CC BY
16УДК 621.314.6
DOI:10.24411/2658-4255-2020-10083
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ СЕВЕРНЫХ РЕГИОНОВ
К.А. Змиева
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образование «Московский государственный технологический Университет «СТАНКИН», г. Москва, Россия
И kirazmieva@mail.ru
В статье приведено описание качественных и количественных взаимосвязей между энергетическими характеристиками силовых выпрямительных устройств технологического оборудования и параметрами технологических процессов, реализуемых на этом оборудовании. Показана необходимость оптимизации энергопотребления промышленных предприятий, расположенных в северных регионах.
Ключевые слова: постоянный ток, выпрямительное устройство, технологическое оборудование, промышленное предприятие, Арктика.
RESEARCH OF POWER CHARACTERISTICS OF POWER RECTIFIERS TECHNOLOGICAL EQUIPMENT FOR INDUSTRIAL ENTERPRISES OF THE NORTHERN REGIONS
K.A. Zmieva
Moscow State University of Technology «STANKIN», Moscow, Russia
The article describes the qualitative and quantitative relationships between the energy characteristics of power rectifiers of technological equipment and the parameters of technological processes implemented on this equipment. The necessity of optimizing the energy consumption of industrial enterprises located in the Northern regions is shown.
Keywords: direct current (DC), rectifier device, manufacturing equipment, industrial enterprise, Arctic.
Статья получена: 27.03.2020 Принята к публикации:31.03.2020 Опубликована: 10.04.2020
Введение. Энергоэффективность промышленного предприятия в целом и отдельных технологических процессов в частности является одним из важнейших показателей качества как отдельного производства, так и отрасли в целом, и в значительной степени определяет его конкурентоспособность.
Сегодня мы наблюдаем небывалый за последние десятилетия индустриальный рост в северных арктических регионах России. Это связано, в первую очередь, с поставленной руководством страны задачей развития Северного морского пути и многократного повышения реализуемого по нему грузопотока, а с другой стороны, ростом объемов нефте- и газодобычи в этом регионе. Около 20% продуктов добывающих отраслей производятся сегодня в Арктике. Также, около 2% продукции обрабатывающих отраслей производятся на территории рассматриваемого региона.
Большая часть всей продукции производится на территории Ямало-Ненецкого АО, а около 10% на севере Красноярского края и в Ненецком АО.
Почти 2% промышленных продуктов производятся именно в арктической части Якутии. В западной части отечественной Арктики находятся районы старого освоения — индустриализированные в начале 20 века. К примеру, наиболее диверсифицированной является именно Мурманская область со своей развитой горнодобывающей промышленностью, металлургией и электроэнергетикой.
Ключевыми предприятиями Арктики являются:
• Кольская горно-металлургическая компания («Норникель»),
• Кандалакшский алюминиевый завод (ОАО «РУСАЛ»),
• Оленегорский ГОК,
• Ковдорский ГОК,
• «Ковдорслюда»,
• ОАО «Апатит» и др.
Основные производимые продукты: цветные металлы, стройматериалы, флогопит, алюминий, апатитонефели-новые руды, вермикулит, комплексные железные руды, ферритовые стронциевые порошки, эгириновый, сфеновый,
титано-магнетитовый, железорудный, апатитовый и бадделеитовый концентраты и другие концентраты.
Наиболее крупные предприятия инфраструктуры:
• Кольская АЭС,
• ГЭС Мурманской области и др.
Число и номенклатура используемого в северных регионах технологического оборудования постоянно растет. В то же время, вопрос качественного и бесперебойного энергообеспечения Арктики является одним из ограничителей роста объема добычи и переработки полезных ископаемых в регионе. Расположенные здесь предприятия вынуждены использовать привозное органическое топливо, что в связи с высокой логистической составляющей стоимости и низкой надежностью выработавшего свой ресурс генерирующего оборудования приводит к значительному росту издержек и сниж ению экономических показателей. Присущие этим регионам природно-климатические условия делают затруднительным повсеместное внедрение альтернативных электрогенерирующих мощностей, основанных на преобразовании солнечной, ветровой или приливной энергии [1]. В связи с вышесказанным, задача рационального использования электроэнергии и применения энергоэффективных технологий является актуальной для промышленных предприятий, расположенных в северных регионах.
Одной из характерных особенностей современного промышленного производства является наличие в нем автоматизированного технологичного оборудования различной номенклатуры.
Значительная часть этого оборудования уже спроектирована на электропитание от сети постоянного тока. Это, прежде всего, оборудование гальванических цехов, электросварки, электротермической обработки, покраски и прочее. И поэтому для работы в сети переменного тока такое оборудование оснащается специальными выпрямительными устройствами.
Выпрямительным устройством (ВУ) называется статическое устройство, обеспечивающее преобразование электрической энергии переменного тока
в электрическую энергию постоянного тока. В качестве источника энергии и1(1) в основном используется однофазная или трехфазная сеть переменного тока промышленной частоты 50 Гц. ВУ преобразует знакопеременное напряжение источника энергии и^) в напряжение постоянного тока и0(1), содержащее, кроме полезного продукта преобразования — постоянной составляющей напряжения ио, также переменную составляющую, называемую пульсацией ип(1) = и0(1) — ио. Допустимый уровень пульсации на выходе ВУ и критерии (параметры) её оценки определяются требованиями технологичного оборудования.
Выпрямительные устройства могут быть выполнены по традиционной схеме или по схеме с двойным преобразованием энергии. В состав такого ВУ входит низкочастотный силовой трансформатор Т, работающий на частоте Д = 50 Гц источника энергии, вентильный блок (диодный блок) ВБ и сглаживающий фильтр СФ.
Трансформатор обеспечивает преобразование уровня напряжения питающей сети (источника энергии) и^) до значений и2И, при которых на выходе ВУ может быть получено требуемое значение постоянной составляющей напряжения ио. Кроме того, трансформатор необходим для обеспечения гальванической развязки между источником энергии и выходными зажимами ВУ, что позволяет заземлять один из выходных полюсов (зажимов) ВУ. ВБ преобразует переменное напряжение и2(1) в знакопостоянное (однополярное) напряжение и01(1). В простейшем случае ВБ представляет собой набор неуправляемых вентилей (диодов), собранных по той или другой схеме выпрямления. В стабилизированных ВУ, выполненных по традиционной схеме, ВБ может быть также реализован полностью на полууправляемых приборах — тиристорах или в его состав могут входить как диоды, так и тиристоры. ВУ, в которых ВБ реализован с применением тиристоров, называются чаще управляемыми выпрямителями. После ВБ практически в любом выпрямительном устройстве, предназначенном для электропитания аппаратуры телекоммуникаций, следует
сглаживающий фильтр СФ, представляющий собой фильтр нижних частот. СФ необходим для уменьшения уровня пульсации на выходе ВУ до значений, удовлетворяющих требованиям аппаратуры [3].
Другая же часть производственного оборудования на предприятиях, хотя и спроектирована на электропитание от сети переменного тока, но ее электротехническая система содержит в своем составе также выпрямительные устройства. К этому оборудованию относятся, в первую очередь, современные металлорежущие станки и комплексы.
Одной из основных особенностей технологических процессов, реализуемых на этом оборудовании, являются переменные нагрузки на его электротехнические системы в целом и его выпрямительные устройства в частности. Такие режимы эксплуатации выпрямительных устройств технологического оборудования являются причиной изменения их энергоэффективности и стабильности выпрямленного напряжения.
Все это требует вносить коррективы в работу выпрямительных устройств средствами автоматизации с учетом реальной нагрузки на них.
Цель исследования состоит в выявлении необходимости автоматизации и управления силовыми выпрямительными устройствами промышленного оборудования для повышения их энергоэффективности при переменных нагрузках.
Результаты исследования. Как следует из рис. 1, силовые выпрямительные устройства являются органической частью технологического процесса и их энергопотребление, а значит и влияние на энергоемкость машиностроительных технологических процессов с учетом изменяющихся величин их мощностей, требует дополнительных исследований.
В этой связи следует также добавить, что пока применение частотно ре-гулиремых приводов (ЧРП) в машиностроении было относительно невелико, вклад в энергопотребление предприятия этих приводов был невелик. Однако,
в настоящее время, по мере стремительного роста оборудования ЧРП их вклад, а значит и вклад выпрямителей частотных преобразователей, в энергопотребление существенно увеличивается [2].
Существует два класса силовых выпрямительных устройств: линейные регулируемые источники питания и импульсные источники питания. Для регулирования величины выходного напряжения в них используются принципиально разные методы. На рис. 2 изображена упрощённая схема линейного регулируемого источника питания.
В источнике питания этого типа низкочастотный (50 или 60 Гц) трансформатор используется для понижения переменного напряжения из электрической сети при неизменной частоте. В свою очередь, это вторичное напряжение выпрямляется и фильтруется. Регулирование
производится с помощью активного балласта, или переменного сопротивления, включаемого последовательно с нагрузкой. Обычно в качестве такого сопротивления используется биполярный или полевой транзистор в линейном режиме работы. Схема обратной связи, сравнивая величину выходного напряжения с величиной фиксированного опорного напряжения, устанавливает сопротивление балласта таким образом, чтобы поддерживать выходные параметры на заданном уровне. В таком режиме работы большое количество мощности рассеивается, переходя в теплоту, что приводит к снижению КПД. Из-за низкой эффективности работы источника приходится применять громоздкие радиаторы и охлаждающие вентиляторы. Линейные источники питания могут только понижать входное напряжение. Разница между входным и выходным
V
____I
-к! I__
Е 1
СО
V
Г
I
£
с. =
а
Рисунок 1 - Примеры использования выпрямительных устройств.
Рисунок 2 - Упрощенная схема линейного преобразователя.
напряжением равна падению напряжения на транзисторах ипад. Следовательно, в стабилизирующей схеме происходит рассеяние мощности, равной произведению U I , где I - выходной ток, или ток
пад наг' " наг " '
нагрузки. Поскольку входной ток преобразователя равен 1наг, КПД такого преобразователя равно U /U . Таким образом,
1 вых вх 1 '
в большинстве практических случаев КПД будет иметь недопустимо малое значение. Большие массогабаритные показатели, высокая стоимость и размеры радиатора приводят к тому, что линейные стабилизаторы в источниках питания редко применяются при мощностях свыше 10 Вт. Таким образом, этот тип источников питания может быть довольно громоздким, тяжёлым и практически не подходит для современных компактных электронных устройств.
Импульсный стабилизатор лишён большинства указанных недостатков линейного преобразователя.
Особенностью импульсных преобразователей является то, что выходное напряжение может быть выше или ниже входного, а также отличаться от него по знаку. Кроме того, поскольку входное напряжение преобразуется в импульсы и поступает на трансформатор, используя дополнительные обмотки, можно получить более одного выходного напряжения. Стоимость каждого дополнительного выхода очень мала по сравнению с полной стоимостью устройства.
К другим преимуществам относятся приемлемые размеры и стоимость при больших значениях выходной мощности. Так как частота в импульсном режиме работы гораздо больше 50 Гц, импульсные источники питания значительно (в десятки раз) превосходят линейные,
а их КПД составляет обычно от 85 до С одной стороны, уменьшение потерь достигается за счет применения современной элементной базы. Но, с другой стороны, более значительный эффект может быть достигнут благодаря использованию соответствующих, зачастую нестандартных схемотехнических решений и высокой степени оптимизации всех параметров преобразователя. В то же время, постоянное уменьшение размеров радиоэлектронных устройств, при одновременном росте потребляемой ими мощности, увеличение количества средств связи, внедрение новых энергоемких технологических процессов в производстве привели к тому, что компактность и эффективность стали едва ли не основными требованиями к современным преобразователям энергии.
Одной из главных проблем при преобразовании переменного напряжения в постоянное является проблема стабилизации выходного напряжения. Для этих целей и линейные и импульсные источники питания оснащаются емкостными фильтрами. В конденсаторе фильтра:
и = уш + и^ 0)
Для ограничения колебаний напряжения необходимо или увеличивать емкость конденсатора фильтра С или снижать время прохождения сигнала через конденсатор dt. Одним из главных достоинств импульсных источников питания является возможность использования очень малых dt (за счет повышения частоты коммутации ключей), благодаря чему емкость конденсатора фильтра в таких преобразователях может быть существенно снижена.
Несомненным достоинством выпрямительных устройств импульсного типа является возможность преобразования электрической энергии практически любого вида. При работе от сети переменного тока входное переменное напряжение сначала выпрямляется, а затем преобразуется в емкостном фильтре, на выходе которого получаем постоянное напряжение, на фоне которого присутствуют пульсации. Следующим элементом преобразователя является высокочастотный силовой ключ. Он представляет собой полупроводниковое устройство, биполярный или полевой транзистор, который быстро открывается и закрывается, формируя импульсы напряжения, поступающие на первичную обмотку силового трансформатора.
Управляющие импульсы имеют фиксированную частоту, которая для современных преобразователей обычно лежит в диапазоне от 10 до 500 кГц, а их скважность регулируется системой управления, отвечающей за стабилизацию выходных параметров.
Таким образом, на вторичной обмотке трансформатора формируется последовательность импульсов напряжения требуемой амплитуды и длительности. После этого переменное напряжение в виде импульсов выпрямляется и сглаживается выходным фильтром, который представляет собой ёмкость или соединение ёмкостей и индуктивностей, в зависимости от типа схемы. Такое преобразование энергии происходит с наименьшими возможными потерями и обеспечивает максимальную эффективность работы источника.
Таким образом, сетевой импульсный источник питания в общем случае должен выполнять следующие функции с высокой эффективностью и малыми потерями:
1. Выпрямление — преобразование входного переменного напряжения сети в постоянное.
2. Входная фильтрация — сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения.
3. Трансформация и гальваническая развязка - получение напряжения нужной величины, гальванически развязанного относительно входных цепей.
4. Регулирование — поддержание постоянного уровня выходного напряжения независимо от изменений в сети, нагрузки и температуры.
5. Выпрямление и фильтрация выходная — преобразование переменного напряжения на выходе трансформатора в последовательность однополярных импульсов и выделение их постоянной составляющей.
6. Защита — предотвращение возникновения скачков напряжения на выходе, отключение при нарушении электроснабжения, превышении нагрузки или коротком замыкании.
Регулирование выходного напряжения происходит благодаря тому, что изменение скважности импульсов на выходе ключей вызывает соответствующее изменение постоянной составляющей напряжения на нагрузке.
В настоящее время существует большое количество схем построения импульсных источников питания, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки, что делает их применимыми для решения определённых классов задач [2,3].
Хорошо известны и описаны в литературе три базовые схемы импульсных выпрямительных устройств без гальванической развязки - понижающий, повышающий и инвертирующий преобразователи. Преобразование энергии в этих схемах производится при помощи индуктивностей и емкостей. Это наиболее простые устройства с минимальным количеством компонентов. На примере таких схем в полной мере могут быть исследованы закономерности работы и методы анализа более сложных типов преобразователей [4].
Структурная схема понижающего импульсного преобразователя изображена на рис. 3.
Для облегчения анализа работы данной схемы и остальных базовых схем преобразователей примем некоторые допущения. Будем считать, что все компоненты идеальны. Конденсатор имеет бесконечную емкость, поэтому можно пренебречь пульсациями выходного тока.
Рисунок 3 - Структурная схема понижающего импульсного преобразователя.
Данная схема, как и все импульсные регуляторы напряжения, рассматриваемые далее, работает либо в двух-, либо в трех-интервальном режиме. В первом случае имеют место следующие интервалы работы схемы за период:
1. Импульс (транзистор открыт, диод закрыт);
2. Пауза (транзистор закрыт, диод открыт).
Этот режим называют режимом непрерывного тока, так как ток через дроссель протекает постоянно.
Во втором случае ток прерывистый:
1. Импульс (транзистор открыт, диод закрыт);
2. Пауза (транзистор закрыт, диод открыт);
3. Отсечка (оба ключа закрыты).
Режим непрерывного тока является предпочтительным. Он обеспечивает снижение размеров дросселя и конденсатора. Ключи при этом также испытывают меньшие токовые нагрузки. Транзистор формирует импульсное напряжение, которое впоследствии сглаживается выходным фильтром.
Через открытый ключ происходит запасание магнитной энергии дросселем и входное напряжения через индуктивность L подается на выход преобразователя. Когда транзистор закрывается, ток индуктивности меняется на противоположный, открывается диод, через который запасенная
магнитная энергия передается в нагрузку.
Вычислим параметры выходного напряжения для данного преобразовате-
0 = -
ля, для чего введем параметр т-
называемый коэффициентом заполнения импульсов, характеризующий управляющий сигнал.
Воспользуемся вторым законом Кирхгофа для постоянных значений напряжений. Рассмотрим контур: иоч„ Т, 1_, 13 .
-U„ + UT-UL- = о
(2)
Напряжение на транзисторе определим как среднее, используя временную диаграмму икл (рис. 4):
Ят = £ ^Ц^ = ? £ № = Ч-С1 ~
(3)
откуда =
(4)
Таким образом, выходное напряжение понижающего регулятора всегда ниже, чем входное, т.к. D никогда не достигнет единицы. Регулировка выходного напряжения осуществляется путем изменения
От понижающего преобразователя схема повышающего преобразователя без гальванической развязки отличается только порядком соединения элементов.
О
V у
увШ КЦ/Ы
т
г
Рисунок 4 - Временные диаграммы работы понижающего импульсного преобразователя.
Если ключ замкнут, диод D смещен в обратном направлении, и входное напряжение ивх подключено только к L. Ток в индуктивности возрастает до максимального значения, либо от нуля, либо от определенного начального значения при непрерывном режиме работы. Когда ключ разомкнут, напряжение L меняет знак, в результате чего напряжение на диоде становится выше входного напряжения. Диод передает энергию, запасенную в индуктивности и энергию от входного источника на сглаживающую емкость и нагрузку. Таким образом, выходное напряжение ивых всегда больше, чем входное ивх. Регулировочная характеристика повышающего преобразователя получается аналогичным способом и имеет следующий вид:
1-С
Как и ранее, для рассмотренного идеализированного случая выходное напряжение зависит только от входного напряжения и коэффициента заполнения. Таким образом, контролируя скважность, можно изменять выходное напряжение [5].
Временные диаграммы, иллюстрирующие работу повышающего регулятора, приведены на рис. 5.
Видно, что ток, подаваемый на выходной сглаживающий конденсатор - это ток диода, который всегда будет прерывистым. Это означает, что выходной конденсатор должен иметь большую емкость, с низким эквивалентным последовательным сопротивлением для получения приемлемого уровня выходных пульсаций. В этом отличие требований для выходного конденсатора повышающего регулятора от требований для емкости понижающего регулятора, описанного ранее. С другой стороны, входной ток —
Uoi
О
и
О
T -^
1 _ AU^,_
1 t/Sbix
t„ T
t
Рисунок 5 - Временные диаграммы повышающего импульсного преобразователя.
это,как правило, непрерывный ток дросселя, что обеспечивает низкие входные пульсации.
Третий базовый тип преобразователя без гальванической развязки - инвертирующий или обратноходовой преобразователь - может быть получен из тех же компонентов, что и предыдущие. Его схема представлена на рис. 6.
Если ключ замкнут, диод смещен в обратном направлении и вход подключен через индуктивность, в которой запасена энергия, как описано ранее. При выключении, напряжение дросселя меняется на противоположное и запасенная энергия передается в конденсатор и нагрузку через открытый диод.
Рисунок 6 - Схема инвертирующего импульсного преобразователя.
Особенностью данного преобразователя является то, что выходное на-пряжение имеет обратную полярность относительно входного. Анализ показывает, что регулировочная характеристика инвертирующего преобразователя имеет вид:
= ^ (б)
В зависимости от коэффициента заполнения О выходное напряжение может быть как меньше, так и больше входного по амплитуде. Это делает данный преобразователь гибким решением для ряда задач, например, в качестве предварительного регулятора в системах двойного преобразования.
При использовании данного преобразователя трудно добиться низкого уровня пульсаций. Обычно требуется очень большой выходной фильтрующий конденсатор.
Транзистор также должен быть рассчитан на большие токи, а также поддерживать высокие напряжения. Транзистор в инвертирующем регуляторе испытывает большие нагрузки. Выпрямительный диод также испытывает большие пульсации тока, что приводит к увеличению динамических потерь.
Рассмотренные преобразователи без гальванической развязки имеют ограниченную область применения. Развязка необходима практически всегда для источников питания, подключаемых к промышленной сети переменного тока. При ее отсутствии источники питания становятся небезопасными, поскольку даже при низком и безопасном выходном напряжении, разность потенциалов между выходными клеммами и землей достигает больших значений. Кроме того, из-за отсутствия трансформатора рассмотренные типы преобразователей не могут обеспечивать выходные напряжения, которые значительно отличаются от входных. Поэтому трансформаторные импульсные источники питания (ИИП), рассмотренные ниже, имеют значительно большую область применения.
Высокочастотный трансформатор, включенный между входом и выходом преобразователя, позволяет преодолеть большинство из указанных выше
ограничений и имеет следующие преимущества:
• Гальваническое разделение входа и выхода, что необходимо для обеспечения безопасности выходов при питании от сетей 220 / 380 В.
• Коэффициент трансформации может быть выбран так, что выходное напряжение будет сильно отличаться от входного.
• Выбором правильного коэффициента трансформации можно также оптимизировать выбор скважности работы преобразователя, и минимизировать пиковые токи.
• оличество выходов просто увеличивать, добавляя трансформатору вторичные обмотки. При этом можно обеспечить разную полярность выходных напряжений, просто изменяя полярность вторичных обмоток относительно первичной.
У подобных ИИП также имеются недостатки, основные из которых обусловлены наличием трансформатора. Например, индуктивность рассеяния трансформатора в большинстве схем приводит к появлению выбросов напряжения при закрытии силового ключа. В то же время, ряд проблем обусловлен наличием индуктивности намагничивания, которая насыщается при превышении тока, что может стать причиной выхода из строя преобразователя. То есть, необходимо контролировать ток намагничивания и обеспечить цикл размагничивания или перемагничи-вания трансформатора.
В зависимости от режима работы трансформатора, преобразователи делятся на однотактные и двухтактные.
В однотактных преобразователях рабочая точка намагничивания сердечника трансформатора всегда находится в одном квадранте, т. е. напряженность и индукция магнитного поля не меняют знак, и используется только половина магнитного потока. Однотактные преобразователи принято разделять на обратноходовые и прямоходовые. В обратноходовых преобразователях передача энергии в нагрузку происходит в интервалы времени, когда ключ находится в закрытом состоянии. Таким образом, энергия не может
непосредственно передаваться из первичных цепей в нагрузку, а должна накапливаться в реактивных элементах схемы (как правило, трансформаторе). Прямо-ходовые преобразователи более эффективно используют магнитные материалы сердечников, поскольку способны транслировать большую часть энергии из первичных цепей непосредственно в нагрузку.
Двухтактные преобразователи обычно имеют четное число транзисторных ключей. Их преимущество перед однотакт-ными преобразователями обусловлено тем, что в каждом такте изменяется полярность напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора. Тем самым, обеспечивается перемагничивание трансформатора. Таким образом, двухтактные преобразователи более эффективно используют магнитный материал, чем однотактные. Благодаря этому двухтактные преобразователи в целом обладают лучшими параметрами удельной мощности и повсеместно используются для создания ИИП средней и большой мощности.
Следует отметить, что такие ИИП должны быть рассчитаны на подключение к промышленной сети переменного тока. Поэтому, наибольший интерес для дальнейшего исследования представляют именно преоб-разователи с гальванической развязкой [7, 8].
Физические принципы работы
силового импульсного выпрямительного устройства технологического оборудования
Рассмотрим принцип и особенности работы выпрямительного устройства технологического оборудования.
В качестве выпрямительного устройства технологического оборудования, как указывалось выше, наиболее эффективно использовать силовой импульсный преобразователь, выполненный по симметричной однополупериодной схеме.
КПД такого импульсного преобразователя определяется эффективностью преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение, необходимое для питания нагрузки, а значит величиной электрических потерь. В типовом импульсном преобразователе общие потери
энергии состоят из потерь проводимо-
сти Р и коммутационных потерь Р .
пров. ^ ^ 1 комм.
Потери проводимости, если не учитывать пульсацию токов, зависят от суммарного активного сопротивления. В этом случае эффективность преобразователя определяется выражением:
п = и I / (и I + Р + Р ),
I н н у н н комм. пров."
где ин - напряжение нагрузки 1н - ток нагрузки.
Общие потери при токе нагрузки частоте коммутации fs составят:
(7)
1н и
P + P
комм. ПроЕ
= k I f + k 2f I + I 2 R ,
sw1 HfS sw2 s н н пр.'
где Rпр — активное сопротивление элементов преобразователя (проводников, обмоток, каналов транзисторов);
к^, к5№2 — коэффициенты, зависящие от используемого силового ключа.
Следует отметить, что обычно, с увеличением размеров и максимально допустимых параметров транзистора, коэффициенты также возрастают.
На практике при параллельной работе ключей в чередующемся режиме увеличивается эффективность преобразователя при полной нагрузке, т.к. уменьшается величина R . В то же время, при малой
пров
нагрузке преобладают потери на коммутацию Р .Значения КПД преобразова-
комм
теля в каждый момент времени при различных нагрузках могут быть определены на основе зависимости КПД от реальной нагрузки.
Как показали исследования, импульсный преобразователь имеет высокие энергетические характеристики в диапазоне нагрузок от 50% до 90% от номинальной. При увеличении нагрузки до 100% энергетические характеристики незначительно снижаются, а при падении нагрузки до 20% резко падает КПД выпрямительного устройства. Работа устройства при нагрузках менее 20% сопровождается дальнейшим падением КПД, резким ростом пульсаций выходного напряжения и ухудшением стабильности работы. Кроме того, при работе в режиме низких нагрузок возрастает тепловыделение и перенапряжение на силовых элементах выпрямительного устройства, что приводит к резкому сокращению срока службы этих силовых элементов и следовательно выпрямительного устройства в целом.
Эти явления связаны с так называемым переходом устройства в режим «разрывных» токов.
Постоянное напряжение, снимаемое с выхода, получается из импульсного посредством фильтрации при помощи LC-фильтра. При малых токах потребления ток через индуктивность L (дроссель) становится «разрывным». В момент разрыва тока резко растёт нагрузка на ключевые элементы устройства и нарушается работа цепи обратной связи, назначение которой - стабилизировать выходное напряжение. Поэтому работа силового импульсного выпрямительного устройства при нагрузке менее 10% от номинальной считается аварийным режимом.
Таким образом, в случае применения однополупериодных силовых импульсных выпрямительных устройств в электротехнических системах технологического оборудования возникают дополнительные потери при преобразовании переменного напряжения в постоянное ДР, связанные с низким КПД выпрямительного устройства при его эксплуатации в зоне низких нагрузок.
Тешлоппкгае оооруз|>в .1Р
Рп
На рис. 7 представлена упрощенная электротехническая система технологического оборудования с выделенным силовым выпрямительным устройством, иллюстрирующая вышеизложенное.
Исследование влияния параметров
технологических процессов на энергетические характеристики силовых выпрямительных устройств.
Для экспериментального исследования зависимости коэффициента полезного действия существующих силовых выпрямительных устройств от текущей нагрузки была проведена серия экспериментальных исследований. Для этих целей был собран специализированный стенд, представляющий собой регулируемую нагрузку с программным управлением.
Работа стенда с регулируемой нагрузкой построена на свойстве полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) ограничивать ток, протекающий через цепь, в зависимости от напряжения на затворе.
На рис. 8 представлена схема установки для тестирования силовых выпрямительных устройств, работающая по следующему алгоритму: импульсный преобразователь с выходным напряжением +V подключается к стенду. При вращении
Рисунок 7 - Электротехническая система
технологического оборудования с выделенным силовым выпрямительным устройством, где Рп - полная мощность, Рэтс - мощность, потребляемая электротехнической системой, АР - потери при преобразовании переменного напряжения в постоянное.
Рисунок 8 - Электротехническая система технологического оборудования с выделенным силовым выпрямительным устройством, где Рп - полная мощность, Рэтс - мощность, потребляемая электротехнической системой, АР - потери при преобразовании переменного напряжения в постоянное.
ручки переменного резистора R1, происходит изменение напряжения на затворе транзистора ^1, приводя к изменению протекающего через него тока I от нуля до максимального значения, определяемого характеристиками транзистора и/или тестируемого выпрямительного устройства.
Для целей исследования характеристик силового выпрямительного устройства был выбран стандартный импульсный преобразователь (блок питания) мощностью до 2000 Вт.
В ходе экспериментальных исследований производилось изменение нагрузки на блок от 50 Вт до максимально возможной с шагом 200 Вт. На каждом шаге производилось измерение мощности, потребляемой блоком от сети. Коэффициент полезного действия вычислялся как отношение мощности постоянного тока в нагрузке выпрямительного устройства, вычисляемой как произведение величины тока на значение напряжения, к потребляемой от сети переменного тока мощности. Потребляемая от сети мощность измерялась при помощи датчика мощности ДИМ, предназначенного для измерения активной составляющей полной мощности в промышленных сетях переменного тока промышленной частоты.
Результаты экспериментальных исследований зависимости КПД импульсных силовых выпрямительных устройств от нагрузки представлены на рис. 9.
Так, КПД такого вида устройств быстро возрастает по мере увеличения нагрузки, достигает максимума при приближении к номинальной мощности и затем медленно снижается.
Такая нелинейность характеристики приводит к некоторым особенностям эффективного применения импульсных выпрямительных устройств: паспортная мощность используемого преобразователя должна быть адекватна мощности нагрузки. При эксплуатации преобразователя с большим запасом мощности, низкая нагрузка на нем попадет в область графика, где КПД еще не достиг максимума. Так, например, при токе нагрузки 0,2А, КПД составит всего 70%, что недопустимо низко. Подобная ситуация может складываться не только по причине некорректного подбора мощности преобразователя, но и вследствие особенностей нагрузочных режимов потребителей.
Еще одним важнейшим показателем эффективности работы преобразователя является стабильность выдаваемого выходного напряжения. Для исследуемого полумостового импульсного выпрямительного устройства были проведены соответствующие исследования. Преобразователь нагружался активной нагрузкой. При измерении стабильности выходного напряжения входное переменное напряжение изменялось посредством регулировочного автотрансформатора в пределах от -20% до +15% от номинального
С
л
—--и%
——
/
i-
тек нагрузки, 1н, А
Рисунок 9 - Зависимость КПД импульсного выпрямительного блока от нагрузки.
напряжения сети.
Анализ проведенных экспериментальных исследований показал, что стабильность выходного напряжения силового импульсного выпрямительного устройства преобразователя изменяется до 7% в зоне низких (до 25%) нагрузок и до 3% в зоне высоких (более 90%) нагрузок (рис. 10).
Таким образом, энергоэффективность и стабильность выходного напряжения импульсных силовых выпрямительных устройств существенно зависит от нагрузки, причем наибольшая зависимость возникает при малых нагрузках.
В случае применения однополупери-одных силовых импульсных выпрямительных устройств в электротехнических системах технологического оборудования возникают дополнительные потери при преобразовании переменного напряжения в постоянное АР, связанные с низким КПД выпрямительного устройства при его эксплуатации в зоне низких нагрузок.
Заключение. Т.о., проведенные исследования показали, что эксплуатация силовых импульсных выпрямительных устройств технологического оборудования в режиме низких нагрузок приводит к ухудшению их энергоэффективности
и к снижению стабильности выходного напряжения за счет перехода в режим «разрывного» тока при недостаточности внутреннего энергопотребления. В связи с тем, что избежать функционирования выпрямительных устройств в режимах низких нагрузок не представляется возможным (это связано с особенностями технологических процессов, реализуемых на промышленном оборудовании), необходимо найти пути повышения энергоэффективности таких устройств аппаратными методами. Так, например, включение в конструкцию выпрямителей блоков пассивной подгрузки или устройств рекуперации энергии позволит в значительной степени улучшить их энергетические показатели. Следовательно, для оптимизации энергопотребления промышленных предприятий, в особенности в условиях северных регионов, необходимо еще на этапе проектирования производственных процессов закладывать возможность аппаратной оптимизации оборудования, оснащенного силовыми импульсными выпрямительными устройствами.
233
21В —
0123456739
Ток нагрузки, 1н, А
Рисунок 10 - Зависимость величины выходного напряжения от тока нагрузки для силового импульсного выпрямительного устройства.
Список литературы:
1. А.О. Пименов, Д.Г Куликов, Е.Н. Гольцов, ПИ. Гречко Энергообеспечение в Арктике. Нефте-газ.ру. №1, 2018, с. 24-29.
2. В. М. Бушуев, В. А. Демянский, Л. Ф. Захаров и др. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / М.: Горячая линия—Телеком, 2009. — 384 с.: ил.
3. Хайро Д.А. Автоматизация и управление силовыми выпрямительными устройствами для повышения энергоэффективности при переменных нагрузках. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук // ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН». Москва, 2015.
4. Тукшаитов Р.Х. О коэффициенте мощности и Cos ф выпрямительного устройства при разных активно-емкостных нагрузках и уровне эмиссии в электросеть высших гармоник // Практическая силовая электроника. 2019. № 3 (75). С. 53-55.
5. Змиева К.А., Кузнецова Е.В., Углева Е.М. Моделирование сети электроснабжения промышленного предприятия с использованием постоянного тока. Вестник МГТУ «СТАНКИН». - №4, 2014, с. 154-160.
6. Бочаров В.В., Коняхин С.Ф., Резников С.Б. Дву-хуровненвая транспортно-бортовая система электроснабжения постоянного тока // Практическая силовая электроника. 2011. № 3 (43). С. 26-28.
References:
1. A.O. Pimenov, D.G. Kulikov, E.N. Gol'cov, G.I. Grechko Energoobespechenie v Arktike. // Neftegaz.ru. №1, 2018, s. 24-29.
2. V. M. Bushuev, V. A. Demyanskij, L. F. Zaharov i dr. Elektropitanie ustrojstv i sistem telekommunikacij: Uchebnoe posobie dlya vuzov / M.: Goryachaya liniya—Telekom, 2009. — 384 s.: il.
3. Hajro D.A. Avtomatizaciya i upravlenie silovymi vypryamitel'nymi ustrojstvami dlya povysheniya energoeffektivnosti pri peremennyh nagruzkah. Avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tekhnicheskih nauk // FGBOU VPO MGTU «STANKIN». Moskva, 2015.
4. Tukshaitov R.H. O koefficiente moshchnosti i Cos □ vypryamitel'nogo ustrojstva pri raznyh aktivno-emkostnyh nagruzkah i urovne emissii v elektroset' vysshih garmonik // Prakticheskaya silovaya elektronika. 2019. № 3 (75). S. 53-55.
5. Zmieva K.A., Kuznecova E.V., Ugleva E.M. Modelirovanie seti elektrosnabzheniya promyshlennogo predpriyatiya s ispol'zovaniem postoyannogo toka. // Vestnik MGTU «STANKIN». - №4, 2014, c. 154-160.
6. Bocharov V.V., Konyahin S.F., Reznikov S.B. Dvuhurovnenvaya transportno-bortovaya sistema elektrosnabzheniya postoyannogo toka // Prakticheskaya silovaya elektronika. 2011. № 3 (43). S. 26-28.
7. Терешин М.В., Кулагин О.А. Оперативное регулирование процесса резания в технологических системах металлообработки. Вестник МГТУ «СТАНКИН», №2(25), 2013, с. 25-30
8. Змиева К.А., Козлов Д.В., Кузнецова Е.В., Дол-жикова Е.Ю., Туманов Д.С. Разработка алгоритма функционирования автоматизированной системы контроля и управления потреблением ресурсов для административных зданий. Вестник МГТУ «СТАНКИН», №2(25), 2013, С. 68-73.
9. Хайро Д.А. Повышение энергоэффективности силовых импульсных преобразователей в режиме малых нагрузок // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2012. № 3. С. 83-88.
10. Змиева К.А., Кузнецова Е.В. Методика расчета коэффициента мощности электродвигателя в условиях несинусоидальности тока и напряжения // Вестник МГТУ «СТАНКИН», №4 (17), 2011, С. 39-42.
11. Александров Д.С., Калашников А.С. Структурный метод расчета токов замыкания в цепях выпрямительных установок // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2019. № 2 (86). С. 55-66.
12. Змиева К.А. Моделирование сети электроснабжения промышленного предприятия с использованием постоянного тока // Электротехника. 2015. № 5. С. 2-9.
7. Tereshin M.V., Kulagin O.A. Operativnoe regulirovanie processa rezaniya v tekhnologicheskih sistemah metalloobrabotki. // Vestnik MGTU «STANKIN», №2(25), 2013, s. 25-30
8. Zmieva K.A., Kozlov D.V., Kuznecova E.V., Dolzhikova E.YU., Tumanov D.S. Razrabotka algoritma funkcionirovaniya avtomatizirovannoj sistemy kontrolya i upravleniya potrebleniem resursov dlya administrativnyh zdanij // Vestnik MGTU «STANKIN», №2(25), 2013, S. 68-73.
9. Hajro D.A. Povyshenie energoeffektivnosti silovyh impul'snyh preobrazovatelej v rezhime malyh nagruzok // Vestnik MGTU «STANKIN». 2012. № 3. S. 83-88.
10. Zmieva K.A., Kuznecova E.V. Metodika rascheta koefficienta moshchnosti elektrodvigatelya v usloviyah nesinusoidal'nosti toka i napryazheniya // Vestnik MGTU «STANKIN», №4 (17), 2011, S. 39-42.
11. Aleksandrov D.S., Kalashnikov A.S. Strukturnyj metod rascheta tokov zamykaniya v cepyah vypryamitel'nyh ustanovok // Vestnik Ul'yanovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. 2019. № 2 (86). S. 5566.
12. Zmieva K.A. Modeling of an industrial enterprise power supply system using direct current // Russian Electrical Engineering. 2015. T. 86. № 5. C. 239-245.
