ВЭМС_ЗФ_2014 / ВЭМС_1-3_2014

31

−проверка технического состояния и ремонтов оборудования;

−проверка эффективности эксплуатации по загрузке;

−проверка эффективности планируемых инноваций;

−выявление потерь и определение их величины;

−сбор данных для заполнения паспорта;

−определение приоритетных направлений энергосбережения;

−оформление отчёта по первому этапу (направления и потенциал); 2) разработка мероприятий и Энергетического паспорта:

−обследование установок и систем по согласованным направлениям;

−подбор технических решений и проектных сведений по ним;

−проверка технической возможности реализовать мероприятия;

−согласование мероприятий со специалистами предприятия;

−технико-экономическое обоснование мероприятий;

−проведение измерений;

−проверка, дополнение и обработка данных для паспорта;

−оформление паспорта и сдача в сро на экспертизу и регистрацию;

−оформление отчётов с мероприятиями и рпз паспорта;

3) составление Программы энергосбережения:

−согласование критериев и приоритетов формирования программы;

−согласование концептуальных положений программы;

−проверка принципиальных ограничений по реализации мероприятий и согласованности с планами развития производства;

−согласование методик и расчёты эффективности;

−согласование формы и составление редакционной версии программы и её согласование;

−оформление и передача проекта программы энергосбережения заказчику.

Результатом энергоаудита может являться:

−заключение о качестве получаемой электроэнергии;

−рекомендации по внедрению мероприятий и технологий энергосбережения;

−рекомендации по проведению мероприятий, направленных на повышение энергоэффективности выпускаемой продукции;

−рекомендации по замене потребляемых энергоресурсов иными видами ресурсов (например, электроэнергии на обогрев — теплом или горячим паром).

2.8 Энергосбережение средствами АЭП

Доля электроэнергии, потребляемая ЭП, достигает до 65% в развитых странах. Сформировалось несколько основных направлений, по которым ведутся исследования и разработки энергосбережения в электроприводе:

32

1.В нерегулируемом ЭП, реализованном на основе асинхронных электродвигателей с к.з. ротором, много внимания уделяется так называемым энергоэффективным двигателям, в которых за счет увеличения массы активных материалов, их качества, а также за счет специальных приемов проектирования удается поднять на 1–2% ( мощные двигатели) или на 4-5% (небольшие двигатели) номинальный КПД при некотором увеличении цены двигателя. Этот подход может приносить пользу, если технологический процесс действительно не требует регулирования скорости, если нагрузка меняется мало и если двигатель правильно выбран. Во всех других случаях использование более дорогих энергоэффективных двигателей может оказаться нецелесообразным.

2.Правильный выбор двигателя для конкретного технологического процесса – один из важнейших путей энергосбережения. В Европе считается, что средняя загрузка двигателей составляет 0.6, тогда как в России, этот коэффициент составляет 0,3 – 0,4, т.е. привод работает с КПД значительно ниже номинального. Завышенная мощность двигателя приводит к незаметным, но очень существенным отрицательным последствиям в обслуживаемой ЭП технологической сфере, – например, к излишнему напору в гидравлических сетях, связанному с ростом потерь и снижением надежности и т.п.

3.Основной путь энергосбережения средствами электропривода – подача конечному потребителю – технологической машине – необходимой в каждый момент мощности. Это может быть достигнуто за счет перехода от нерегулируемого электропривода к регулируемому. Этот процесс стал основным в развитии электропривода в связи с появлением доступных технических средств для его осуществления – преобразователей частоты и т.п.

4.Выбор рациональных в конкретных условиях типов электропривода и способов управления, обеспечивающих минимизацию потерь в силовом канале,

-важный элемент в общей проблеме энергосбережения.

Переход от нерегулируемого ЭП к регулируемому может сэкономить до 25-30% электроэнергии. В системах в водовоздухоснабжении такой переход экономит около 50% электроэнергии, до 25% воды и до 10% тепла.

34

-преобразователи постоянного тока имеют на выходе напряжение постоянного тока;

-преобразователи переменного тока изменяют на выходе параметры напряжения переменного тока;

3)по типу силового вентиля:

-тиристорные преобразователи используют в качестве силового вентиля тиристор или симистор;

-транзисторные преобразователи используют силовые транзисторы различных видов (биполярные, полевые, IGBT);

4)по возможности изменения направления вращения двигателя:

- реверсивные преобразователи могут изменять направление вращения двигателя за счет изменения полярности Uвых (для двигателей постоянного тока), или за счет изменения последовательности подключения фаз (для АД);

5)по возможности изменению направления передачи электрической

энергии:

- ПЭЭ с рекуперацией энергии в сеть (активные) способны отдавать электрическую энергию в сеть, поступающую от ЭМП в режиме генератора;

- ПЭЭ без рекуперации энергии в сеть, рассеивающие генерируемую энергию ЭМП на специальных элементах, превращая ее в тепловую;

6)по схеме преобразования электрической энергии:

-выпрямители - преобразователи энергии переменного тока в постоянную (AC/DC convertors);

-преобразователи параметров электроэнергии постоянного тока (DC/DC -

convertors);

- инверторы - преобразователи энергии постоянного тока в переменный

(DC/AC convertors);

-регуляторы напряжения переменного тока (РН) – управляемые преобразователи, регулирующие значение напряжения переменного тока на выходе, на входе которых поступает неизменное напряжение переменного тока;

-преобразователи частоты (ПЧ) – изменяют напряжение и частоту подаваемого на его вход напряжения переменного тока;

7) по возможности регулирования параметрами преобразуемой электроэнергии:

-управляемые (регулируемые) преобразователи позволяют изменять значения параметров выходной энергии;

-неуправляемые (нерегулируемые) преобразователи.

3.2 Основные характеристики ПЭЭ

Основные характеристики силовых преобразователей:

1)параметры входного напряжения (Uвх) и/или частоты (fвх);

2)максимальное значение выходного напряжения (Uвых,max) и/или частоты (fвых,max);

35

3) минимальное значение выходного напряжения (Uвых,min) и/или частоты

(fвых,min);

4)диапазон регулирования величины напряжения и частоты;

5)максимальное значение мощности, подключаемого к преобразователю электродвигателя (для переменного тока) или максимальное значение выходного тока (постоянного тока);

6)коэффициент полезного действия преобразователя;

7)коэффициент мощности преобразователя.

3.3 Электромашинные и электромагнитные статические ПЭЭ

Электромашинные преобразователи выполняются на основе вращающейся электрической машины (генератора постоянного тока, электромашинного усилителя). Они применяют преимущественно в автономных системах электроснабжения и в некоторых промышленных электроприводах.

Специализированным электромашинным преобразователем является электромашинный усилитель (ЭМУ).

3.3.1 Электромашинный усилитель (ЭМУ)

Это электрическая машина, предназначенная для усиления мощности подаваемого на обмотку возбуждения сигнала за счёт энергии первичного двигателя (обычно электрического). ЭМУ выпускаются на мощности от долей Вт до десятков кВт с коэффициентом усиления (отношение мощности на выходе к мощности на входе) 104—10 5 Небольшое изменение мощности, подводимой в цепь возбуждения, вызывает во много раз большее изменение мощности, отдаваемой ЭМУ. Различают ЭМУ продольного поля (с одной ступенью усиления) и ЭМУ поперечного поля (с двумя ступенями). Наиболее распространены ЭМУ поперечного поля (рис.). Такой ЭМУ представляет собой генератор постоянного тока, обычно двухполюсный с двумя парами щёток на коллекторе. На полюсах статора расположены одна или несколько обмоток возбуждения, чаще называемые обмотками управления (ОУ). При подаче в ОУ сигнала, подлежащего усилению, она создаёт магнитный поток Ф1, направленный вдоль оси d—d. В обмотке якоря наводится ЭДС, которая достигает наибольшего значения на щётках а— а и равна нулю на щётках b—b.

Т. к. якорь замкнут накоротко щётками а— а, то даже при незначительной эдс в цепи (обмотке) якоря возникает достаточно большой ток Ia, обусловливающий увеличение мощности сигнала (первая ступень усиления). Этот ток создаёт сильное поперечное магнитное поле (магнитный поток Фаq). При вращении якоря в поперечном поле на щётках b—b, связанных с внешней цепью, появляется напряжение U2. В результате этого во внешней цепи возникает большой ток I2, обусловливающий большую выходную мощность (вторая ступень усиления). Дополнительная обмотка, называется компенсационной, создаёт намагничивающую силу Fko, равную Fad, устраняя искажение сигнала.

36

Принципиальная схема включения электромашинного усилителя поперечного поля содержит следующие элементы:

1 и 2 — щётки якоря; ОУ — обмотка управления;

КО — компенсационная обмотка; Ф1 — магнитный поток по оси d — d;

Фаq — магнитный поток поперечного поля;

U1 и I1 — напряжение и ток в обмотке управления; U2 и I2 — напряжение и ток на выходе;

Fad и Fko — намагничивающие силы якоря и компенсационной обмотки

Устройство ЭМУ с поперечным полем:

3.3.2 Магнитный усилитель Электромагнитные статические преобразователи, основанные на

электромагнитном способе преобразования энергии переменного тока в постоянный ток. Самый известным типом такого ПЭЭ является магнитный усилитель (МУ). Электромагнитные преобразователи применяются редко, преимущественно в качестве делителей и умножителей частоты.

37

3.4 Силовые полупроводниковые вентили ПЭЭ

Принцип работы современного силового преобразователя основан на периодическом включении и выключении электрических полупроводниковых вентилей. Вентили преобразователей работают в ключевом режиме. В этом режиме на приборе выделяется минимальная мощность. В настоящее время в качестве электрических вентилей используются следующие типы полупроводниковых приборов:

1) диод – неуправляемый вентиль, обладающий односторонней проводимостью, зависящей от полярности приложенного напряжения. Диод проводит ток при подаче на анод (А) положительного потенциала, а на катод (К) – отрицательного;

Рисунок 3.1 – Условное обозначение в электрических схемах диода

2) однооперационный тиристор - вентиль переходит в проводящее состояние при положительном анодном напряжении и наличии управляющего импульса на электроде управления. Тиристор является полууправляемым вентилем, так как выключить его по цепи управления невозможно. Для его выключения необходимо поменять полярность анодного напряжения при отсутствии прямого тока через него;

Рисунок 3.2 – Условное изображение тиристора

3) запираемый (двухоперационный) тиристор – полностью управляемый вентиль. Эти приборы аналогичны однооперационным тиристорам, но их можно запереть (закрыть) по цепи управления подачей импульса управления обратной полярности на электрод управления (ЭУ). Однако существующие двухоперационные тиристоры выпускаются промышленностью на значительно меньшие допустимые токи, чем однооперационные тиристоры (единицы и десятки ампер), и меньшие допустимые напряжения. Для того чтобы выключить такой тиристор, по цепи управления необходимо пропустить импульс тока, соизмеримый по значению со значением выключаемого тока;

38

Рисунок 3.3 – Условное обозночение запираемого тиристора

4) симистор – полууправляемый прибор, которой может проводить ток в обе стороны, как два тиристора, включенных встречно параллельно;

Рисунок 3.4 - Условное обозначение семистора

5) биполярный транзистор, работающие в ключевом режиме – полностью управляемый вентиль. Имеет три вывода: база (Б), эммитер (Э) и коллектор (К). В отличие от тиристоров в базовой цепи транзистора необходимо поддерживать сигнал управления на всем этапе проводящего состояния ключа;

Рисунок 3.5 - Условное изображение биполярного транзистора

6) полевой транзистор – полностью управляемый вентиль, имеющий три вывода: сток (С), исток (И) и затвор (З). Преимущество полевого транзистора перед биполярным транзистором заключается в том, что у полевого транзистора очень большое входное сопротивление, т.е. цепь управления такого прибора практически не потребляет электрической мощности в стационарном режиме, что повышает экономичность преобразователя;

(С)

(З)

(И)

Рисунок 3.6 - Условное обозначение полевого транзистора

7) IGBT-транзистор (Insolated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с изолированным затвором). Это наиболее современный тип вентиля, представляющий комбинацию полевого транзистора по входу и биполярного транзистора по выходу, что позволяет получить электрический ключ на достаточно большие токи при затрате малых мощностей по цепи управления.

40

3)по количеству используемых фаз — однофазные, двухфазные, трёхфазные и многофазные;

4)по типу электронного вентиля — полупроводниковые диодные, полупроводниковые тиристорные, ламповые диодные (кенотронные), газотронные, игнитронные, электрохимические и пр.;

5)по управляемости — неуправляемые (диодные), управляемые (тиристорные);

6)по количеству каналов — одноканальные, многоканальные;

7)по величине выпрямленного напряжения — низковольтные (до 1000 В)

ивысоковольтные (свыше 1000 В);

8)по степени полноты мостов — полномостовые, полумостовые, четвертьмостовые;

9)по управлению выходными параметрами — регулируемые, нерегулируемые;

10)по способу соединения — параллельные, последовательные, параллельно-последовательные.

По потребляемой нагрузкой мощности выпрямители делятся на маломощные (единицы кВт), средней мощности (десятки кВт) и большой мощности (Рпот > 100 кВт).

Независимо от мощности выпрямителя все схемы делятся на однотактные или однополупериодные и двухтактные (двухполупериодные).

Однотактные – это схемы, у которых ток протекает по вторичным обмоткам трансформатора один раз за период (полупериод или его часть). Все нулевые схемы являются однотактными.

3.5.1 Неуправляемый выпрямитель

Выпрямитель (рисунок 3.9) состоит из понижающего трансформатора Tp, вторичные обмотки которого соединены с анодами выпрямительных диодов V1

иV2. Сопротивление нагрузки Rн (в ЭП это обмотка якоря двигателя постоянного тока) включено между общей точкой соединения катодов вентилей и средним (нулевым) выводом обмотки трансформатора.

Рисунок 3.9 - Однофазный неуправляемый выпрямитель с нулевым выводом

Схема соединения обмоток силового трансформатора такова, что напряжения вторичных обмоток u2-1 и u2-2 сдвинуты на 180 эл. град относительно нулевого вывода трансформатора, т. е. мгновенные значения напряжений, поступающих на аноды вентилей V1 и V2, равны по величине и