Особенности энергетики вентильных приводов.

Для регулируемых ЭП применяют преобразователи 2х типов:

1. Электромашинные (ЭМ) ;

2. Статические.

С точки зрения энергетики они состоят из 2х узлов:

1. Устройство согласования с сетью (УСсС);

2. Сам преобразователь (Пр)

В электромашинах в качестве устройства согласования используется приводной синхронный двигатель или асинхронный двигатель. В статических трансформатор или реактор. Преобразователь в электромашинном представляет собой синхронный генератор или генератор постоянного тока.

В статических это ТП или ШИП и АИ (автономный инвертор).

КПД электрической машины и трансформатора примерно одинаковый, а показатели реактора и статического преобразователя значительно выше чем у электромашинных преобразователей. Так даже при полной загрузке система ТП-Д(с трансформатором) позволяет экономить 7% электроэнергии и имеет в 3 раза меньшие потери в преобразовательном агрегате. Однако оценку энергетической эффективности вентильных электроприводов следует проводить с учетом негативных воздействий проявляющихся как внутри электропривода так и в системе электроснабжения.

Внутри ЭП с преобразователями естественной коммутацией формы тока и напряжения завися от пульсности преобразователя, угла регулирования α, индуктивности нагрузки и ЭДС вращения. При возрастания α, возрастает амплитуда пульсации тока относительно заданного или среднего значения и расширяется зона прерывистого тока. А в системе ТПН-АД регулирование происходит только в этой зоне. Всё это имеет следующее практическое влияние:

1. полезную работу определяют средний ток или первая гармоника для АД.

2. Пульсации тока и высшие гармоники тока для АД вызывают дополнительные потери для АД, что требуют либо их ограничения, либо завышение типоразмера двигателя

3. Режим прерывистого тока для быстродействующих приводов с прецизионным регулированием может вызвать недопустимую неравномерность движения исполнительного механизма.

Для ограничения пульсаций из зоны прерывистых токов можно использовать сглаживающий реактор или увеличить пульсность преобразователя. Для приводов средней и большой мощности главные энергетические проблемы связаны с питающей сетью. В отдельных случаях качество энергопотребления может оказать решающее влияние на выбор систем электропривода. Негативнее явления вызваны фазовым принципом управления и не синусоидальностью напряжения и тока. Если определить активную мощность Р, потребляемую в сети действующее напряжение сети U₁ и тока I_1, то можно рассчитать составляющие оценки качества энергопотребления.

Полная мощность, т.е максимально-активная мощность, которую мог бы потреблять ЭП при отсутствии сдвига (напряжения и тока) и высших гармоник

Среднее значение активной мощности за цикл

где I_1ф –

Полная реактивная мощность

Полная реактивная мощность сдвига

Сущность её соответствует реактивной мощности

при синусоидальных токов и напряжений

где. Т- реактивная мощность искажений, обусловленная взаимодействием высших гармоник тока с ЭДС источника питания сети. Эту мощность определить без специальных приборов не возможно. Поэтому на практике используют следующий подход: принимая что напряжение синусоидально, угол сдвига фазы первой гармоники для преобразователей с естественной коммутацией определяет как

Реактивная мощность сдвига определяется только первой гармоникой тока:

И теперь полная мощность:

В соответствии с таким подходом можно найти активную составляющую первой гармоники тока:

и эффективное значения тока первой гармоники:

Для оценки качества энергопотребления использую следующие коэффициенты. Коэффициенты мощности:

Коэффициент сдвига, характеризующий соотношения активной мощности и реактивной мощности сдвига:

Коэффициент искажения:

Коэффициент мощности характеризующий эффективность энергопотребления или степень использования полной мощности загружающей сеть:

При не симметрии электропотребления по фазам вводится коэффициент не симметрии :

И тогда коэффициент мощности представляется тремя множителями:

Таким образом, вентильные преобразователи вызывают дополнительные составляющиеся мощностей которые отрицательно влияют на сеть. При низком значении К_М сеть загружается реактивным током первой гармоники и высшими гармониками тока. Для ЭП эти реактивные составляющие практически полностью несут активную мощность. Для сети реактивная составляющая вызывают дополнительные потери активной мощности активных сопротивлений в сети. Высшие гармоники тока при увеличении числа и мощности преобразователя, если их мощность становится соизмеримой с мощностью питающего трансформатора, могут вызвать искажение напряжения в сети и резонансные явления в конденсаторах , используемых для компенсации реактивной энергии.

Пример

Вбирается система ЭП постоянного тока ТПД и ГД. Во втором варианте в качестве приводного используется синхронный двигатель с тиристорным преобразователем.

Управления генератором производится от собственного тиристорного преобразователя, а сам генератор Г-Д может допускать форсировку по возбуждению до 10-ти кратного значения.

В этом случае по быстродействию и точности регулирования системы соизмеримы. Однако система Г-Д несколько раз дороже. Использую автоматическое регулирования возбуждение АД можно получать соs(φ) в системе электроснабжения близким к 1. Кроме того, ТП-Д при пуске α имеет большое значение и происходит наброс реактивной энергии на сеть. И за счёт больших пульсаций тока в сеть поступают выше гармоник. Если мощность преобразователя и трансформатора сети соизмеримо то требуется ставить фильтро-компенсирующие устройство, т.е. ещё один преобразователь. При работе на низких скоростях когда М_с = соnst система ТП-Д потребляет такой же ток как и на большой скорости, а система ГД ток будет определяться мощностью на валу двигателя и потерями в машинах и будет значительно ниже, т.е. выбор системы не ясен. Если ЭП большой мощности соизмерим по мощности с питающей сетью то представляется разумным не порождать энергетических проблем и выбрать систему Г-Д. Если мощность сети значительно больше мощности ЭП, то однозначно можно выбрать систему ТП-Д.