Учебное пособие Ресурсосбережение

УДК 621.31:621,314.5

А.страханцев Л.А., Астраханцева Н.М. Расчет энергетических характеристик электроустановок с преобразователямиИркутск: Изд-во Иркутского института инженеров железнодорожного транспорта, 1999.-94 с, ил.

Изложены общие сведения об электроустановках с преобразователями, которые изготавливаются заводами. Приведен обзор основных направлений разработок отечественных и зарубежных вентильных преобразователей с улучшенным коэффициентом мощности.

Изложено математическое обоснование энергетических характеристик электроустановок с преобразователями. Дана методика расчета энергетических характеристик электроустановок с вентильными преобразователями напряжения и с вентильными преобразователями сопротивления. Рассмотрены способы повышения коэффициента мощности нагрузки с помощью

Рекомендовано Методическим советом Иркутского института инженеров железнодорожного транспорта в качестве учебного пособия для студентов специальности 180700 Электрический транспорт (железнодорожный транспорт). Учебное пособие может быть также полезно студентам вузов электротехнических специальностей, аспирантам и научным работникам, занимающимся исследованием энергетических характеристик, разработкой вентильных преобразователей в других областях производственной деятельности.

Ответственный редактор д-р техн. наук, проф. Л.А. Астраханцев

Рецензенты: д-р техн. наук, проф. И.К. Лакин (Московский ГУПС), канд. техн. наук, проф. И.Д.Кабзнов, д-р. техн. наук, проф. А.Г.Возмилов (Челябинский ГАУ), канд. техн. наук, доц. А.В.Цупак (Санкт-Петербургский ГАУ), канд. техн. наук, доц. В.В.Макаров (Иркутский ИИТ).

ВВЕДЕНИЕ

Актуальной задачей в области электрификации технологических процессов на современном этапе является ресурсосбережение в ходе производства и вы­ полнения транспортных работ. Рациональное потребление природных ресурсов и затрат труда предполагает возможность их воспроизводства, бережное и пол­ ное воплощение их в необходимый товар и снижение отрицательного воздей­ ствия транспортных средств, технологических установок на окружающую сре­ ду, на жизнь общества.

В электрифицированных технологических процессах затраты определяются не только производительностью труда и качеством продукции, но и расходом энергии, ее потерями во всех элементах электрической цепи, включая произ­ водство электрической энергии, передачу и преобразование ее в иной вид энер­ гии [7, 15, 18, 25]. Важное значение приобретают вопросы снижения отходов продукции за счет качественного выполнения производственных процессов, снижения расхода материалов, уменьшения массы и габаритных размеров тех­ нологических установок. С помощью преобразователей формируются требуе­ мые тяговые и скоростные режимы электроподвижных составов, необходимые электрические величины и параметры электрической цепи, наиболее эффек­ тивно воздействующие с помощью электрической энергии на материалы, био­ логические объекты, на среду, где выполняется технологический процесс. Ми­ нимальные затраты для производства качественной продукции можно обеспе­ чить совмещением в преобразователях функции изменения электрических ве­ личин и параметров электрической цепи с функциями управления энергопото­ ком в ходе технологического процесса. Так, повышением частоты напряжения до 300 Гц достигается повышение производительности озонаторов кондиционерной установки в 2,5...3 раза по сравнению с производительностью устано­ вок, работающих на промышленной частоте. Минимальные затраты энергии при электроимпульсной обработке материалов обеспечиваются подачей на электроды импульсов напряжения длительностью 100 мкС с частотой 1,2 кГц [7]. Плавным управлением электроприводами, электронагревательными уста­ новками достигается экономия энергии от 20 до 40 процентов энергии, затра­ чиваемой на выполнение технологического процесса от общего объема энерго­ потребления [18, 25].

Внастоящее время остаются нереализованными резервы экономии электро­ энергии за счет снижения потерь ее в источниках энергии и в электрических сетях, увеличения коэффициента использования системы электроснабжения. Данные показатели определяются выбором электрических величин и парамет­ ров управления электрифицированными технологическими процессами [5].

Вбольшинстве научных работ и в учебниках, посвященных энергетической оценке преобразователей напряжения для электропечей, электропривода, элек­ троосветительных и электротехнологических установок выполняются расчеты

4

основной гармоники тока, определяется сдвиг кривой мгновенного значения основной гармоники тока относительно напряжения сети и рассчитывается не­ линейное искажение тока [1, 8, 9, 14, 16, 17, 19, 21, 23, 26, 27, 28, 29, 30]. Во­ просам расчета и анализа эффективности использования напряжения сети для выполнения работы в режимах управления технологическими установками, изучению влияния параметров нагрузки преобразователей на энергетические характеристики электроустановок в научной и учебной литературе уделено не­ достаточное внимание. Отсутствуют методики расчета энергетических харак­ теристик электроустановок с преобразователями сопротивления.

С учетом неизвестного ранее явления, возникающего в электрических цепях, разработаны методики расчета энергетических показателей электроустановок с вентильными преобразователями напряжения и с вентильными преобразовате­ лями сопротивления на основе новых энергетических характеристик электро­ установок с использованием интегральных значений несинусоидальных функ­ ций [5].

В результате проведенных в ИГСХА, ИрИИТ исследований энергетических характеристик электроустановок с преобразователями напряжения, с извест­ ными и с разработанными авторами преобразователями сопротивления уста­ новлено, что коэффициент использования мощности источников энергии, про­ пускная способность электрических сетей, потеря энергии во всех элементах электрической цепи определяются степенью использования напряжения на входе преобразователя и коэффициентом мощности нагрузки преобразователя. В режиме управления преобразователями напряжения на входе электроустано­ вок образуется пассивная мощность, которая отличается от известных в элек­ тротехнике мощностей причиной возникновения, свойствами, методами расче­ та и измерения, способами ее компенсации. В пособии раскрыто новое понятие энергетической характеристики средних значений работы и энергии в электри­ ческих цепях, которое целесообразно использовать в учебных программах и в учебниках для подготовки кадров по электротехническим специальностям.

Впособии рассмотрены технические решения, направленные на компенса­ цию пассивной мощности на входе электроустановок с вентильными преобра­ зователями, которые ранее в учебной литературе не рассматривались.

Вучебной и научной литературе недостаточно изложены технические ре­ шения, позволяющие компенсировать реактивную мощность в электрической сети с помощью конструктивного построения схем и использования для этой цели элементов вентильных преобразователей. В пособии рассмотрены спосо­ бы повышения коэффициента мощности нагрузки с помощью вентильных пре­ образователей.

Таким образом, рассматривая энергетические характеристики электроуста­ новок с точки зрения оценки сдвига кривой основной гармоники тока относи­ тельно напряжения сети, нелинейных искажений формы кривой мгновенного значения тока и не учитывая степень использования напряжения сети в техно-

5

логических установках, электрические параметры нагрузки преобразователей, можно нанести ущерб обществу, природе.

В учебном пособии использованы результаты исследований и научных раз­ работок, которые в течение последних 20 лет выполнялись авторами на фа­ культете электрификации и автоматизации сельского хозяйства Иркутской ГСХА и на электромеханическом факультете Иркутского института инженеров железнодорожного транспорта.

-

1.ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ, ИЗМЕНЯЮЩИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

Электрифицированный технологический процесс обеспечивается источни­ ком электрической энергии, электрической сетью, электроустановками и тех­ нологическим оборудованием. Эффективность работы источников электриче­ ской энергии, электрических сетей и технологического оборудования зависит от работы электроустановок. Электроустановки обычно содержат коммутаци­ онные аппараты, устройства защиты и сигнализации, преобразователи величин и параметров электрической цепи и преобразователи электрической энергии в иной вид энергии.

Пособие посвящено изучению энергетических характеристик электроуста­ новок, на которые заметное влияние оказывает взаимодействие преобразовате­ лей величин и параметров электрической цепи, а также преобразователей элек­ трической энергии в иной вид энергии.

Под преобразователями величин и параметров электрической цепи понима­ ются устройства, предназначенные для изменения:

-действующего напряжения; -частоты; , -электрического сопротивления;

-формы кривой мгновенного значения напряжения; -числа фаз.

Преобразователи электрической энергии в иной вид энергии принято назы­ вать нагрузкой или потребителями электрической энергии. К ним можно отне­ сти электронагревательные установки, электропривод, электроосветительные и электрооблучательные приборы, устройства электронно-ионной технологии и другие аппараты.

С помощью преобразователей, предназначенных для изменения величин и параметров электрической цепи во многих случаях достигается ресурсосбере­ жение: а) за счет снижения потерь энергии в системе электроснабжения; б) за счет повышения коэффициента использования источников энергии и электри­ ческих сетей; в) за счет оптимального управления энергообеспечением техно­ логических процессов; г) за счет обеспечения рационального режима работы потребителей электрической энергии.

1.1.Преобразуемые электрические величины, параметры и основные энергетические характеристики электроустановок

Государственным стандартом определены понятия электрических величин, которые чаще всего применяются для оптимизации режимов работы потреби­ телей электроэнергии и для управления энергообеспечением электроустановок. Рассмотрим некоторые из понятий.

Действующее периодическое электрическое напряжение есть среднее квад­ ратичное значение периодического электрического напряжения за период. Ана­ логично определяется действующий периодический электрический ток.

Электрический ток, мгновенные значения которого повторяются через рав­ ные промежутки времени, называется периодическим электрическим током (аналогично определяется периодическое элекгрическое напряжение). Мгно­ венным электрическим напряжением, током являются значения электрического напряжения, тока в рассматриваемый момент времени. Согласно геометриче­ скому месту точек мгновенных значений электрического напряжения, тока об­ разуется кривая, характеризующая изменение соответствующей величины во времени.

К наиболее распространенному периодическому напряжению, току можно отнести синусоидальный, пульсирующий, переменный. Названия соответст­ вующих величин определяются их формой кривой мгновенных значений.

Синусоидальным электрическим током называется периодический электри­ ческий ток, являющийся синусоидальной функцией времени.

Пульсирующее электрическое напряжение - периодическое электрическое напряжение, не изменяющее своего направления (рис. 1.1). Аналогично опреде­ ляется пульсирующий электрический ток.

Переменный периодический электрический ток изменяет свое направление за период (рис. 1.2).

8

Периодом электрического напряжения, тока является наименьший интервал времени, по истечении которого мгновенные значения периодического элек­ трического напряжения, тока повторяются (рис. 1.1, 1.2).

Величина, обратная периоду электрического напряжения, тока, есть частота электрического напряжения, тока.

Полное электрическое сопротивление является параметром электрической цепи или ее схемы, равное отношению действующего напряжения на зажимах пассивной электрической цепи к действующему току на входе этой цепи при синусоидальных напряжении и токе.

Активное электрическое сопротивление является параметром электрической цепи или ее схемы, равное отношению активной мощности пассивной электри­ ческой цепи к квадрату действующего тока на входе этой цепи.

Реактивное сопротивление является параметром электрической цепи или ее схемы, равное корню квадратному из разности квадратов полного и активного сопротивлений цепи, взятому со знаком плюс, если ток отстает по фазе от на­ пряжения, и со знаком минус, если ток опережает по фазе напряжение.

Из определения параметров электрической цепи следует, что в отличие от активного электрического сопротивления, полное и реактивное сопротивления зависят от формы кривой мгновенных значений напряжения, тока.

Многофазной цепью является многофазная система электрических цепей, в которой отдельные фазы электрически соединены друг с другом. На практике широкое применение шмгучили однофазная и трехфазная цепи и электрические цепи с постоянным и пульсирующим напряжением, током.

К основным энергетическим характеристикам электроустановок можно от­ нести коэффициент полезного действия (к.п.д.) и коэффициент мощности.

Коэффициент полезного действия равен отношению активной мощности, получаемой на выходе потребителей электрической энергии РВЫх,к активной мощности на входе электроустановок Р

9

(1.1)

Активная мощность на выходе электроустановок может быть рассчитана

(1.2)

где- потери мощности в преобразователе величин, параметров электриче­ ской цепи; - потери мощности в потребителе электрической энергии.

Коэффициент мощности электроустановки

(1.3)

где - полная мощность на входе электроустановок.

1.2. Электромагнитные преобразователи сопротивления

Устройство, предназначенное для изменения электрического сопротивления электроустановок, в дальнейшем будем называть преобразователем сопротив­ ления. К электромагнитным преобразователям сопротивления можно отнести трансформаторы, автотрансформаторы. Источники питания электрофильтров, аэроионизаторов и так далее содержат трансформаторы, выполняющие функ­ ции электромагнитного аппарата, в котором переменный периодический ток, напряжение сети преобразуются в переменный ток той же частоты, но высокое (5 - 20 кВ)напряжение [7]. Иначе говоря, трансформатор позволяет согласовать сопротивление электрической сети с большим сопротивлением рабочих органов электротехнических устройств. В оборудовании КП-1, предназначенном для обогрева производственных помещений стальным неизолированным проводом диаметром 6 мм, применяется трансформатор, который выполняет функцию передачи энергии из одной цепи в другую посредством электромагнитной ин­ дукции для гальванической развязки цепей, функцию согласования внутреннего электрического сопротивления источника с малым входным сопротивлением стальных электронагревательных элементов и функцию управления энерго­ обеспечением системы электрообогрева для оптимизации температурного ре­ жима производственных помещений. Для получения большой мощности в ре­ жиме разогрева, путем уменьшения электрического сопротивления системы обогрева, обмотки включают по схеме "звезда - звезда", а в режиме обогрева электрическое сопротивление системы увеличивают, соединяя обмотки транс­ форматоров по схеме "звезда - треугольник". В первом режиме можно устанав­ ливать трехфазное линейное напряжение путем переключения ответвлений вто­ ричной обмотки трансформатора на уровне 125, 103 и 85 В, а во втором режиме

- 70, 60 и 49 В. Следует заметить, что путем переключения секций обмоток трансформаторов выполняется управление энергообеспечением системы элек­ трообогрева производственных помещений за счет изменения электрического сопротивления системы.

Применяя метод предварительного упрощения рассматриваемого вопроса для изучения сущности преобразования сопротивления, допускаем, что нагруз­ ка ZH присоединена к источнику энергии посредством идеального (простейше­ го) трансформатора без ферромагнитного сердечника (рис. 1.3а) с плавным пе­ реключением отпаек секционированной обмотки W2.

Идеальному трансформатору приписываются следующие свойства: при лю­ бых условиях отношение напряжения на зажимах Wi (первичного) к напряже­

рез обмотку Wi ток не проходит. Поэтому можно записать, что

(1.4)

Тогда, входное сопротивление электроустановки с идеальным трансформа­ тором будет выражено:

(1.5)

То есть увеличением или уменьшением числа витков секционированной об­ мотки трансформатора достигается изменение коэффициента трансформации и входного сопротивления электроустановки при постоянном сопротивлении на­ грузки.

В действительности такого трансформатора не существует, однако по своим свойствам к нему приближается трансформатор с коэффициентом связи пер­ вичной и вторичной обмоток близким к единице, и столь большим числом вит-

Известно, что подводимая к автотрансформатору мощность передается на вторичную сторону к нагрузке как посредством электромагнитной индукции, так и непосредственно через электрическую связь. Если п < 2 , то экономически целесообразно применять автотрансформаторы, так как их к.п.д. выше, расход меди на обмотку меньше, габаритные размеры меньше, чем у трансформаторов на ту же номинальную мощность. В соответствии с принятыми допущениями выражения (1.5, 1.6) можно применить и для автотрансформатора, а диаграмма действующих напряжений, токов и полных мощностей в режиме управления энергообеспечением вентиляционной установки соответствует рис. 1.4. Из диа­ граммы следует, что составляющими полной мощности на входе электроуста­ новок с электромагнитными преобразователями сопротивления SBX являются полная мощность нагрузки и полная мощность потерь в трансформаторе, автотрансформаторе

Следует заметить, что в ряде случаев трансформатор целесообразно вклю­ чать по схеме (рис. 1.5), если п > 2 и не требуется гальваническая развязка кон­ туров первичной и вторичной обмоток.

Рис. 1.5. Рекомендуемая схема включения трансформатора, если п > 2

Данная схема включения преобразователей предпочтительнее широко при­ меняемых схем, так как мощность электромагнитного аппарата TV может быть в несколько раз (ориентировочно в раз) меньше мощности нагрузки Расход материалов на изготовление преобразователей, потери энергии в них, масса и габаритные размеры аппаратов также уменьшаются по сравнению с со­ ответствующими показателями аппаратов, соединенных по обычной схеме.

Рис. 1.6. Рекомендуемая схема соединения трансформатора в трехфазной электрической цепи

14

Для трехфазных электрических цепей схема соединения имеет вид, пред­ ставленный на рис. 1.6.

В зависимости от назначения преобразователя начала и концы обмоток TV можно соединить соответствующим образом для получения неравенства

На практике аппараты называют в первом случае вольтопонижающими, а во втором - вольтодобавочными.

1.3. Электромагнитные и вентильные преобразователи напряжения

Устройства, которые изменяют коэффициент преобразования действующих напряжений без одновременного изменения коэффициента преобразования действующих токов, в дальнейшем будем называть преобразователями напря­ жения. Под коэффициентом преобразования действующих напряжений Пи по­ нимается отношение действующего напряжения на выходе к действую­ щему напряжению на входе преобразователя: Коэффици­ ент преобразования действующих токов щ равен: - дейст­ вующий ток на входе преобразователя; - действующий ток на выходе пре­ образователя.

Характерным свойством преобразователя напряжения является то, что одна часть электрической цепи (например, система электроснабжения) в течение не­ которого времени отделена от другой части электрической цепи (например, от нагрузки), а напряжение подано системой электроснабжения на вход электро­ установки и оказывается не востребованным.

К электромагнитным преобразователям напряжения можно отнести магнит­ ные усилители и дроссели насыщения (рис. 1.7). Данные устройства представ­ ляют собой электромагнитные аппараты, магнитная проницаемость сердечни­ ков которых изменяется путем подмагничивания постоянным потоком ФП0с Управление энергообеспечением технологических процессов с помощью под­ магничивания сердечников аппаратов постоянным магнитным потоком изме­ няет относительную длительность отпирания магнитного усилителя в течение периода переменного тока. Соотношение интервалов времени режима возбуж­ дения и режима насыщения сердечников аппаратов определяет действующее напряжение на нагрузке включенной последовательно с рабочей обмоткой Wp аппаратов (рис. 1.8). В этом отношении управление посредством электро­ магнитных преобразователей напряжения сходно с управлением посредством вентильных преобразователей напряжения. По массогабаритным показателям и по величине коэффициента полезного действия вентильные преобразователи напряжения превосходят электромагнитные преобразователи напряжения, по­ этому последние получили ограниченное применение в технике.

15

Рис. 1.7. Схема магнитного усилителя с дросселями насыщения а й в

Рис. 1.8. Кривые мгновенных значений: напряжения на входе МУ - и; напряжения на активной нарузке -, рабочего тока - магнитных потоков в сердечнике а - ив сердечнике в -

16

Рис. 1.9. Принципиальная электрическая схема оборудования "Климат-4" со станцией управления "Климатика-1"

17

К вентильным преобразователям напряжения можно отнести преобразова­ тели напряжения, в силовой электрической схеме которых применяются управ­ ляемые полупроводниковые приборы. Промышленностью изготавливаются управляемые выпрямители, регуляторы переменного напряжения, преобразо­ ватели частоты с управляемым действующим напряжением на выходе, широт- но-импульсные и частотно-импульсные преобразователи и другие устройства.

Управляемые выпрямители применяются в автоматизированном электро­ приводе машин, для зарядки аккумуляторов, для гальванизации и электросвар­ ки при восстановлении изношенных или повреждённых деталей, для решения других технических задач [7]. Регуляторы переменного напряжения применя­ ются в вентиляционных установках "Климат - 4". Плавное управление подачей воздуха вентиляционных систем позволяет улучшить качество управления па­ раметрами микроклимата в помещениях, обеспечить экономию электроэнергии до 15% по сравнению со ступенчатым регулированием. Для плавного измене­ ния частоты вращения асинхронных двигателей вытяжных вентиляторов на­ пряжение на обмотке статора электродвигателя регулируют бесконтактным устройством "Климатика - 1". Напряжение изменяется при помощи трехфазно­ го тиристорного регулятора напряжения, действующего по принципу фазового изменения угла управления встречно-параллельно соединенных тиристоров VS1 и VS2 в зависимости от температуры воздуха в помещении (рис. 1.9).

Система импульсно-фазового управления тиристорами (СИФУ) собрана на аналоговых и цифровых микросхемах, помехоустойчива, с защитой от обрат­ ного порядка следования фаз и от перенапряжений. Воспринимающими эле­ ментами температуры воздуха в помещении являются термометры сопротивле­ ния RT10...RT12 типа ТСМ, распределенные по длине помещения.

Подобное устройство и принцип фазового управления действующим напря­ жением используется в серийно изготавливаемых однофазных и трехфазных тиристорных ограничителях напряжения типа ТОН.

Для воздушного отопления и для приточной вентиляции помещений приме­ няются электрокалориферные установки СФОЦ модификации ИЗ...И5 с плав­ ным управлением мощностью нагревательных элементов ЕК при помощи ком­ плектного устройства "Электротерм" (рис. 1.10).

Комплектное устройство состоит из силового блока, системы импульснофазового управления и блока управления с первичным преобразователем. Си­ ловой блок состоит из трех гибридных модулей. Модуль содержит диод - оптронный тиристор (МДТО). СИФУ выполнена по одноканальному принципу и обеспечивает формирование трех управляющих импульсов, сдвинутых по фазе на 120° и подаваемых в цепи светодиодов VD2 оптронных пар трех фаз. В за­ висимости от температуры воздуха в помещении мощность электронагревате­ лей плавно увеличивается или уменьшается в пределах от 0 до 100 % номи­ нальной мощности за счет изменения действующего напряжения на ТЭНах пу­ тем регулирования угла управления а (рис. 1.11) тиристорами VS1 (VS2, VS3).

18

Рис. 1.10. Принципиальная электрическая схема силовой части устройства "Электротерм" электрокалорифера

Рис. 1.11. Диаграмма напряжений и , токов i при фазовом управлении вен­ тилями преобразователя с активным сопротивлением нагрузки

По заказу заводами изготавливаются тиристорные регуляторы напряжения с изменением действующего напряжения на выходе модуляцией на низкой часто­ те и с углом управления тиристорами а = 0 (рис. 1.12).

На рис 1.11 и 1.12 мгновенные значения напряжений соответствуют за­ пертому состоянию вентилей преобразователя, а - проводящему состоянию вентилей.

Серийно изготавливаются другие регуляторы напряжения общего и специ­ ального назначения.

19