CC BY
94
© А.Я. Микитченко, А.Н. Шевченко, Ю.А. Бирюков, П.Р.Шестаков, 2009
А.Я. Микитченко, А.Н. Шевченко, Ю.А. Бирюков,
П.Р.Шестаков
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТИРИСТОРНЫХ И ТРАНЗИСТОРНЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДАХ ЭКСКАВАТОРОВ
Проведен анализ электроприводов с глубоким регулированием частоты вращения, со значительным временем работы в зоне низких частот вра-щения с большими нагрузками в цикле (экскаваторных электроприводах) и работы тиристорных систем постоянного и переменного токов.
Ключевые слова: экскаваторный электропривод, горнорудные предпри-ятия, тиристорные системы, реактивная мощность, транзисторные преобразователи.
ффективность преобразования электрической энергии в тиристорных и транзисторных схемах, фактически зависит от способа управления полупроводниковыми приборами: фазовом - для тиристоров и импульсном - для транзисторов. В обоих способах присутствуют обычные тепловые потери и искажения токов и напряжений в тракте преобразования.
Структура преобразования энергии в электроприводе с регулируемым преобразователем в общем случае выглядит следующим образом (рис. 1).
Из сети переменного тока с напряжением и преобра-зователь потребляет действующий ток II. Причем ток может иметь сдвиг относительно напряжения. Обычно сдвиг первой гармоники действующего тока 1:(1) относительно первой гармо-ники действующего напряжения и1(1) регистрируется с помо-щью коэффициента сдвига на входе преобразователя Ксп, кото-рый большинстве случаев обозначают как cosфп . В процессе по-требления преобразователь искажает ток 11, что учитывается ко-эффициентом искажения тока Китп =1К1)/11 (это отношение первой гармоники 11(1) к действующему значению этого же тока 11). Гене-рируемые при этом обратно в сеть высшие гармоники (ВГ) тока вызывают на полных сопротивлениях сети соответствующие СЕТЬ
и,
и1|1 ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
вйннвИйкВишВи
Пт
С^ Фп Китп Ки
ДВИГАТЕЛЬ
С^ Фд, Ки^ Кинд
247
ЧЛ
Р2 =^3 • и1 • 11 -{С^фЛ)ки
•л -л -л -л • cosф • к
1тр 1в Ш Шв т д и
или к =
л/з • и1 • II 8!
Рис. 1. Структура тракта преобразования энергии
падения напряжения, которые, в свою очередь, искажают напряжение и1. Это можно зарегистрировать с помощью коэффициента искажения напряжения Кинп= и1(1)/и1.
В преобразователях происходит потеря активной энергии связанная с процессами коммутации и выделением тепла при протекании тока через ключи, защитные элементы, шины и подводящие провода. Поскольку функциональных модулей в преобразователе может быть несколько, то и потери необхо-димо учесть в каждом из них. Например, в структуре транзи-сторного преобразователя со звеном постоянного напряжения имеются выпрямитель и инвертор со своими значениями КПД - пв, Пи . В ТП и НПЧ - ступень преобразования одна, поэтому КПД будет только пп (вместо произведения пв • Пи), и потери в каждом ключе значительно меньше, чем в
транзисторе. Часто на входе низковольтного преобразователя размещается согласующий трансформатор с КПД птр.
После преобразователя, если мы имеем двигатель переменного тока, то он также потребляет сформированный преобразователем действующий ток 1д, первая гармоника которого 1(1)д сдвинута относительно первой гармоники (гладкой состав-ляющей) среднего напряжения Ц^)д на угол фд. Это определяет коэффициент сдвига Ксд=cosфд. Ток и напряжение преобразо-вателя на выходе также, как и на входе - искажены, что можно учесть соответствующими коэффициентами Китд= 1(1)д/1д и Кинд=и(1)д/ид. В случае
использования двигателей постоянного тока cosфд - отсутствует, а вот коэффициенты искажения тока и напряжения остаются, только их теперь нужно рассматривать не как отношение первой гармоники, а как отношение гладкой составляющей, т.е. среднего значения переменной на малом интервале i к действующему значению переменной на этом же интервале. А именно: Китд= 1ср.щ/!д.щ и Кинд=исрлд/идлд. Коэффициент искажения соответствует обратной величине коэффициента формы из учебной дисциплины ТОЭ Ки=1/Кф.
В конце тракта преобразования присутствует собственно двигатель, преобразующий подводимую от преобразователя электрическую мощность в механическую с пдв. Механическая мощность Р2 представляет собой произведение частоты вра-щения ю и момента на валу М.
Как видно из аналитического выражения для активной мощности Р2, развиваемой двигателем, (см. на рис. 1) произведение всех упомянутых коэффициентов:
с°5фп-Китп^Кинп'Птр^'Пв^'Пи ^^д^итд^инд^дв Кээ (1)
может быть учтено интегральным коэффициентом энерге-тической эффективности Кээ, который представляет собой от-ношение полезной активной мощности двигателя Р2 к полной мощности
Sl^л/3 •их^1а, потребляемой электроприводом из се-ти. Очевидно, что чем меньше этот коэффициент, тем больший ток потребляет система из сети, тем она менее энергоэф-фективна и качество преобразования электроэнергии хуже. Ко-эффициент Кээ различен в разных системах и уменьшается в каждой из них при уменьшении напряжения преобразователя в процессе регулирования частоты вращения.
Сравним в процессе регулирования четыре основных из предлагаемых для экскаваторов систем, выполненных на тиристорных (Т) и транзисторных (Тр) преобразователях с двигателями постоянного (Д) и переменного (АД) тока: AFE - преобразователь «с передним активным фронтом», его Китп и Кинп на входе близки к единице; АИН - автономный инвертор напряжения, обеспечивает на выходе Китд близкий к единице. В системах с тиристорами коэффициент искажения напряжения на входе преобразователя Кинп - близок к единице. Естественно,
все представленные преобразователи способны рекупериро-вать энергию.
При регулировании частоты вращения механические характеристики всех рассматриваемых систем будут смещаться параллельно самим себе. Момент статической нагрузки на валу будет оставаться неизменным. Частота вращения двигателя при этом будет изменяться от номинальной юн до любой желаемой. Поток, ток, cosфд двигателя, а также жесткость механических характеристик будем считать неизменными. Но наклон харак-теристики будет определяться в каждом электроприводе тем суммарным КПД, который соответствует конкретной системе и определен со всей скрупулезностью в точке номинального ре-жима. Мощности всех приводов соответствуют приводу подъе-ма экскаватора ЭКГ-10.
Обратим внимание на то, что в выражении (1) или выра-жении для Р2 на рис. 1 наиболее проблемным при регулиро-вании для тиристорных приводов является коэффициент сдвига cosфп на входе преобразователя, а наиболее проблемным для транзисторных - коэффициент искажения напряжения Кинд на выходе преобразователя. Рассмотрим это подробнее.
для ТрП
250
0
1
На рис. 2 иллюстрируется физический смысл проявления плохой энергетики ТП из-за низкого cosфп на входе тирис-торного преобразователя. Если в процессе регулирования напряжения потребляемый из фазы ток 1;(ю1) имеет фазовый сдвиг относительно фазного напряжения ^(ю^) (рис. 2, а), то, выделив первую его гармонику и умножив ее в каждой момент времени на напряжение, получим график мгновенной мощ-ности первой гармоники Р1(1)(ю^). Из графика видно, что мгно-венная мощность первой гармоники колеблется с двойной частотой (рис. 2, б) и может принимать как положительные, так и отрицательные значения. Положительная мощность потреб-ляется преобразователем из сети, отрицательная отдается обрат-но. Та ее доля, которая «качается» между преобразователем и сетью является реактивной мощностью, загружающей тракт преобразования.
На рис. 3, а представлены зависимости относительных величин
активной Р* и реактивной Q*' мощностей для тиристорного преобразователя с симметричным управлением в функции от так называемой степени регулирования ед (или относительной величины напряжения преобразователя).
Здесь р* = ?1 ; Ф = 01 ; еД = где р1; 01; Ед -
Е • I Е • I Е
дм дм дм дм дм
текущие значения потребляемых активной и реактивной мощностей, напряжения на выходе преобразователя, Едм; 1дм - базовые максимальные значения напряжения и тока на выходе преобразователя. Зависимость коэффициента сдвига cosфп от степени регулирования совпадает с зависимостью активной мощности и при этом линейна. Для тиристорного НПЧ эта за-висимость также близка к линейной и располагается несколько ниже.
Если на этом же графике (рис. 3, б) изобразить зависи-мость
cosфп(еД) и даже всего коэффициента мощности Кмп(ед)=
cosфп( ед) -Китп( ед )-Кинп( ед) для транзисторного преобразовате-ля с AFE, то он либо равен единице (сплошная линия), либо может быть установлен на любом уровне (пунктир). Это свиде-тельствует о том, что у транзисторного преобразователя с AFE с «передним фронтом» все в порядке, а у тиристорного, конеч-но, нет. Т.е. эффективность преобразования электроэнергии на входе транзисторного преобразователя AFE очень высока. Если необходимо, он может потреблять из сети чисто активную мощность, а может одновременно выполнять роль компенсато-ра реактивной мощности. У тиристорного преобразователя потребление полной мощности из сети при регулировании не меняется. С уменьшением потребления активной мощности растет потребление реактивной, бесполезно загружающей сеть, следовательно, ее нужно компенсировать. Очевидно, что тиристорный преобразователь должен использоваться только совместно с фильтрокомпенсирующим устройством (ФКУ), в принципе - любого типа.
Исторически сложилось так, что тиристорные преобразователи создавались и эксплуатировались у нас в России без компенсации реактивной мощности. Такая задача перед ними даже не ставилась. Появившиеся проблемы с компенсацией реактивной мощности выделились в самостоятельное направление науки и техники. Транзисторные преобразователи возникли позднее и в них практически сразу же решались вопросы уменьшения потребления реактивной мощности. Конечно же, это делалось за счет специальных функциональных устройств. Так в итоге появился преобразователь с «активным передним фронтом» AFE. Теперь можно слышать не-
корректные заявления: у транзисторного преобразователя коэффициент мощности равен единице, а для того, чтобы получить такой же в тиристорном, требуется устанавливать дополнительные мощности и удорожать установку. При этом не учитывается, что на самом деле AFE для ТрП - это то же самое, что и ФКУ для ТП и составляет примерно треть по габаритам, массе и стоимости транзисторного преобразовательного комплекса. В результате транзисторный преобразователь с AFE не превосходит по энергетике и массогабаритным показателям тиристорный преобразователь совместно с ФКУ.
Таким образом, тиристорный преобразователь, подобно транзисторному с AFE, не может рассматриваться без ФКУ. Хорошие,
аналогичные AFE, результаты по «переднему фрон-ту» Кмп( ед )~1
тиристорному преобразователю могут обеспечить многоступенчатые (например, 4-х ступенчатые) ФКУ прямой компенсации реактивной мощности, ФКУ косвенной компен-сации реактивной мощности и активные фильтры. Например, при регулировании частоты вращения с постоянным моментом достаточно иметь ФКУ с двумя ступенями динамической ком-пенсации, которое обеспечивает
Кмп( ед) во всем диапазоне на входе преобразователя не ниже 0,98.
Теперь обратим внимание на процессы преобразования энергии на «заднем фронте» преобразователя. Проблемы здесь есть и у тиристорного, но больше они у транзисторного преоб-разователя, и связаны они с коэффициентом искажения на-пряжения Кинд. Рассмотрим сначала, как формируются напря-жения тиристорным преобразователем. Обычно на экскавато-рах распространены так называемые восьмеричные схемы. По-добные многопульсные схемы предлагает использовать ОАО «Рудоавтоматика».
При регулировании постоянного напряжения (рис. 4, а) можно видеть гладкую составляющую (пунктир), равную среднему значению задаваемого напряжения, вокруг которого располагается «пила» мгновенных значений напряжения (сплошная линия). Поскольку в многопульсных схемах размах этой «пилы» небольшой, то при значительных уровнях заданий средние значения напряжений не сильно отличаются от действующих и
ед = о ХХЧХЧЧЧ «і----—1л—™
коэффициент искажения напряжения близок к единице. Но, когда среднее значение напряжения гладкой составляющей приближается к нулю, отношение среднего к действующему значений напряжений также быстро стремится к нулю, при этом быстро убывает и коэффициент искажения.
Рядом (рис. 4, б) иллюстрируется процесс формирования напряжения ид(^) многопульсной схемой на переменном токе. При больших значениях Ид первая гармоника и действующее значение
близки, и Кинд - высок, при малых Ид заданиях Кинд - также падает.
Если рассматривать среднецикловое значение коэффициента искажения, то он во всем диапазоне меньше, чем на постоянном токе. Прежде, чем рассматривать это явле-ние количественно, рассмотрим, - а что происходит в транзи-сторном преобразователе.
В двухуровневневом инверторе воображаемая гладкая составляющая среднего напряжения ид.ср.(^) формируется за счет разной длительности импульсов напряжения одной макси-мальной амплитуды идм с противоположным чередованием знака (рис. 5). Действующее значение напряжения идд оказы-вается всегда одним и тем же - максимальным ид.д=ид.д.м=ид.м, поэтому отношение первой гармоники к действующему значе-нию заведомо ниже, чем в тиристорной схеме.
В принципе, этим инвертором можно управлять и так, что образуется как бы третий уровень, смягчающий картину, но это происходит при одном открытом ключе одной группы.
б/рекуперации рекуперация
Рис. 5. Способ формирования напряжения ТрП
При этом энергия нагрузки рассеивается на элементах преобразователя, двигатель находится в режиме динамического торможения, т.е. рекуперации не происходит и для наших целей не годится (там же на рис. 5). Рассмотрим физику процессов преобразования энергии на выходе ТрП, связав ее с понятием коэффициента искажения напряжения (рис. 6).
На рис. 6,а представлены кривые напряжения ид и тока 1д транзисторного преобразователя с нагрузкой постоянного тока, (либо это можно считать фрагментом на малом интервале синусоиды переменного тока). Умножив мгновенные значения тока на мгновенные значения напряжения, мы получим график мгновенной мощности Рдмгн (пунктир на рис. 6, б). Выделим (разложением в ряд Фурье) первую гармонику Рд.(1) и получим точно такой же характер мгновенной мощности, как в ТП (см. на рис. 2, б), известная доля которой постоянно «качается», в данном случае, между преобразователем и двигателем.
Впрочем, об этой мощности мы хорошо знаем. Первая ее гармоника проявляется в виде подшипниковых токов. Макси-мальный уровень импульсов напряжения обеспечивает макси-мальные потери в стали двигателя. Крутые фронты импульсов напряжения «съедают» изоляцию.
Коэффициент искажения напряжения для постоянного то-ка легко подсчитать, потому что среднее значение обратно пропорционально скважности, а действующее значение посто-янно. Расчетная зависимость Кинд(ед) представлена на рис. 6, в. Как видим, этот график идентичен аналогичной зависимости коэффициента
сдвига cosфп( ед) от степени регулирования тиристорного преобра-
. * . . * . зователя КИнд( ед )трП = ^фп( ед )ш.
Рис. 6. Коэффициент искажения напряжения и мгновенная мощность на выходе АИН при регулировании в системе ТрП-Д: а) напряжение и ток; б) мгновенная мощность и мощность первой гармоники; в) зависимость коэффициента искажения от степени регулирования
Таким образом, можно сказать, что проблемы «переднего фронта» тиристорного преобразователя (низкий cosфп) в пол-ном объеме перешли на «задний фронт» транзисторного преобразователя (низкий Кинд). Активная мощность на выходе ТрП при снижении частоты вращения пропорционально уменьшает-ся, а «качающаяся» между преобразователем и двигателем ре-активная мощность растет аналогично реактивной мощности на входе ТП при той же степени регулирования.
к
инд
0.81
0.6
0.4
0.2
б)
0,772 0,844 0,874| , 0,905
НП -С ■ А д 0.63
0,601 0.51
* 0, (8 0.26 0.38 АИН-АД
0.13 ид*=ид/идм 1 1 1
Рис. 7. Зависимости коэффициента искажения напряжения Кинд на выходе тиристорных и транзисторные преобразователей постоянного а) и переменного б) токов
На рис. 7, а представлены расчетные зависимости коэффициента искажения напряжения Кинд в тиристорном и транзисторном преобразователях постоянного тока. Видно, что в большей части диапазона изменения напряжения коэффициент искажения в тиристорном преобразователе многократно выше.
Аналогичная картина наблюдается и на переменном токе (рис. 7, б). Значения коэффициентов вычислялись как средне-цикловые при формировании различных по амплитуде сину-соидальных средних напряжений в соответствующих преобра-зователях постоянного тока.
Основываясь на условиях регулирования частоты враще-ния с постоянным моментом сопротивления на валу, зададимся значениями частоты вращения и просчитаем все упомянутые коэффициенты для всех перечисленных выше систем электро-приводов. Перемножив коэффициенты при каждой опреде-ленной частоте вращения, имеем значения коэффициентов энергетической эффективности Кээ. Графики зависимостей ко-эффициента энергетической эффективности Кээ от диапазона регулирования Д=юн^ представлены на рис. 8.
Из графиков видно, что при диапазоне регулирования больше двух транзисторные электропривода в разы менее энергоэффективны, чем тиристорные. С этим, возможно, мож-но было бы, мириться, если бы транзисторные преобразовате-ли обладали низкой стоимостью. Однако мы знаем, что это не так.
к.
АИН(ШИМ)-АД)
57
0
2
6
8
Рис. 8. Зависимости коэффициента энергетической эффективности от диапазона регулирования
Для получения объективных сравнительных показателей по стоимости сопоставим названные четыре системы по этому показателю. При этом будем ориентироваться на продукцию и методики нашего предприятия. Мощность всех систем принята равной 50 кВт.
Для того чтобы приблизить соотношения Кээ(Д) и Кст(Д) к экскаваторным, условимся, что среднецикловой диапазон регулирования составляет Д = 2,5. А теперь возьмем отношение коэффициента сравнительной стоимости Кст к коэффициенту энергоэффективности Кээ (рис. 8) при условном цикле со средневзвешенным диапазоном Д = 2,5. Получаем «модный» сегодня слоган - соотношение «цена-качество» Под «качеством» здесь будем понимать долю активной мощности Р2, передавае-мой механизму, в полной мощности S1, потребляемой из сети, т.е. Р2/ S1 или Кээ= Р2/ S1. На рис. 9 показано отношение цены за энергоэффективность в транзисторных и тиристорных элек-троприводах. Очевидно, что стоимость преобразования энер-гии в транзисторных электроприводах в несколько раз выше, чем в тиристорных.
Конечно, соотношения эти не жесткие, они сильно зависят от циклов механизмов и диапазона изменения не только частоты вращения, но и нагрузок. Но может быть все-таки, поэтому пока частотный транзисторный электропривод широко распространяется КСТ соотношение «цена — качество преобразования энергии»:
Рис. 9. Отношение коэффициента сравнительной стоимости к коэффициенту энергоэффективности при условном цикле с D = 2,5
лишь на вентиляторных механизмах, где диапазон невелик, и в механизмах, где на низких частотах вращения привод работает ничтожное время, например, при пусках и остановках. В экскаваторном приводе, где значительная часть цикла может протекать с номинальными (и даже стопорными) нагрузками при около-нулевых частотах вращения (Д = 2.. .3), тиристорный привод энергоэффективнее транзисторного.
Единственным радикальным средством изменения соотношения на рис. 9 является применение многоуровневых инверторов. Напряжения трехуровневого инвертора имеют более высокий коэффициент искажения, а сам характер Кинд в зависимости от степени регулирования приближается к тому, что мы имеем в тиристорном НПЧ. Однако проведем сравнение. Симметричный тиристорный мост, выполненный на тиристорных модулях МТ3-800 и обеспечивающий в режиме 10-секундного стопорения 2200А, имеет стоимость силовых ключей около 60 000 руб. Мост транзисторного двухуровневого инвертора на такие же условия с транзисторами СМ2400НС-34Н имеет стоимость силовых элементов примерно 300 000 руб., трехуровневый инвертор на таких же ключах вдвое дороже - 600 000 руб. Таким образом, коэффициенты искажения напряжения и энергоэффективности можно приблизить к тиристорным, но цена при этом здорово «кусается».
Еще одним, правда менее эффективным, способом повышения коэффициента искажения напряжения на «заднем фронте» преобразователя, универсальным, как для транзисторных, так и для тиристор-
ных приводов, является установка силовых «моторных» дросселей перед двигателем. Дроссели должны быть выполнены на полное напряжение и ток двигателя, т.е. их типовая мощность должна быть равна типовой мощности двигателя, а индуктивное сопротивление должно быть как можно больше. Это тоже дорогое решение. Предлагаемые сегодня меры по усилению электрической прочности двигателя (изоляция, подшипники, спец. исполнения) бесспорно, увеличивают надежность электропривода, но вместе с этим увеличивают и стоимость электрических машин. А вот к улучшению энергоэффективности преобразования электроэнергии, к сожалению, эти меры не приводят.
Таким образом, проведенный в данной работе анализ позволяет нам утверждать, что в электроприводах с глубоким регулированием частоты вращения, со значительным временем работы в зоне низких частот вращения с большими нагрузками в цикле (экскаваторных электроприводах) тиристорные системы постоянного и переменного токов оказываются значительно более энергоэффектиными или значительно более дешевыми, чем соответствующие транзисторные.
A.J. Mikitchenko, A.N. Shevchenko, J.A Birjukov, P.R. Shestakov
EFFICIENCY OF ELECTRIC ENERGY TRANSFORMATION IN THYRISTOR AND TRANSISTOR ELECTRIC DRIVES OF EXCA VA TOR
The analysis of electric drives with deep regulation of rotation frequency, with a considerable operating time in a zone of low rotation frequencies with big loadings in a cycle (excavator electric drives) and thyristor systems work of constant and variable currents is carried out.
Key words: excavator electric drive, mining enterprises, thyristor systems, jet capacity, transistor converters.
___ Коротко об авторах ___________________________________________________
Микитченко А.Я. - доктор технических наук, профессор, директор по
научной работе,
Шевченко А.Н. - ст. научый сотрудник,
Бирюков Ю.А. - главный инженер,
Шестаков П.Р. - аспирант,
ОАО «Рудоавтоматика», г. Железногорск, [email protected]
