Основные понятия и тенденции развития энергосбережения

1ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ И ТЕНДЕНЦИИ  РАЗВИТИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Современный этап развития Украины характеризуется острым энергодефицитом, так как потребность  в использовании топливно-энергетических ресурсов за счет собственной их добычи  удовлетворяется меньше, чем на 50%.

В 1998 году в Украине произведено 173 млрд.  кВт  ч  электроэнергии (см. рис.1.1), в том числе электростанциями объединенной энергетической системы (ОЭС) Украины-171978,7 млн. кВт·ч. За 1997 год было выработано 177024,4 млн. кВт·ч. Следовательно, снижение производства электроэнергии  в 1998 году составляет 5045,7 млн. кВт·ч, или 2,9 %.

Главными причинами падения объемов производства электроэнергии остается спад промышленного производства на предприятиях Украины и крайне низкая платежеспособность отечественных потребителей.

Рисунок 1.1 – График падения  электроэнергии

В стране  эксплуатируется  больше 1 млн. км воздушных и кабельных  линий электропередач всех классов напряжений, а также 5,4 тыс. единиц трансформаторных подстанций общей мощностью 160 тыс. МВ×А.

Одной из проблем украинской энергетики есть то, что недостает маневровых мощностей, которые позволяют покрывать спрос на электроэнергию во время пиковых нагрузок, а также перетоки электроэнергии.

Энергосбережение - это комплекс мероприятий, направленных на рациональное  использование энергетических  ресурсов. В результате снижается потребность в топливно-энергетических ресурсах на единицу конечного продукта и уменьшается неблагоприятное влияние на окружающую среду.

Электрическая энергия имеет  ряд особенностей:

• она непосредственно не подлежит визуальному восприятию;
• легко превращается в иные виды энергии (например, в тепловую, механическую);
• достаточно просто и с большой скоростью передается на большие расстояния;
• возможный ее раздел (деление) в электрических сетях;
• проста в использовании с помощью машин, установок, приборов;
• позволяет изменять свои параметры (напряжение, ток, частота);
• удобна для контроля и управления;
• качество ее определяет качество работы оборудования, которое потребляет эту энергию;
• качество энергии в месте производства не может служить гарантией ее качества в месте потребления;
• неразрывность во временном измерении процессов производства и потребления энергии;
• процесс передачи энергии сопровождается ее потерями.

Электрическую энергию передает электромагнитное поле проводника, этот процесс имеет волновой характер. Причем часть электроэнергии, которая передается, расходуется в самом проводнике, то есть теряется. Отсюда вытекает понятие «потери электроэнергии ». Потери электроэнергии есть во всех элементах электрической системы: генераторах, трансформаторах, линиях электропередачи и т. п., а также в электроприёмниках (электрических двигателях, электротехнологических устройствах и агрегатах).

Общая потеря электроэнергии складывается из двух частей: номинальных потерь, которые определяются условиями работы при номинальных режимах и оптимальном выборе параметров системы электроснабжения, и дополнительных потерь, обусловленных отклонением режимов и параметров от номинальных значений. Экономия электроэнергии в системах электроснабжения основывается на минимизации как номинальных, так и дополнительных потерь.

Мероприятия по эффективному использованию электрической энергии следует выбирать, исходя из принципа достижения минимума затрат при выполнении условий надежности системы электроснабжения и качества электрической энергии. Необходимо выполнять  малорасходные мероприятия по снижению потерь и повышению уровня эксплуатации элементов системы электроснабжения

Основным направлением в  области энергосбережения является экономия электроэнергии при ее передаче, распределении и использовании. Реальное энергосбережение затрагивает вопросы работы электроснабжающих сетей, преобразователей энергии всех типов и технологических механизмов.

Энергосберегающими мероприятиями  при передаче электроэнергии являются:

• рациональный выбор уровня напряжения питающей сети и рода   тока (постоянный или переменный);
• принятие экономически целесообразного сечения проводов и кабелей;
• повышение коэффициента мощности;
• приближение источников питания к потребителям;
• оптимизация графиков нагрузок и т.д.

Эффективность энергосберегающих  мероприятий потребителей электроэнергии может быть значительно выше, т.к. более 90% вырабатываемой энергии потребляется системами электропривода, электротехнологическими и осветительными установками. Самые крупные резервы энергосбережения заложены в совершенствовании электропривода, на долю которого приходится около 60% всей потребляемой электроэнергии. В некоторых отраслях промышленности потребление электроэнергии электроприводом доходит до 80%. Уменьшение скорости двигателя до скорости рабочего механизма помогает экономить энергию и улучшает управление технологическим процессом. В то же время об экономичности привода говорить рано, хотя бы в силу малых фактических значений коэффициентов загрузки привода.

Электропривод, по сравнению  с другими типами приводов, обладает рядом преимуществ:

• работа без отходов и бесшумность создаёт комфорт для людей;
• высокий КПД, т.е. выделяется меньше тепловых потерь. Вследствие этого уменьшены габариты и площадь охлаждения;
• электропривод регулируемый и обратимый.

Электроприводы со сложным, тонко управляемым технологическим  процессом составляют небольшую  долю от общего числа. Основная же их часть  – простые, обычно нерегулируемые массовые устройства, такие как вентиляторы, насосы, конвейеры, подъёмные краны, механизмы в перерабатывающей промышленности, строительстве и т.д. Именно эти объекты являются основными потребителями электроэнергии и здесь возможна реальная ее экономия.

Рассмотрим процессы, влияющие на энергосбережение в электроприводе и определяющие тенденции его развития:

• рост энергоемких технологий при возрастающей сложности получения энергии, дефиците доступных энергоресурсов. Добыть тонну топлива и выработать соответствующее количество электроэнергии примерно вдвое дороже, чем сэкономить. В дальнейшем эта разница растет;
• усложнение технологии, что приводит к увеличению доли регулируемого или управляемого по пуску электропривода. Заканчивается дискуссия о возможных вариантах регулируемого электропривода – практически однозначно выбор делается в пользу электропривода переменного тока;
• возрастающие требования создания условий для безаварийной работы электропривода за счет повышения эффективности управления режимами энергоиспользования электрических машин, энергоснабжающих сетей;
• бурное развитие преобразовательной техники (запираемых тиристоров и силовых транзисторов) и средств управления (микроэлектроники, микропроцессорной техники и т.д.);
• появление доступных каждому инженеру мощных вычислительных средств, открывающие новые возможности рационального проектирования и оптимизации электропривода.

Поэтому актуальной является задача разработки и широкого внедрения  энергосберегающих мероприятий и средств промышленного электропривода.

2 ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

2.1Частотно-регулируемый  электропривод с асинхронным  двигателем

Основными типами регулируемых асинхронных электроприводов с  короткозамкнутыми двигателями  являются:

• частотно – регулируемый электропривод, позволяющий удовлетворить самые высокие требования по диапазону и качеству регулирования скорости и отработке сложных законов движения;
• система с реализацией энергии скольжения – асинхронно-вентильный каскад АВК;
• система тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель ТРН-АД, предназначенная для массовых электроприводов с управляемыми пускотормозными режимами, режимами кратковременного снижения скорости.

Скорость асинхронных  двигателей практически пропорциональна  частоте напряжения питающей сети. Таким образом, изменение скорости вращения двигателя может быть достигнуто путём изменения частоты потребляемого  напряжения. С другой стороны, момент двигателя пропорционален магнитному потоку в воздушном зазоре двигателя. Последний, в свою очередь, пропорционален питающему напряжению и обратно пропорционален частоте питающего напряжения. Таким образом, момент двигателя может быть изменён путём подстройки питающего напряжения под любую требуемую частоту.

Соответственно, используя двигатель переменного  тока для получения постоянного  момента при изменяющихся скоростях, необходимо иметь источник энергии с регулируемым напряжением и регулируемой частотой, который будет поддерживать постоянным отношение:

U / f=const,

где U - напряжение питающей сети; f - частота.

Самый известный  способ получения этого типа энергии - это преобразование переменного тока на промышленной частоте 50 Гц в постоянный ток с помощью выпрямителя, а затем обратно в переменный ток при помощи инвертора. В этой схеме напряжение регулируется выпрямителем, а частота инвертором.

Основными элементами частотно-регулируемого  привода являются выпрямитель, инвертор, асинхронный или синхронный двигатель, программируемый микроконт -роллер. В добавление к перечисленному используются индуктивности и (или) ёмкости для стабилизации выхода выпрямителя и минимизации уровня высших гармоник.

Обобщённая  функциональная схема частотно-регулируемый электропривод показана на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема частотно-регулируемого электропривода

Системы частотно-регулируемого электропривода могут быть классифицированы по типу двигателя и по типу преобразователя.

Частотно-регулируемый электропривод с асинхронным двигателем:

- c инвертором тока;

   - c инвертором напряжения.

Частотно-регулируемый электропривод с синхронным двигателем:

- с инвертором тока, часто называемым инвертором с коммутируемой нагрузкой (load-commutated inverter - LCI);

-  с инвертором напряжения.

В дополнение используется техника, известная как широтно-импульсная модуляция ШИМ (PWM). В этой схеме применяется неуправляемый выпрямитель, а переменный ток с регулируемой частотой и регулируемым уровнем напряжения формируется инвертором. ШИМ уменьшает содержание гармоник на выходе инвертора путём улучшения формы кривой тока инвертора тока или формы напряжения на выходе инвертора напряжения.

Сумма свойств, включая некоторые преимущества и недостатки трёх типов частотно-регулируемых электроприводов, показаны в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - преимущества и недостатки частотно-регулируемых электроприво- дов

Замечания: по выбору - значит, что свойство обеспечивается за отдельную плату; требуется - значит, что свойство обеспечивается в основной конструкции.

Частотно-регулируемый электропривод с синхронными двигателями наиболее экономичен при мощностях 1000 кВт и более. В таких системах обычно используется инвертор тока с коммутируемой нагрузкой. Использование синхронных двигателей с постоянным магнитным полем, выполненных на постоянных магнитах, в системах частотного управления постоянно возрастает.

Изолирующие трансформаторы практически всегда устанавливаются  для частотно-регулируемого электропривода мощностью 750 кВт и выше. Трансформаторы служат как промежуточное звено между внешним источником энергии и частотно-регулируемым электроприводом. Они уменьшают высшие гармоники и ограничивают перенапряжения.

Для обеспечения быстродействия электропривода в переходных процессах  разработан метод пространственного  векторного управления, называемый также  управлением с ориентацией магнитного поля. Этот метод основан на управлении двумя составляющими статорного поля, одна из которых обеспечивает поток в воздушном зазоре двигателя, а другая – момент на его валу. В результате становится возможным  быстро изменять значение момента в  широком диапазоне скоростей. Индукционный двигатель при таком способе  управления становится подобен двигателю постоянного тока с независимым возбуждением.

Управляемыми компонентами при реализации метода являются составляющие тока статора в системе вращающихся  координат. При этом различают прямое и косвенное векторное управление. Существуют много модификаций систем векторного управления. В частности, пространственный вектор  вычисляется  микроконтроллером с использованием модели, учитывающей параметры конкретного  типа двигателя, например, активных сопротивлений  ротора, статора, индуктивности рассеяния  и др. Одновременно учитывается информация, поступающая с датчика скорости двигателя. На рис.2.2 приведена обобщенная схема векторного управления. Здесь: СУ – система управления инвертором; ВВ – вычислитель вектора управления; ДС – датчик скорости; Д – двигатель; В – выпрямитель; И – инвертор.

Рисунок 2.2 - Обобщенная схема векторного управления

При любом способе управления посредством значения и частоты  питающего напряжения в системе электропривода необходимо иметь преобразователь частоты, который может быть выполнен на основе различных схем.

Тиристорные преобразователи  обладают рядом значительных недостатков, которые существенно снижают  технико-экономические показатели электропривода в целом. К таким  недостаткам относят, прежде всего, крайне низкие массогабаритные удельные показатели и наличие высших гармоник в выходном напряжении, снижение которых методами ШИМ затрудняется частотными характеристиками тиристоров. Поэтому для эффективного управления асинхронным электроприводом малой и средней мощности используют инверторы напряжения на IGBT – транзисторах с рабочей частотой, лежащей за переделами звукового диапазона.

Массовое производство преобразователей для электропривода на основе современных  двухоперационных приборов освоено  практически всеми ведущими электротехническими  компаниями мира. При этом многообразию существующих преобразователей свойственно  использование в качестве силовой  схемы одной и той же классической структуры (рис.2.3.): трехфазный мостовой неуправляемый (нерегулируемый) выпрямитель В, LC – фильтр Ф звена постоянного тока, трехфазный мостовой автономный инвертор напряжения АИН с широтно -

 импульсной модуляцией ШИМ.

Рисунок 2.3 – Структура  преобразователя

В силовом канале: КА –  коммутационный аппарат; БД – блок датчиков. В системе управления: ИП – источник питания; МК – микроконтроллер; УЗ – узел защиты; ФИ – формирователь  управляющих импульсов.

Неуправляемый режим работы выпрямителя и свойства силовых  управляемых ключей инвертора снимают вопросы ограничения di/dt и du/dt в цепях вентилей, применения громоздких снабберов для защиты от перенапряжений и т.п. 

Основное влияние на потребительские  свойства преобразователей и электроприводов  оказывает их информационный канал  – используемые алгоритмы управления и регулирования и реализующие  их микроконтроллерные системы МСУ. Именно последние определяют регулировочные свойства и динамические характеристики электропривода, его функциональность и адаптивность к сложным системам автоматического управления различными технологическими процессами.

Эффективность применения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов на основе IGBT – инверторов с МСУ  включает:

• энерго и ресурсосбережение;
• существенное снижение потребления реактивной мощности из сети;
• увеличение ресурса работы электрического, механического и гидравлического оборудования;
• автоматизация и оптимизация управления технологическими процессами.

Кроме собственно двухступенчатого преобразования электрической энергии  – выпрямления и инвертирования, силовой канал решает следующие  задачи:

• управляемой связи с сетью – оперативные включения и выключения электропривода;
• аварийных отключений электропривода от сети и автоматических повторных включений;
• электромагнитной совместимостью ЭМС электропривода с сетью, в том числе в части индустриальных радиопомех;
• защиты элементов преобразователя и электродвигателя от недопустимых токов и напряжений;
• реализация тормозных режимов электропривода.

Каждая из перечисленных  задач имеет, как правило, несколько  вариантов решения, отличающихся схемным  и аппаратным исполнением соответствующих  узлов силового канала. Управляемая  связь с сетью может быть реализована  двумя способами:

• использованием контактного дистанционно управляемого электромагнитного аппарата в сочетании с неуправляемым диодным выпрямителем В;
• использованием полууправляемого диодно–тиристорного выпрямителя УВ без аппарата КА.

Оперативное и аварийное  управление КА либо УВ осуществляет МСУ. Применение той или иной схемы  включения определяется системой электроснабжения электропривода на объекте эксплуатации: характеристиками сети, составом и  характеристиками коммутационного  оборудования.

Электромагнитная совместимость  электропривода с питающей сетью  должна обеспечиваться зарядкой фильтровой емкости при подключении к  питающей сети без опасных для  выпрямителя экстратоков и перенапряжений, режимами потребления активной мощности из сети и ее генерации в питающую сеть, высоким значением входного коэффициента мощности, ограничением радиопомех, генерируемых в питающую сеть, до оговоренных   стандартами    значений,  а  также,   токоограничением    при авариях в выпрямителе и звене постоянного тока.

Наиболее используемыми  вариантами обеспечения допустимых значений входного коэффициента мощности является применение входных реакторов  или (и) реакторов в цепи заряда фильтрующего конденсатора. Минимизация коэффициента несинусоидальности сетевых напряжений и токов обеспечивается соответствующим  расчётом и выбором входных дросселей  и дросселя фильтра звена постоянного  тока. Результаты проведенных исследований показали, что для обеспечения  приемлемого входного коэффициента мощности достаточно установить 1,5 – 5%  входные реакторы в зависимости  от индуктивности питающей сети.

Основным источником генерирования  индустриальных помех является АИН  из–за очень высоких скоростей  переключения IGBT. Входные реакторы при использовании установленного перед ними емкостного фильтра радиопомех решают проблему ограничения радиопомех, имеющих без фильтра недопустимую величину (120–130 дБ). Фильтр подавления радиопомех электроприводов выполняется в виде отдельного силового модуля и содержит комбинацию различных видов дросселей и конденсаторов, соединенных по определенной схеме.

Рисунок 2.4 – Силовой канал

Защита электропривода от недопустимых токов и напряжений в рабочих режимах, в режимах  перегрузки и аварий является одной  из наиболее сложных задач проектирования силового канала (рис.2.4.). Причем сложность заключается в оптимизации способов и средств защиты по критериям их эффективности (достаточности) и экономичности.

На схеме рис.2.4. цифрами 1 – 8 обозначены цепи протекания аварийных токов и соответствующие им аварийные режимы. Появление аварийных токов может быть вызвано коротким замыканием цепей преобразователя и двигателя (1,7), выходом из строя силовых полупроводниковых приборов преобразователя (3,6), несанкционированным включением транзистора АИН (5), нарушением изоляции и замыканием на корпус цепей преобразователя и двигателя (2,4,8) при питании от сетей с заземленной нейтралью N. Следствием отключения аварийных токов средствами защиты является возникновение недопустимых перенапряжений, что требует принятия мер по их ограничению в цепях вентилей выпрямителя и, особенно, транзисторов АИН.

Аварийные режимы 1 – 4 опасны для вентилей выпрямителя. Благодаря  большим кратностям ударных токов  и значениям интегралов I²t этих вентилей (диодов, тиристоров) их защита может быть обеспечена автоматическим выключателем либо быстродействующими плавкими предохранителями во входных цепях преобразователя. Ограничение неповторяющихся коммутационных перенапряжений в цепях вентилей обеспечено защитными RC – цепями либо варисторами.

Важнейшими узлами, влияющими  на работоспособность и надежность транзисторного АИН, являются емкостной  фильтр звена постоянного тока и  главная цепь разряда емкости  фильтра на выходные транзисторы  инвертора.

Выпускаемые сегодня IGBT допускают 8 – 10-кратный относительно номинального ток в режиме короткого замыкания  в течении 10-20 мкс. Максимально допустимые напряжения, приложенные к переходу IGBT, лежат в пределах 1200-3500 В. Характерное  время выключения IGBT составляет 1 мкс. Таким образом, при включении  инвертора с номинальным напряжением  в звене постоянного тока 514 В  из режима короткого замыкания суммарная  индуктивность емкостного фильтра  и ошиновки главной цепи (мкГн) должна находится в пределах от 75/I_н для прибора 12 класса до 150/I_н – для прибора 17 класса. Для привода мощностью 100 кВт, построенного на приборах 12 класса, она должна быть порядка 0,1 мкГн и уменьшаться с дальнейшим ростом мощности.

Для решения этой проблемы применяются плоскопараллельная ошиновка главной цепи и малоиндуктивные  электрические  конденсаторы европейских  изготовителей.

Аварийные токи режимов 5 – 8 протекают в цепях транзисторов АИН, существенно более уязвимых к токовым перегрузкам. Защитить IGBT аппаратными средствами силовых  цепей практически невозможно. В  режимах 5 – 7 ситуация усугубляется энергией мощного конденсатора С_d (тысяча микрофарад) фильтра звена постоянного напряжения. Здесь возможно лишь быстродействующее (1–3 мкс) выключение транзисторов по цепям управления. Для этих целей в цепи силового канала электропривода включены безинерционные датчики тока. Кроме того, аварийное выключение транзисторов может осуществляться специальными формирователями управляющих сигналов – интеллектуальными драйверами с функциями защиты.

Важная роль в организации  защиты, регулирования и измерения  рабочих параметров электропривода принадлежит датчикам тока и напряжения его силового канала. Датчики должны измерять постоянные, переменные в широком диапазоне частот и импульсные токи и напряжения в различных цепях электропривода. К датчикам предъявляются требования высокой точности измерения, линейности выходной характеристики, высокого быстродействия, гальванической развязки входных и выходных цепей с высоким уровнем изоляции. Всем этим требованиям удовлетворяют модули LEM, работающие по принципу компенсации магнитного потока с помощью элемента Холла и электронной измерительной схемы и названные по имени фирмы – производителя LEM (Швейцария).

На схеме риc. 6.4. показаны два варианта включения датчиков тока: А1 во входных цепях (постоянного  тока) либо А2 в выходных цепях (переменного  тока) АИН. Датчики А1 фиксируют аварийные  токи всех режимов 5 – 8. Включение двух датчиков А1 обусловлено режимом 8, в  котором аварийный ток протекает  лишь по одной из двух входных цепей  АИН. В остальных режимах достаточно одного датчика А1. Датчики А2 фиксируют  аварийные токи режимов 6 – 8 (в режиме 6 фиксируется дисбаланс трех фазных токов АД). Режим 5 при этом исключается  системой управления, а также специальной  схемой включения и свойствами драйверов. С позиций минимизации паразитной индуктивности входных цепей  АИН и соответствующего уменьшения коммутационных перенапряжений на IGBT предпочтительнее вариант включения  датчиков А2.

Отметим особенность режима 8: скорость di/dt нарастания аварийного тока ограничена индуктивностью L_d/2 и сети. Время достижения этим током значения уставки срабатывания защиты может оказаться достаточным для теплового пробоя IGBT. Это обстоятельство актуально при использовании датчиков А1, датчики А2 сразу же зафиксируют дисбаланс трех токов. Для увеличения di/dt и форсирования срабатывания защиты в исполнениях с датчиками А1 средняя точка конденсаторов C_d фильтра через дополнительный конденсатор C_к небольшой емкости (4 – 10 мкФ) подключена к заземленному корпусу. На время заряда конденсатора C_к индуктивность сети L_d/2 исключается из контура короткого замыкания. При этом необходимо учитывать увеличение напряжения на конденсаторе C_d в режимах холостого хода и прерывистого тока примерно в 1,21 раза по сравнению с напряжением режима непрерывного тока выпрямителя.

Для получения требуемой  индуктивности L_d с соответствующим номинальным током фильтра также используется групповое параллельно – последовательное соединение однотипных дросселей. Дроссель, как правило, выполняется на витом разрезном сердечнике с немагнитным зазором.