Авторы: Ушков А.С., Колганов А.Р.
Источник: ЭНЕРГИЯ 2012: Материалы региональной научно–технической конференции студентов и аспирантов / ФГБОУВПО Ивановский государственный университет имени В.И. Ленина. – Иваново, 2012. 284 – с., с. 21 – 25.
Ушков А.С., Колганов А.Р. Современные методы энергосбережения в асинхронных электроприводах. В работе рассмотрены основные методы повышения энергоэффективности асинхронных электроприводов.
На современном этапе развития науки и техники системы электропривода прочно занимают лидирующее положение среди приводных устройств и обеспечивают бесперебойную и надежную работу технологических механизмов во многих отраслях промышленности и специальной техники.
В качестве приводного двигателя наибольшее распространение находит асинхронный двигатель (АД) с короткозамкнутым ротором.
Повсеместное применение АД обусловлено их высокой надежностью, сравнительно низкой стоимостью и приемлемыми эксплуатационными расходами. По экспертным оценкам на предприятиях Российской Федерации используются от 120 до 150 млн. единиц АД. До 70% АД сосредоточено в энергоемких отраслях: горно-, нефте-, газодобывающей, металлургической, строительной промышленности и жилищно - коммунальном хозяйстве.
В настоящее время повышение энергоэффективности работы оборудования выдвигается на первый план развития национальной экономики.
Использование энергоэффективных асинхронных электроприводов (ЭП) и их эксплуатация с минимальным потреблением энергии позволит сэкономить в РФ до 6 ТВт•час в год или более 12 млрд. руб. Поэтому, повышение эффективности работы электромеханических систем и эксплуатация их в энергосберегающих режимах являются, несомненно, актуальными.
Основным документом в Российской Федерации, регулирующим отношения, возникающие при осуществлении деятельности в области энергосбережения, является Федеральный закон №261-ФЗ от 23 ноября 2009 года Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…
[1]. Цель этого закона – создать экономические и организационные условия для эффективного использования энергетических ресурсов. Также на повышение энергосбережения направлена действующая в настоящее время Федеральная целевая программа Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года
[2].
Кроме того, область энергосбережения регулируют ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения
[3] и ГОСТ Р 51317.3.2-2006 Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний
[4].
ГОСТ Р 51317.3.2-2006 устанавливает ограниченное количество высших гармоник потребляемого тока, т.е. ток должен быть практически синусоидальным и синфазным с напряжением питающей сети, обеспечивая коэффициент мощности KМ устройства близкий к единице. По сути, коэффициент мощности – это показатель, характеризующий линейные и нелинейные искажения, вносимые нагрузкой в электросеть.
Главными показателями энергоэффективности асинхронных электроприводов являются: потребляемый из электросети ток, электрический КПД, коэффициент мощности.
Главный недостаток асинхронных электроприводов с точки зрения энергоэффективности – это потребление реактивной мощности из питающей сети, что обусловливает снижение коэффициента мощности.
Кроме того, подавляющее большинство современных асинхронных электроприводов реализованы на базе двухзвенных преобразователей частоты (ПЧ), которые, как правило, выполнены по схеме неуправляемый выпрямитель – ёмкостный фильтр – транзисторный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) выходного напряжения
.
Наличие неуправляемого выпрямителя, сильно искажает форму потребляемого тока, что приводит к отрицательному влиянию преобразователей на сеть и на окружающую среду.
Таким образом, современные методы энергосберегающего управления асинхронными электроприводами должны обеспечивать высокий коэффициент мощности электропривода, а также хорошую электромагнитную совместимость полупроводникового преобразователя с сетью.
Анализ современного состояния проблемы построения энергосберегающего электропривода переменного тока позволил выделить два основных подхода в рассмотрении современных методов энергосбережения в асинхронных электроприводах.
Первый подход связан с модификацией и улучшением аппаратной части ЭП.
Здесь наиболее простым методом решения проблемы энергосбережения является замена традиционного АД на АД с повышенным классом энергоэффективности.
Одной из причин невысокого энергетического КПД АД является их конструктивная особенность – наличие электротехнической стали и катушек индуктивности обмоток электрической машины, а также проектирование и изготовление их по критерию минимума затрат, выгодной только для производителя. Ведущие зарубежные производители электрических машин AEG, ABB, Siemens, изготовляют АД с повышенным КПД классов EFF1, EFF2, EFF3, Premium. Повышение КПД в АД осуществляется за счет увеличения массы активных материалов двигателя – меди и электротехнической стали.
Следующим методом повышения энергоэффективности асинхронных электроприводов является модификация топологии силовых преобразователей или алгоритмов ШИМ.
Все ПЧ по уровню напряжений можно разделить на низковольтные и высоковольтные. Практически все низковольтные ПЧ, как правило, выполнены по двухзвенной схеме – неуправляемый выпрямитель с автономным инвертором напряжения (АИН), реже – с автономным инвертором тока (АИТ), выполненными по мостовой схеме. В свою очередь высоковольтные ПЧ также содержат промежуточное звено постоянного напряжения, а улучшение энергосбережения достигается за счет модификации инверторов напряжения. Наилучшей энергоэффективности электропривода получается добиться за счет применения многоуровневых АИН.
Одним из эффективных способов решения задачи повышения энергоэффективности – применение корректоров коэффициента мощности (ККМ). Назначение ККМ – повысить значение коэффициента мощности. Существует множество видов ККМ, но по устройству их все можно разделить на активные и пассивные. Пассивные ККМ представляют собой LC-фильтры, и не позволяют достичь высоких значений коэффициента мощности. Активные ККМ, по своей сути, являются DC–DC преобразователями. Достоинством применения ККМ в качестве средства энергосбережения в электроприводе является то, что при своей относительной простой и дешевой конструкции они не требуют значительных изменений в структуре электропривода, но при этом позволяют достичь очень высоких значений коэффициента мощности (порядка 0,98-0,99).
Второй подход повышения энергоэффективности асинхронного электропривода связан с применением энергоэффективных стратегий управления. Энергоэффективные стратегии управления можно разделить на три класса [5]:
Класс энергоэффективных стратегий управления с простым контролем состояния исторически появился первым, и все методы в этом классе в основном применимы к скалярным частотно-регулируемым электроприводам. В основе этих стратегий лежит следующее: при работе асинхронного электропривода легко вычислить некоторые его энергетические параметры – самые очевидные из них это cosφ и величин скольжения ротора s.
Модельно–ориентированные стратегии управления основываются на использовании в структуре электропривода математической модели двигателя или его части, используемой для создания энергетически – оптимального управления.
Поисковые стратегии управления основываются на оптимизации в процессе работы некоторых параметров электропривода в соответствии с заданным критерием. Примером таких критериев могут быть максимум КПД, минимум потребляемой мощности, минимум потребляемого тока, минимум потерь энергии и т. п.
Оба перечисленных выше подхода к повышению энергетических показателей представляют существенный интерес для разработчиков современных ЭП. В этой связи кажется наиболее перспективной тенденция совместного применения обоих подходов, что обеспечит максимально эффективное использование ЭП по мощности, а также минимизацию потерь при электромеханическом преобразовании.
Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законода тельные акты Российской Федерации[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.consultant.ru..., свободный.
Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.consultant.ru..., свободный.