CC BY
29
шнЕРШшРЕтурсшсБЕШШЕтишшэнЕРШяэФФЕШшвютишЬ 23
УДК 621.314.27; 658.012.011.56:658.512
Возможность повышения энергоэффективности силовых импульсных преобразователей в режиме
малых нагрузок
О. А. Кулагин,
НОЦ «Энергосбережение в промышленности», МГТУ «Станкин», старший научный сотрудник Д. А. Хайро,
студенческое конструкторско-исследовательское бюро, МГТУ «Станкин», младший научный сотрудник, аспирант
С. А. Перерайнов,
студенческое конструкторско-исследовательское бюро, МГТУ «Станкин», техник
Описан способ обеспечения высокой энергоэффективности силового импульсного преобразователя на всём диапазоне по мощности с сохранением высокого КПД, низкого уровня пульсаций и хорошей стабильности выходного напряжения. Приведены результаты экспериментальных исследований предлагаемого технического решения.
Ключевые слова: энергоэффективность, силовые преобразователи, малые нагрузки, контроль, автоматизация.
В настоящее время практически не осталось отраслей, в которых бы не применялись импульсные преобразователи и/или стабилизаторы для преобразования переменного или постоянного тока в переменный или постоянный ток с другими параметрами. Постоянно увеличивается номенклатура подобных приборов и устройств, сфера их применения охватывает всё более широкий диапазон мощностей, токов и напряжений как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. В качестве примера маломощного преобразователя можно рассмотреть драйвер свето-диода в карманном фонарике. Этот драйвер мощностью в доли ватта преобразует напряжение гальванического элемента, меняющееся от 1,5 до 0,8 В по мере разряда, в неизменной величины ток для питания светодиода. Мощные преобразователи, применяющиеся, например, для питания электродвигателей, оперируют мощностями порядка мегаватт при киловольтных напряжениях.
Столь широкое применение импульсных методов для преобразования напряжений и/или токов обусловлено недостижимой никакими иными способами экономичностью устройств, в которых эти методы применяются. Лишь один электротехнический прибор - трансформатор - в ряде случаев превосходит импульсные преобразователи по КПД, однако необходимо учитывать, что трансформатор способен преобразовывать переменный ток только в переменный ток другого напряжения, но той же частоты. При одинаковых мощностях импульсный преобразователь переменного тока занимает в несколько раз меньший объём, обладает существенно меньшим весом и материалоёмкостью, а, кроме того, более широким набором функциональных возможностей по сравнению с обыкновенным трансформатором
(так например, частота выходного напряжения может легко изменяться от единиц до сотен или даже тысяч герц простым поворотом регулятора или по командам с устройства управления).
Развитая система блокировок и защит (от коротких замыканий, перегрузки, перенапряжения и т. д.) обеспечивает более высокую надёжность работы как самих преобразователей, так и оборудования, в состав которого они входят [1].
Однако широкое применение импульсных преобразователей с механической коммутацией ограничено диапазоном малых мощностей, потому что для преобразования больших мощностей необходимо коммутировать большие токи при больших напряжениях, что всегда представляло собой труднореализуемую техническую задачу. Прогресс в сфере разработки мощных полупроводниковых приборов сделал возможным создание силовых переключающих элементов, способных коммутировать килоамперные токи при киловольтовых напряжениях. Тем самым был открыт путь к созданию импульсных преобразователей больших мощностей, причём в массовом производстве такие преобразователи, кроме уже отмеченных выше преимуществ перед обычными трансформаторами, сопоставимы с ними в цене, а в диапазоне небольших (до 1000 Вт) мощностей превосходят их и по этому показателю. Высокая стоимость мощных преобразователей определяется в первую очередь высокой стоимостью мощных полупроводниковых элементов, а также гораздо меньшими объёмами выпуска. Преобразователи мегаваттного уровня до сих пор являются штучной, а поэтому дорогой продукцией (как, впрочем, и трансформаторы подобного класса) [2].
Широкая доступность устройств для преобразования электрического тока с одним набором парамет-
ров в электрический ток с другим набором параметров открывает новые возможности. Так, применение частотных регуляторов, то есть преобразователей переменного тока промышленной частоты 50/60 Гц в переменный ток изменяемой частоты для регулирования скорости вращения роторов асинхронных электродвигателей позволяет резко упростить кинематическую схему оборудования, избавиться от многоступенчатых многоскоростных редукторов и тем самым уменьшить материалоёмкость и повысить энергоэффективность оборудования при сохранении и даже расширении функциональных возможностей последнего (в частности, появляется возможность плавного изменения скорости рабочего органа и/или усилия на нём посредством команд от управляющего устройства) [3].
Эффект от применения частотных преобразователей зависит от установленной мощности двигателя, количества часов использования и планируемого снижения мощности.
В настоящее время практически все потребители, как в быту, так и на производстве, получают электроэнергию в виде одно- или трёхфазного переменного тока. Сложившаяся система передачи и распределения электроэнергии основана на применении переменного тока в связи с его неоспоримыми на момент становления электроиндустрии преимуществами. Однако на сегодняшний день в системах передачи и распределения электроэнергии переменный ток не имеет столь явного преимущества перед постоянным, а по целому ряду факторов заметно ему уступает. Постоянный ток одного напряжения можно легко преобразовать в постоянный ток другого напряжения при помощи так называемых DC/DC преобразователей, которые могут быть названы трансформаторами постоянного тока и которые в настоящее время превосходят обычные трансформаторы переменного тока по массогабаритным и экономическим характеристикам. Более того, во многих сферах применения электрической энергии, например в быту, складывается ситуация, когда практически весь переменный ток непосредственно на входе в прибор или устройство сначала преобразовывается в постоянный и лишь затем используется. Постепенно аналогичная ситуация создаётся и в промышленности, в частности, в машиностроительном производстве [4]. Количество асинхронных двигателей, оснащённых частотными преобразователями, неуклонно растёт. Преобразование переменного тока промышленной частоты в переменный ток другой частоты, необходимой для работы электродвигателя в заданном режиме, в большинстве частотных преобразователей происходит двухступенчато. На первом этапе переменный ток промышленной частоты превращается в постоянный, а затем из этого постоянного тока формируются необходимые переменные напряжения для питания электродвигателя. Очевидно, что наступит момент, когда станет экономически выгодно объединить все индивидуальные преобразователи переменного тока в постоянный в несколько мощных преобразователей и организовать, например, на уровне цеха или участка цеха сеть электроснабже-
ния групповых потребителей постоянным током. Каждый из конкретных потребителей будет либо непосредственно потреблять постоянный ток в поставляемом виде, либо преобразовывать его в необходимые для функционирования переменные и/или постоянные напряжения с соответствующими параметрами [5].
В первую очередь такая политика коснётся вновь создаваемых или капитально реконструируемых предприятий. Однако возможен постепенный переход на электроснабжение постоянным током в рамках цеха или участка цеха при модернизации оборудования. Внутрицеховая сеть постоянного тока имеет целый ряд преимуществ перед сетью переменного тока, в том числе:
- более высокая надёжность;
- простота организации бесперебойного питания и подключения резервных источников;
- сети постоянного тока значительно легче оснастить оборудованием для компенсации пиковых скачков потребления и рекуперации механической энергии, так как отпадает проблема синхронизации;
- сети постоянного тока имеют очень низкий уровень электромагнитного излучения, а в случае применения предлагаемой симметричной трёхпровод-ной схемы практически нулевой уровень статических магнитных и электрических полей;
- в сетях постоянного тока отсутствует такое понятие, как реактивная мощность и связанный с ней параметр cos ф.
Высокий коэффициент полезного действия импульсных преобразователей обусловлен тем, что электрическая энергия в них превращается в энергию магнитного поля и затем обратно в электрический ток маленькими порциями десятки и сотни тысяч раз в секунду, а в маломощных преобразователях и миллионы раз в секунду [6-8].
Мощность преобразователя не может быть сколь угодно большой. Полупроводниковые ключи можно при необходимости соединять последовательно и/или параллельно для увеличения мощности единичного устройства, однако количество одновременно работающих ключей ограничено. Это обусловлено тем, что для надёжной работы на высокой частоте соединительные проводники должны иметь минимально возможную длину, в то время как для лучшего охлаждения между отдельными приборами необходимо оставлять некоторое расстояние. Прогресс в направлении повышения единичной мощности преобразователей продолжается, однако задачи преобразования электроэнергии из одного вида в другой надо решать сейчас. Одним из наиболее очевидных путей получения больших мощностей является модульный принцип построения преобразователей, при котором в нагрузку отдаётся мощность нескольких одновременно работающих преобразовательных блоков [6]. Однако при этом возникает новая проблема - как организовать совместную работу блоков на общую нагрузку, если её величина меняется во времени в значительном диапазоне. Алгоритм одновременной работы нескольких блоков на единую нагрузку может быть
шнЕРашРЕтурсшшБЕШШЕтишшэнЕРШшэФФЕшаштишЬ 25
параллельный и последовательный. При параллельном алгоритме каждый отдельный блок выдаёт на общую нагрузку некоторую долю электроэнергии, например пропорциональную его максимальной мощности. В случае последовательного алгоритма количество принимающих участие в работе блоков меняется в зависимости от текущего энергопотребления. Блоки, работа которых в данный момент не требуется, могут переводиться в режим холодного или горячего резерва [7].
Оба этих метода, а также их возможные комбинации имеют свои преимущества и недостатки. Пропорциональное распределение потребляемой мощности между несколькими блоками требует наличия централизованного управления их работой. Информация о состоянии каждого блока должна поступать в блок управления распределением нагрузки. Так как при этом получается система с очень большим числом степеней свободы, обеспечение устойчивости её работы при резко переменной нагрузке оказывается довольно непростой задачей. Кроме того, при пропорциональном распределении токов все участвующие в работе источники имеют примерно одинаковый коэффициент нагрузки. Рекомендованный коэффициент суммарного запаса по мощности - 20 % от пикового потребления. При работе станков и оборудования машиностроительных производств возможны достаточно продолжительные периоды, когда потребление составляет 1/3-1/4 от номинального. При таких уровнях потребления коэффициент полезного действия преобразователей заметно меньше, чем при номинальной нагрузке [8].
При последовательном алгоритме блокам присваивается приоритет (ранг), блок наивысшего ранга называется ведущим и работает всегда, а остальные выступают ведомыми по отношению к блоку с более высоким рангом и ведущими по отношению к блоку с более низким рангом. Ведомый блок включается в работу при условии, что ведущий блок не в состоянии обеспечить требуемую мощность, и так далее. При количестве блоков более двух целесообразно неработающий блок высшего ранга поддерживать в состоянии горячего резерва, а нижеследующие по рангу (если они есть) можно переводить в режим холодного резерва. Таким образом, при последовательном алгоритме работы в случаях пониженного энергопотребления часть блоков выводятся из работы и оставшиеся работают практически с полной нагрузкой и, следовательно, с максимальным КПД.
Проблема обеспечения устойчивости работы при таком алгоритме также присутствует. Если сигнал на подключение ведомого блока вырабатывается по достижении загрузки ведущего блока скажем на 90 %, то при подключении ведомого блока последний возьмёт на себя часть суммарной мощности и нагрузка ведущего блока упадёт. Чтобы не попасть в автоколебательный режим, необходимо команду на отключение блока выдавать при меньшем уровне мощностей чем команду на включение. Оптимальный выбор уровней включения и выключения следующего по рангу блока может оказаться
непростой задачей, особенно когда блоки имеют разные номинальные мощности [9].
Одной из важных характеристик блока преобразования является диапазон допустимых нагрузок. Импульсные преобразователи имеют одну важную особенность - ограничение по минимальной нагрузке. Как правило, импульсный преобразователь демонстрирует высокие эксплуатационные показатели в диапазоне нагрузок от 50 до 90 % номинала. При увеличении нагрузки до 100 % параметры блока незначительно снижаются, а при падении нагрузки до 20 % резко падает КПД блока. Работа блока при нагрузках менее 20 % сопровождается дальнейшим падением КПД, резким ростом пульсаций выходного напряжения и ухудшением стабильности работы блока. Кроме того, при работе в недогруженных режимах возрастает тепловыделение и перенапряжение на силовых элементах, что приводит к резкому сокращению срока службы силовых элементов и, следовательно, блока в целом. Эти явления связаны с так называемым переходом блока в режим разрывных токов. Постоянное напряжение, снимаемое с выхода блока, получается из импульсного посредством фильтрации (усреднения) 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 блока и нарушается работа следящей петли обратной связи, предназначение которой - стабилизировать выходное напряжение. Поэтому работа импульсного преобразователя под нагрузкой менее 10 % считается аварийным режимом. Блоки малой мощности, как правило, не входят в такой режим даже при полном отсутствии внешней нагрузки, потому что их внутреннее служебное энергопотребление в достаточной степени нагружает выход блока. В тех случаях, когда внутреннего энергопотребления недостаточно для предупреждения перехода в режим разрывного тока при отсутствии внешней нагрузки, иногда применяют подгрузку выхода блока пассивной нагрузкой. Такое решение приводит к снижению суммарного КПД и повышенному тепловыделению и поэтому не может быть рекомендовано к применению [10].
Для расширения диапазона устойчивой работы импульсного преобразователя в сторону низких нагрузок могут быть применены схемотехнические и конструктивные решения, однако эти решения затратны и не могут обеспечить устойчивую работу мощных блоков при полном отсутствии нагрузки с приемлемыми параметрами по КПД, стабильности и уровню пульсаций.
В данной работе предлагается к рассмотрению способ обеспечения практически 100 % рабочего диапазона по мощности с сохранением высокого КПД, низкого уровня пульсаций и хорошей стабильности выходного напряжения (рис. 1).
Трёхфазное напряжение 380/220 В промышленной частоты 50 Гц поступает по шинам Li, L2 и L3 через входной фильтр во входной AC/DC преобразователь (выпрямитель) с функцией коррекции коэффициента мощности (ККМ). Постоянное напряжение с выхода входного AC/DC преобразователя через фильтр
Рис. 1. Функциональная схема экспериментальной установки
постоянного тока и объединительный диод D1 поступает на вход основного высокочастотного DC/DC преобразователя, выходной ток которого подаётся в линию и далее потребителям. Величина выходного тока замеряется посредством датчика тока. Датчик тока вырабатывает управляющий сигнал, который поступает на вход управления блока рекуперации. Блок рекуперации представляет собой управляемый DC/DC преобразователь. Когда потребляемый от основного DC/DC преобразователя ток становится меньше порогового значения, датчик тока вырабатывает команду на включение блока рекуперации, причём потребляемый им ток автоматически устанавливается на таком уровне, чтобы суммарное потребление блока рекуперации и нагрузки не опускалось ниже порогового значения. Выходной ток блока рекуперации через объединительный диод D2 поступает на вход основного DC/DC преобразователя, то есть практически вся энергия, потребляемая блоком рекуперации (за вычетом потерь), возвращается в систему. Такая структурная схема устройства совместно с вышеизложенным алгоритмом работы позволяет расширить диапазон стабильной работы основного DC/DC преобразователя вплоть до нулевого потребления ценой гораздо более низких энергозатрат, чем в случае пассивной подгрузки. Тем самым обеспечивается возможность работы устройства в режиме горячего резерва без применения каких-либо дополнительных схем управления.
Экспериментальная проверка результатов проводилась на экспериментальном образце AC/DC преобразователя с полумостовым выходным каскадом установочной мощностью около 2000 Вт при выходном напряжении 220 В (рис. 2). В качестве рекуператорного блока использовался DC/DC преобразователь также полумостового типа установочной мощностью 250 Вт.
Рис. 2. Экспериментальный образец AC/DC преобразователя
В табл. 1 приведены зависимости выходного напряжения и КПД от тока нагрузки одиночного AC/DC преобразователя (схема 1), преобразователя с пассивной подгрузкой (схема 2) и преобразователя с блоком рекуперации (схема 3).
Из таблицы видно, что напряжение при малых нагрузках возрастает. Для устранения этого явления
Таблица 1
Зависимость выходного напряжения и КПД от тока нагрузки
Ток нагрузки, 'н, А Выходное напряжение, ивых, В КПД, %
№ схемы
схема 1 схема 2 схема 3 схема 1 схема 2 схема 3
0,00 236 220 220 0,0 0,0 0,0
0,17 223 220 220 67,9 42,9 66,9
0,34 220 220 220 75,5 57,2 75,5
0,5 218 220 220 77,1 63,7 77,9
2,19 220 220 220 86,9 82,3 86,9
2,36 220 220 220 87,8 83,3 87,8
2,53 220 220 220 87,1 83,1 87,1
2,69 220 220 220 87,6 83,7 87,6
2,92 220 220 220 87,1 83,5 87,1
3,09 220 220 220 86,7 83,3 86,7
3,26 220 220 220 86,5 83,3 86,5
3,42 220 220 220 87,3 84,2 87,3
4,38 220 220 220 89,0 86,5 89,0
4,57 220 220 220 89,8 87,3 89,8
4,72 220 220 220 89,0 86,7 89,0
4,88 220 220 220 88,8 86,6 88,8
8,83 222 222 222 95,6 94,2 95,6
9,02 222 222 222 96,4 95,0 96,4
9,17 221 221 221 96,5 95,1 96,5
9,25 220 220 220 95,3 93,9 95,3
можно применить пассивную подгрузку или блок рекуперации. При пассивной подгрузке ухудшается КПД. Применение блока рекуперации стабилизирует напряжение без снижения КПД.
Преобразователь нагружался активной нагрузкой. При измерении стабильности выходного напряжения входное переменное напряжение изменялось посредством регулировочного автотрансформатора в пределах от -20 до +15 % от номинального напряжения сети. В таблице приведены отклонения от номинального выходного напряжения в процентах. Коэффициент полезного действия вычислялся как отношение мощности постоянного тока в нагрузке преобразователя, 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 компоненты полной мощности в промышленных сетях переменного тока промышленной частоты. Уровень пульсаций оценивался по осциллограмме как отношение полуразности максимумов и минимумов выходного напряжения к его среднему значению также в процентах.
По результатам серии экспериментальных исследований были построены кривые, отражающие эффективность предложенной схемы повышения энергоэффективности силовых импульсных преобразователей в режиме малых нагрузок (рис. 3, 4).
На основании анализа табличных данных и графиков можно сделать вывод, что предложенное техническое решение справляется с поставленной
11вых 240 230 220 210 200
0>00 0,170,34 0,50
2'192'36 2,53 2,69 2,92
3,09 3,26 3,42 4,
9,02 9,17 9,25
I Схема 1 I Схема 2 I Схема 3
Рис. 3. Зависимость выходного напряжения от тока нагрузки:
схема 1 — одиночный АС/йС преобразователь; схема 2 — преобразователь с пассивной подгрузкой; схема 3 — преобразователь с блоком рекуперации
Рис. 4. Зависимость КПД от тока нагрузки:
схема 1 — одиночный AC/DC преобразователь; схема 2 — преобразователь с пассивной подгрузкой; схема 3 — преобразователь с блоком рекуперации
задачей обеспечения стабильной работы и повышения энергоэффективности силовых импульсных преобразователей в режиме малых нагрузок вплоть до холостого хода.
Работа выполняется при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».
Литература
1. Григорьев С. Н., Змиева К. А. Методика адаптивного управления энергопотреблением вакуумных насосов // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2011. - № 4. - С. 1-7.
2. Григорьев С. Н., Шумихина Е. М., Змиева К. А. Метод повышения энергоэффективности технологий вакуумно-плазменного нанесения покрытий // Вестник МГТУ «Станкин». - 2010. - № 1. - С. 82-87.
3. Окунькова А. А. Комплекс контроля геометрических параметров продукции термопластавтомата: разработка структурной схемы // Вестник МГТУ «Станкин». - 2011. - № 2. - С. 75-79.
4. Змиева К. А., Кузнецова Е. В., Шумихина Е. М. Поиск направлений повышения энергоэффективности производственного оборудования // Инженерный журнал. - 2011. - № 12. - С. 52-55.
5. Государственная информационная система в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности. [Электронный ресурс]. Код доступа: М1р:/^18ее.ги/НЪгагу^е1а11.рЬр?ГО=24188&£огтГО=1есЬпо^1е8-8иЪ.
6. Змиева К. А. Автоматизированная установка для компенсации реактивной мощности недогруженных электроприводов металлорежущего оборудования // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. - 2010. - № 6. - С. 28-34.
7. Козлов Д. В., Змиева К. А., Шумихина Е. М. Экспериментальная установка для исследования характеристик двигателя при различных нагрузках и питающих напряжениях ЭП-1 // Электротехнические комплексы и системы управления. - 2011. - № 1. - С. 12-18.
8. Змиева К. А., Козлов Д. В., Кузнецова Е. В. Разработка инновационной энергосберегающей технологии повышения энергоэффективности машиностроительного оборудования // Автоматизация и современные технологии. - 2012. - № 7. - С. 13-20.
9. Змиева К. А. Автоматизированное управление энергопотреблением машиностроительных производств с целью повышения их энергоэффективности: Автореферат дисс. канд. техн. наук. - М.: МГТУ «Станкин», 2009.
10. Григорьев С. Н., Змиева К. А. , Кулагин О. А., Кузнецова Е. В., Иванова М. Н. К вопросу о методах расчёта коэффициента мощности трёхфазного асинхронного двигателя // Автоматизация и современные технологии. - 2011. - № 12. - С. 6-12.
Opportunities to increase energy efficiency of power pulse converters in the small loads mode O. A. Kulagin,
REC "Industrial energy efficiency", MSTU Stankin, senior researcher D. A. Hairo,
students design-research office, MSTU Stankin, junior researcher, post-graduate student S. A. Pereraynov,
students design-research office, MSTU Stankin, technician
The method to ensure high energy efficiency of the power pulse converter on an all range of capacity while maintaining high efficiency, low ripple and good voltage regulation was described. The experimental results of the proposed technical solutions were shown.
Keywords: energy efficiency, power converters, small loads, control, automation.
