямителя и двигателя, следовательно, и установленных мощностей, генерируемая реактивная мощность емкостного характера по мере увеличения углов управления быстро нарастает и уже в режимах 4-7 она достигает значения 0,9-0,99 от полной мощности 8п. При регулировании напряжения на инверторе с помощью выпрямителя коммутационные потери в инверторе и двигателе сокращаются.

Генерация реактивной мощности выпрямителями с искусственной коммутацией непосредственно может влиять на следующие показатели:

- сокращение потерь активной мощности в самих двигателях и системе электроснабжения за счет разгрузки по реактивной мощности.

Рис. 2. Структурная модель технологического процесса с применением ЧР АЭП АВО природного газа

- изменение напряжения в узле нагрузки и ляции двигателя, таким образом увеличивая

влияние его на качество электроэнергии. срок его службы.

- за счет регулирования напряжения вы- Рассмотрим пример моделирования техно-

прямителем улучшаются условия работы изо- логического процесса с аппаратом воздушного

охлаждения природного газа, оснащенным системой асинхронного частотно-регулируемого электропривода в среде МЛТЬЛБ 8тиПпк 7.5. Структурная модель объекта исследования изображена на рис. 2. Внешними возмущающими воздействиями на систему являются влажность И-у и температураТ-у окружающего воздуха, сигналом задания является значение температуры Тg природного газа на выходе из аппарата воздушного охлаждения, принятой постоянной и равной 20 °С.

На рис. 3 показан пример изменения влажности окружающего воздуха во времени, а на рис. 4 - его температуры.

Расчету экономической эффективности применения компенсационных преобразователей должен предшествовать анализ взаимодействия потребителей активной и реактивной мощности и энергосистемы при компенсации реактивной мощности.

Fi-v, %

t, с

0123456789 10

Рис. 3. Пример возможного изменения влажности окружающего воздуха во времени

T-v,°C

t, с

0123456789 10

Рис. 4. Пример возможного изменения температуры окружающего воздуха во времени

Конкретно для каждого применения можно подсчитать экономию за счет высвобождения

реактивной энергии с помощью компенсационного выпрямителя.

Tg,° с

Ґ

1

/

t, С

0 2 4 Є 8 10 12 14 1G 18

Рис. 5. Отработка сигнала задания температуры газа на выходе АВО

В реальных условиях возможны два варианта реализации - когда действующее значение напряжения на выходе преобразователя частоты равно 380 В или 220 В.

Расчеты проведены для обоих вариантов по отношению к 1 кВА установленной мощности выпрямителя и двигателя, в результате были составлены универсальные характеристики для каждого, показывающие зависимость генерируемой реактивной мощности от углов управления. При переходе к именованным единицам достаточно умножить показатели на установленную мощность выпрямителя и двигателя. При установленных мощностях двигателя от 50 до 500 кВт средний срок окупаемости модернизированного электропривода составляет от 2 до 4 месяцев (варианты 2 и 1 соответственно).

Литература

1. Зайцев А.И., Плехов А.С. Силовая промышленная электроника: учеб. пособие. Воронеж: Научная книга, 2008. 252 с.

2. Фурсов В. Б. Моделирование электропривода: учеб. пособие. Воронеж: ВГТУ, 2008. 105 с.

3. Крюков Н. П. Аппараты воздушного охлаждения. М.: Химия, 1983. 168 с.

Воронежский государственный технический университет

APPLICATION OF THE COMPENSATION RECTIFIERS FOR THE ASYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVES OF TURBOMACHINES TO ECONOMICAL CONSUMPTION

OF ELECTRIAL ENERGY

A.I. Zajtsev, K.A. Razinkin, A.S. Kozhin

Enumerate advantages of controlled rectifiers with artificial commutation with respect to another types of rectifiers for supply the asynchronous frequency-controlled electric drives of turbomachines

Key words: the electric drive, power caretaking, the turbo machine, modeling, commutation