Проблема ресурсои энергосбережения

30

В.Г. Каширских

кВт в длительном режиме. При этом наибольшая температура корпусов СИП составила 105 -108 °С. Полученный результат не является предельным по теплопередаче для данного модуля, а определялся лишь мощно-

стью лабораторной установки.

Результаты испытаний разработанных систем охлаждения СПП подтверждают возможность создания высокоэффективных силовых полупроводниковых преобразователей в руд-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ничном взрывобезопасном исполнении для регулируемых электроприводов горных и транспортных машин, а конкретная разработка может быть нами выполнена по техническому заданию заказчика.

1. Мазикин В.П., Вылегжанин В.Н. Новая концепция перспективных направлений создания комплексной механизации ШНТУ для освоения Восточного Кузбасса// Материалы международной конф. «Динамика и прочность горных машин», ИГД СОРАН, Новосибирск, 2001.-С. 9-13.

2. Разумняк Н.Л., Мышляев Б.К. Пути создания высокоэффективных технологических схем угледобычи// Материалы международной конф. «Динамика и прочность горных машин», ИГД СОРАН, Новосибирск, 2001.-С. 13-25.

3. Чибиркин В.В., Елисеев В.В., Гейфман Е.М., Епишкин А.Н. Разработка и производство силовых полупроводниковых приборов на ОАО «Электровыпрямитель»// Вестник Уральского государственного технического университета - УПИ «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы», часть 1, Екатеринбург, 2003.-С. 315-318.

4. Кузнецов Ф.А., Резниченко М.Ф., Асеев А.Л. и др. Региональная межотраслевая программа «Силовая электроника Сибири»// Вестник Уральского государственного технического университета - УПИ «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы», часть 1, Екатеринбург, 2003.-С. 281-285.

Авторы статьи:

Каширских Вениамин Георгиевич

- канд. техн. наук, доц., зав. каф. электропривода и автоматизации

УДК 658.567.1:621.311.031.004.18

П. Д. Гаврилов, Е. А Лир, А. А. Неверов

ПРОБЛЕМА РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

О проблеме энерго- и ресурсосбережения говорят уже давно и довольно много. И, тем не менее, эта проблема и по сей день остается одной из наиболее актуальных. Достаточно указать, что в настоящее время эффективность использования энергоресурсов у России не превышает 30% [1, 2], и это при том, что, по оценкам Международного энергетического агентства, подтвержденных мировых запасов хватит:

- нефти - на 40-60 лет,

- газа - на 60-80 лет,

- угля - на 200-250 лет,

- урана 235 - на 50-100 лет.

Так как две трети электроэнергии, выработанной на электростанциях, преобразуется

различными электроприводами

в механическую энергию [3], и учитывая, что в народном хозяйстве России, по данным Главгосэнергонадзора, почти

60% излишнего энергопотребления приходится на асинхронные электродвигатели, у которых требуется регулирование частоты вращения [4], то, наконец, и в России с чрезмерно большим опозданием (в середине 90-х г.г.) осознали опасность большой энергоемкости ВВП. На Западе это осознали в середине 70-х г.г.

Дело в том, что лишнее необоснованное энергопотребление электроприводов должно компенсироваться электростанциями (преимущественно тепловыми). Следовательно, возникают дополнительные потери,

пропорциональные лишней энергии, в ЛЭП, трансформаторах, котлах, турбинах, электрогенераторах, тягодутьевом, топливо- и водоснабжающем оборудовании. Это вынуждает расходовать на каждый полезно используемый кВт в электроприводе дополнительно чрезмерно большое количество топлива.

В [4] написано: «Недооценка энергосбережения уменьшила до критического уровня надежность энергоснабжения России, а продолжающийся рост энергоемкости ВВП, без принятия экстренных мер по энергосбережению вызовет серьезные негативные последствия для всей экономики страны в целом.

... В качестве первоочеред-

ных приоритетных и быстро-окупаемых проектов «Программой энергосбережения России» предусматривается широкое

внедрение частотнорегулируемого электропривода на прогрессивной элементной базе, обеспечивающее экономию

электроэнергии на 30% и более.

... В целях энергосбережения ФЭКРФ предлагает: всем поименованным в рассылке организациям при разработке проектов реконструкции и нового строительства . считать обязательным применение частотнорегулируемого электропривода. Отсутствие в проектах частотнорегулируемого электропривода должно быть обосновано и защищено перед региональной энергетической комиссией. . Главгосэнергонадзору России взять под постоянный контроль обязательное применение частотнорегулируемого электропривода и определение упущенной выгоды у потребителей».

Эта директива во исполнение указа Президента Российской Федерации, Закона Государственной Думы и Постановления Правительства весьма полезна, но, к сожалению, выполняется недопустимо медленно.

Специалистам в области автоматизированного электропривода и преобразовательной техники известны свойства частотноуправляемых электроприводов различных типов еще с 70-х г.г., изучены возможности их влияния на статику и динамику, на надежность, электробезопасность и взрывобезопасность электромеханических систем (ЭМС) в различных отраслях, оценена их техническая и экономическая эффективность [516].

Появление современных,

более надежных, менее громоздких, с большими возможностями формирования различных законов частотного управления, с лучшей защитой электропривода от аварийных режимов преобразователей часто-

ты системы «нерегулируемый выпрямитель - фильтр - автономный инвертор с ШИМ» (В -Ф - АИН с ШИМ) создало более благоприятную перспективу (по сравнению с предыдущими ТПЧ) для экстренного снижения энергоемкости и ресурсоемко-сти ВВП. Причем в понятие минимизации ресурсоемкости мы вкладываем, кроме минимизации энергоемкости (расход тепла, топлива, электроэнергии) еще и минимизацию потерь воды и износа конструктивных материалов, обеспечивая с помощью ПЧ-АД оптимальное исчерпание технических ресурсов ЭМС горных машин, мощных ленточных и скребковых конвейеров, большегрузных

автосамосвалов с электромеханической трансмиссией, рудничных электровозов, трамваев и троллейбусов, шахтных подъемных машин, насосных и вентиляторных установок и других установок в различных отраслях.

Однако для наиболее эффективного использования автоматизированных электроприводов (АЭП) с частотным регулированием их координат, надо не увлекаться модными решениями, а технически и экономически грамотно обосновывать выбор того или иного типа АЭП с необходимыми для данного объекта характеристиками и свойствами, т.е. АЭП должен быть объектно-

ориентированным.

В настоящее время существуют различные частотноуправляемые АЭП: непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) - асинхронный двигатель (АД) с естественной и искусственной коммутацией, ПЧ с регулируемым тиристорным выпрямителем (ТП) и автономным инвертором напряжения (АИН) на однооперационных тиристорах (ТПЧ с АИН) - АД; ПЧ с ТП и автономным инвертором тока (АИТ) на однооперационных тиристорах - АД; ПЧ с диодным выпрямителем (В) и АИН с широтноимпульсной

модуляцией (АИН с ШИМ) на силовых транзисторах IGBT, или двухоперационных тиристорах (GTO), или на новых высоковольтных приборах типа IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), состоящих из запираемого тиристора со встроенным блоком коммутации - АД; ПЧ с диодным выпрямителем (В) и зависимым инвертором (ведомым сетью), включенными в роторную цепь АД с контактными кольцами, именуемый асинхронным вентильным каскадом (АВК); ПЧ с В в цепи ротора и питающейся от него машиной постоянного тока, присоединенной к валу АД, называемый асинхронным машинно-вентильным каскадом (АМВК), асинхронизированный синхронный двигатель (АСД) или машина двойного питания (МДП), представляющий АД с контактными кольцами, в роторную цепь которого включен НПЧ; ПЧ с ТП и АИН - синхронный двигатель (СД); ПЧ с ТП и инвертором тока, ведомым ЭДС синхронного двигателя, называемый вентильным двигателем (ВД) или бесколлектор-ной машиной постоянного тока (из-за аналогичных свойств).

Каждый из них проявляет определенные достоинства и недостатки на конкретных машинах и установках и в конкретных технологических процессах. Поэтому выбирать тип АЭП необходимо для выполнения подробно сформулированных требований на основании тщательного изучения объекта управления. Критерием выбора АЭП должен быть оптимум отношения цена /качество выполнения требований (ц/к). Стремление приобрести дешевую систему неизбежно приводит к серьезным потерям качества: из-за невыполнения ряда требуемых функций снижается производительность, безопасность, надежность, срок службы

и, следовательно, эффективность ЭМС.

В каждом АЭП предусмотрена возможность реализации

определенных законов частотного управления координатами технологического процесса, и выбирать их также надо для выполнения требований конкретного технологического процесса.

К сожалению, из-за недостаточного знания свойств и возможностей частотноуправляемых АЭП производственники часто боятся их применять, а вследствие некачественного (иногда никакого) формулирования требований к АЭП из-за неглубокого изучения объекта управления допускают грубые ошибки при выборе типа АЭП и его комплектации и недоиспользуют его возможности. Нередко считают достаточным сам факт изменения частоты вращения, не анализируя качество регулирования ее и электромагнитного момента АД или тока.

Итак, выбрав технически и экономически грамотно АЭП, необходимо использовать его свойства и возможности с максимальной эффективностью, т.е. минимизируя ц/к. Для этого надо обязательно предусмотреть в структуре АЭП возможность реализации автоматического управления по критерию минимальной удельной ресур-соемкости (исчерпание технического ресурса ЭМС на единицу полезной работы) или (и) минимальной удельной энергоемкости (затраты энергии на единицу продукта).

При этом надо обеспечить оптимальную ресурсоемкость, включая и энергоемкость, самого АЭП. Рассмотрим это на примере современного, новейшего АЭП системы «В - Ф -АИН с ШИМ - АД».

У людей, знакомых с красочными рекламными проспектами фирм-производителей комплектных частотных электроприводов и отдельных преобразователей частоты, могут возникнуть мнения, что, дескать, все это уже давно делается. Но при более детальном рассмотрении особенностей эксплуатации частотно-

регулируемого электропривода, даже если не учитывать особенностей конкретного технологического процесса, на поверхность всплывают следующие нюансы:

1) ресурсоемкость и энерго-

емкость электропривода определяется двумя обратно пропорциональными составляю-

щими (ресурсоемкость и энергоемкость преобразователя частоты и ресурсоемкость и энергоемкость двигателя);

2) реальная энергоемкость

преобразователя частоты зависит от многих факторов

условий;

3) для оценки ресурсоемко-сти и энергоемкости электродвигателя при его питании от преобразователя частоты необходимо иметь данные о гармоническом составе тока двигателя, об уровне коммутационных перенапряжений и о степени защиты обмотки от термо-вибромеханических повреждений, которые, по «непонятным» причинам не предоставляются производителями;

4) эксплуатация преобразователей частоты без входных фильтров, с одной стороны, приводит к снижению электромагнитной совместимости, а также надежности работы преобразователей, а с другой -обеспечивает более высокий КПД и массогабаритные показатели;

5) эксплуатация преобразователей частоты с выходными фильтрами, с одной стороны, обеспечивает снижение энергоемкости и повышение срока эксплуатации двигателя, а с другой - приводит к увеличению потерь в преобразователе и ухудшению массогабаритных показателей.

Рассмотрим каждый из этих нюансов поподробнее и с точки

зрения анализа, и с точки зрения синтеза.

Экстремальный характер потерь в системе ПЧ-АД известен давно [5, 8, 9]. Однако, из-за того, что двигатели и преобразователи чаще всего выпускаются различными фирмами, которые при этом не предоставляют всей информации, необходимой для определения экстремума, нет и соответствующего управления.

В паспортных данных на преобразователи практически всегда приводятся данные о КПД и cos ф без указания условий и режимов, в которых они измерялись. На наш взгляд, эти показатели должны приводиться, как минимум, в виде графиков зависимости от нагрузки, причем для разных значений частоты ШИМ.

При просмотре рекомендаций по выбору частоты ШИМ, приводимых в инструкциях по эксплуатации некоторых производителей, порой в качестве критерия выбора выступает только тон звука, возникающего при работе ПЧ-АД. В случае же, если и приводятся объективные критерии выбора, то опускаются конкретные численные значения, которые бы позволили более обоснованно подходить к выбору данного параметра преобразователя. В [8, 10, 11-16] показаны причины, характер и количественные значения коммутационных перенапряжений и термо-вибромеханических

воздействий и их влияние на надежность АД, на помехоустойчивость систем управления, на электро- и взрывобезо-пасность АЭП, а также приведены средства снижения негативных влияний импульсных воздействий.

В настоящее время фирмам, реализующим преобразователи частоты, пользуясь недостаточной осведомленностью большинства производственников в вопросах частотно-

регулируемого электропривода и той волной «популярности», которую он к себе привлек, ус-

пешно удается не учитывать повышение потерь в двигателе при его питании от преобразователя частоты. Если при этом еще учесть и то обстоятельство, что отечественные двигатели обычно проектируются на синусоидальное напряжение промышленной частоты, то потери, вносимые несинусоидально-стью тока, могут оказать существенное влияние на энергетические и эксплуатационные показатели электропривода [17].

В отношении применения входных фильтров при эксплуатации преобразователей частоты большую роль играет недостаточная электротехническая грамотность производственников. Так как в нашей стране пока не так строго контролируют электромагнитную обстановку на предприятиях, как, например, в большинстве европейских стран, то на многих объектах оказываются установленными преобразователи частоты либо вообще без входных фильтров, либо с фильтрами, не обеспечивающими достаточного снижения уровня электромагнитного излучения, после чего начинаются различного рода «чудеса», обусловленные повышением уровня высших гармоник [18, 19] и электромагнитных помех [20].

Про выходные фильтры часто упоминают, как о средстве снижения емкостных токов при больших длинах кабеля, соединяющего двигатель с преобразователем [2, 17, 22, 23-25]. Ни коим образом не умаляя значимости этой проблемы, хотелось бы все-таки напомнить,

что задача определения гармонического состава напряжения (тока) двигателя при его питании от преобразователя частоты, являясь не менее важной, не возможна без знания гармонического состава на выходе ПЧ и после фильтра. Поэтому уверений в том, что при наличии выходного фильтра обеспечивается нормальная работа преобразователя частоты с АД вплоть до такой-то длины кабеля, опять же, на наш взгляд, недостаточно. Несколько лучше описан этот вопрос в [22, 24, 25], где приводятся различные варианты выходных фильтров, ориентированные на решение различных задач, в том числе и обеспечение синусоидальности напряжения и тока двигателя, хотя и здесь лишь указано, что «коэффициент искажений для напряжения двигателя частотой 50 Гц с синусоидальным фильтром равен примерно 5%». При этом возникает вопрос - кто, не понимая серьезности и важности, станет дополнительно приобретать выходной фильтр, увеличивающий стоимость преобразователя на 30% [23]. А в действительности выбор коммутационной частоты, входных и выходных фильтров является важнейшей и весьма серьезной проблемой. Так как в процессе эксплуатации АЭП изменяется длина кабеля (на ряде предприятий), загрязняется и увлажняется обмотка АД, то, следовательно, изменяются их волновые сопротивления. Это влечет изменение уровня и распределения по обмотке коммутационных перенапряжений. Кроме

этого, в заземляющей жиле гибких кабелей, в свинцовой и стальной оболочках бронированных кабелей и в проложенных параллельно силовым кабелях управления, имеющих связь с «землей», наводятся достаточно большие токи, взрывоопасные и пожароопасные в соответствующей среде и вызывающие самовключение транзисторов и тиристоров [14].

Подытоживая вышесказанное, можно сказать, что в отношении анализа преобразователей частоты требуется доработка методики контроля энергетических параметров, что позволило бы адекватно оценивать их эффективность в различной комплектации с учетом изменения настроек параметров во всем диапазоне нагрузки.

В отношении же синтеза разработчикам предоставляется широчайшее поле деятельности по оптимизации параметров преобразователей частоты и электродвигателей (по отдельности и при совместной работе) и пересмотру перечня данных, предоставляемых в технической документации.

Для резкого повышения эффективности применения частотноуправляемых АЭП необходимо срочно организовывать курсы для производственников различных уровней с соответствующими программами по характеру их деятельности. На кафедре электропривода и автоматизации КузГТУ есть такие специалисты и необходимое техническое оснащение.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. «Энергосбережение. Время действовать». Новости электротехники, №6, 2001, www.news.eltech.ru.

2. «Энергосбережение для повышения экономической эффективности предприятия». Новости электротехники, №1, 2002, www.news.eltech.ru.

3. Копылов И. П. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.:Энергоатомиздат, 1986. - 360с

4. Корсун Ю. Н. О применении частотнорегулируемого электропривода. Директивное письмо Председателя Федеральной Энергетической Комиссии Российской Федерации № ФЭК - 3, 14.05.96г.

5. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными двигателями. - 3-е перераб. изд. - М.: Энерго-атомиздат, 1982. - 216с.

6. Эпштейн И. И. Автоматизированный электропривод переменного тока. - М.: Энергоатомиздат,

1982. - 192с.

7. Рудаков В. В. И др. Асинхронные электроприводы с векторным управлением / В. В. Рудаков, И. М. Столяров, В. А. Дартау. - Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1987. - 136с.

8. Гаврилов П. Д. Автоматизированный электропривод горных машин. - Кемерово: Кузбасский поли-техн. ин-т, 1983. - 61с.

9. Мануковский Ю.М., Пузаков. Широкорегулируемые автономные транзисторные преобразователи частоты. - «Штиинца», Кишинев, 1990. - 152 с.: ил.

10. Гаврилов П. Д. Коммутационные перенапряжения в забойных электродвигателях. / Автоматизация и электрификация в горной промышленности. //Сб. науч. тр./ Кузб. политехн. ин-т. Кемерово, 1969. №19

11. Гаврилов П. Д. Повреждения витковой изоляции электродвигателей забойных машин. / Автоматизация и электрификация в горной промышленности. //Сб. науч. тр./ Кузб. политехн. ин-т. Кемерово, 1969. №19

12. Гаврилов П.Д., Машенцев А. С. Результаты разработки и исследования комплексной модели износа электродвигателя и трансмиссии горных машин. / Современное взрывозащищенное электрооборудование.// Тезисы докладов IV Всесоюзной научно-технической конференции. М.: Информэлектро, 1975.

13. Высоцкий В. П., Демидов В. Я., Гаврилов П.Д. Коммутационные перенапряжения в шахтных участковых сетях напряжением 660 и 1140 В. / Промышленная энергетика, 1978, №3

14 Демидов В. Я., Гаврилов П. Д., Высоцкий В. П. Изменение токов управления в процессе эксплуатации тиристоров и влияние их на помехоустойчивость тиристорных систем. / Электропривод и автоматизация в горной промышленности .// Сб. науч. тр. / Кузб. политехн. ин-т. Кемерово, 1974. №70

15. Высоцкий В. П., Гаврилов П. Д., Демидов В. Я. Средство снижения наводок во вспомогательных жилах силового кабеля забойной машины с тиристорным приводом. /Автоматизированные системы управления горных предприятий. // Сб. науч. тр. / Кузб. политехн. ин-т. Кемерово, 1986

16. Высоцкий В. П., Гаврилов П. Д., Демидов В. Я. Исходные данные при расчете двухобмоточного дросселя для снижения наводок в контуре заземления забойной машины с тиристорным приводом. /Повышение безопасности труда в шахтах.// Сб. науч. тр./ ВостНИИ. Кемерово, 1986.

17. Андрианов М.В., Родионов Р.В. Особенности электропотребления комплектных приводов на базе преобразователей частоты с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. Электротехника, №11, 2002 г.

18. «Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ». Новости электротехники, №1, 2003, www.news.eltech.ru.

19. Жежеленко И.В., Сорокин В.М. Высшие гармоники в электрических сетях. Электричество, № 11, 1974 г.

20. «Невнимание к проблеме ЭМС может обернуться катастрофой». Новости электротехники, №6, 2001, www.news.eltech.ru.

21. Проблема «длинного кабеля» в электроприводах с IGBT-инверторами, корпорация Триол, www.triolcorp.ru.

22. Siemens, Каталог DA 65.10 2001-2002

23. Siemens, Интерактивный каталог CA01.

24. ABB AC Drives. Comp - ACTM Каталог 1999

25. ABB Автоматизация. Высоковольтные электроприводы серии ACS 1000 для регулирования скорости и момента асинхронных двигателей мощностью от 315 до 5000 кВТ

Авторы статьи:

Гаврилов Петр Данилович

- канд. техн. наук, доц. каф. электропривода и автоматизации

Лир

Евгений Александрович аспирант каф. электропривода и автоматизации

Неверов Андрей Александрович

- аспирант каф.электропривода и автоматизации