Преобразовательная техника в современном мире

September 5, 2013 by admin Комментировать »

Попробуйте, уважаемые читатели, представить современный мир без электроэнергетики, и вам, вне всякого сомнения, станет грустно. Ибо на ум приходит картина из позапрошлого века: паровые машины, керосиновые лампы, гужевые повозки, конки. В этом мире, лишенном устройств получения и преобразования электроэнергии, мы не увидим на улицах ни автомобилей, ни трамваев, ни троллейбусов, ни «электричек», ни электрических фонарей. Мы не обнаружим в нем ни компьютеров, ни телефонов, ни радиоприемников с телевизорами. Огромное количество важных и полезных вещей станут ненужными только лишь потому, что их нечем будет питать. Отсюда мы без труда сможем заключить, что наличие электрической энергии — это необходимое условие для решения подавляющего большинства современных задач, которые ставит перед нами жизнь в нашем времени.

Практика XX в. показала, что электричество является наиболее удобным и универсальным видом энергии, который имеет смысл вырабатывать, передавать на большие расстояния и преобразовывать в другие виды энергии (механическую, тепловую и т. д.). Именно поэтому электроэнергетика заняла в нашей современной жизни столь прочное место. Но процесс выработки электроэнергии является достаточно сложным в техническом отношении, так что просчеты в этой области часто приводят к катастрофическим последствиям. Например, в результате техногенной катастрофы, случившейся в Москве весной 2005 г., когда произошло отключение электроэнергии в части районов города, только в одних лифтах было заблокировано 1500 человек, не говоря уже о прекращении подачи электроэнергии в системы обеспечения больниц, на дорожные светофоры, насосные станции подачи воды, холодильники. В декабре 2008 года в Каракасе, столице Венесуэлы, в результате короткого замыкания был полностью обесточен город, из-за чего жизнь в нем полностью парализовало. Властям пришлось вызволять людей из застрявших лифтов, закрывать метро и эвакуировать пассажиров. К счастью, нефтеперегонные заводы в пригородах Каракаса были оснащены собственными генераторами, так что техногенных катастроф не произошло. По подсчетам специалистов, энергетическая катастрофа, случившаяся в 2003 г. в Нью-Йорке и продолжавшаяся 29 часов, обошлась США в 1 млрд долларов.

Один из существенных просчетов сегодняшнего времени, не приводящий к техногенным катастрофам, но, тем не менее, заставляющий задуматься специалистов — это невнимательное отношение к расходованию энергетических ресурсов. С детства нам знаком призыв «выходя — гасите свет». И эти слова нельзя назвать пустыми. Понятно, что любой производитель товара вынужден закладывать цену затраченных энергетических ресурсов (в том числе израсходованных «вхолостую», для работы малоэффективного оборудования) в стоимость своей продукции, а значит, растет ее цена и снижается конкурентоспособность на рынке аналогичных товаров. Именно поэтому во всем мире все больше и больше внимания уделяется проблемам энергосбережения, то есть повышения эффективности использования вырабатываемой энергии. Если до настоящего времени вопросы, связанные с расширением производства, решались простым увеличением потребления энергии, строительством новых электростанций, то сейчас перспективные фирмы стремятся использовать новое энергосберегающее оборудование, направляя на его приобретение значительную долю капиталовложений. Экономические расчеты показывают, что новые энергосберегающие технологии очень быстро окупаются по затратам, а рентабельность производства столь же стремительно растет.

Данные современных статистических исследований показывают, что около 65 % электрической энергии в мире потребляется электродвигателями различного назначения, например, насосами, вентиляторами, тягловыми электродвигателями электротранспорта. Классические нерегулируемые приводные электродвигатели на сегодняшний момент практически исчерпали свои возможности по повышению коэффициента полезного действия (КПД). Мощной альтернативой нерегулируемому электроприводу является использование так называемого энергосберегающего регулируемого электропривода. При использовании этой технологии электродвигатель подключается не непосредственно к сети переменного тока, а к специальному устройству с названием «статический преобразователь электроэнергии». Статический преобразователь — это электронное силовое устройство, которое позволяет задать частоту вращения электродвигателя, причем не только вручную, но и автоматизированным способом, получая управляющий сигнал от компьютера, оснащенного специализированной программой.

По оценкам исследователей рынка преобразовательной техники, на сегодняшний момент в индустриально-развитых странах достигнуто соотношение между нерегулируемым и регулируемым электроприводом порядка 1 : 1, и вскоре регулируемый (частотный) электропривод будет превалировать над нерегулируемым. Интересно отметить, что по данным Института электроэнергетики США, в период с 1985 по 1995 г. была проведена реконструкция 60-ти энергоблоков теплоэлектростанций, где было установлено около 300 частотно-регулируемых устройств электропривода в диапазоне мощностей от 630 до 4500 кВт. Годовой экономический эффект от внедрения новых технологий выразился в экономии 1 млрд кВт • ч электрической энергии. Те же данные в отношении России, к сожалению, гораздо менее скромны: регулируемый привод составляет не более 5 % от общих объемов приводной техники. Это означает, что промышленное производство в нашей стране до сих пор живет «по старинке», особо не заботясь о повышении эффективности использования энергии, или только мечтая об этом в условиях отсутствия свободных средств на модернизацию. Тем не менее, и у нас наметились положительные сдвиги. Например, в период с 1995 по 2005 г. специалисты ОАО «ВНИИЭ» внедрили на ряде теплоэлектростанций 28 частотно-регулируемых преобразователя в диапазоне мощностей от 500 до 4000 кВт, что экономит до 100 млн кВт • ч в год [3].

Аналогичная ситуация складывается в области электротранспорта. Кроме проблем энергосбережения, здесь существенным является надежная работа тяглового электродвигателя, поскольку, если ориентироваться на статистические данные, 50 % неисправностей электровозов, троллейбусов, вагонов метро и трамваев связаны именно с неисправностью электродвигателя. Традиционно в этой области техники используются коллекторные двигатели постоянного тока, частоту вращения которых невозможно регулировать простыми и надежными методами. Применение асинхронных двигателей переменного тока (АТЭД) с частотным регулированием позволяет не только коренным образом пересмотреть идеологию конструирования электротранспорта, но существенно сократить процент отказов, связанных с выходом из строя электродвигателей, расширить диагностические возможности, предупредить развитие отказов на ранней стадии. Более того, асинхронные электродвигатели при той же мощности, что и синхронные постоянного тока, имеют в 1,5 (в среднем) раза сниженные габариты.

Еще одна область применения частотно-регулируемого электропривода — это лифтовое хозяйство и подъемное оборудование (тельферы, лебедки, краны). Ежегодное потребление энергии в данной отрасли у нас в стране составляет 1 млрд кВт • ч. Поэтому становится понятным, насколько она энергоемка и какой экономический эффект можно достигнуть бт применения преобразовательной техники, если учесть, что, применив частотные преобразователи, можно снизить энергопотребление электрооборудования лифтов на 40…60 %. Кроме того, использование «частотников» повышает комфортность движения кабин, обеспечивает бесшумность движения и высокую точность позиционирования при остановке [4].

А теперь давайте оценим перспективы использования регулируемого электропривода в лифтовом хозяйстве с точки зрения емкости рынка потребления этой технологии. По оценкам, приведенным на сайте компании «Лифт-Комплект» [5], в одной только Москве в настоящее время находится в эксплуатации около 120 тысяч пассажирских и грузовых лифтов, «львиная доля» которых уже выработала 25-летний ресурс, и число таких устаревших лифтов растет с каждым годом. Нужно ли говорить, что такие лифты не только подлежат ремонту по правилам технической эксплуатации как выработавшие заложенный ресурс, но даже — исходя из простого здравого смысла — становятся потенциально-опасными для жизни и здоровья людей. Здравый смысл также подсказывает, что полная замена оборудования окажется намного более затратной задачей, чем разумная модернизация, особенно в условиях экономического кризиса.

Применение регулируемого электропривода в лифтовом хозяйстве позволяет снизить эксплуатационные расходы и повысить межремонтный период. Так, классический электродвигателями необходимо заменять (или, по крайней мере, проводить его капитальный ремонт) раз в 5—10 лет, а двигатель, управляемый преобразователем, прослужит без замены весь 25-летний ресурс. К тому же, отпадает необходимость использования двухскоростного двигателя, вместо которого применяется односкоростной электродвигатель, обладающий меньшими габаритами и стоимостью.

Статические преобразователи для реализации регулируемого электропривода могут работать как с электродвигатели с ротором короткозамкнутого типа, так и сопрягаться с высокоскоростными синхронными электродвигателями. Пуск электродвигателей в любом случае осуществляется плавно, с исключением электродинамических нагрузок в его обмотках и ударных нагрузок в механизмах привода, в результате чего увеличивается срок службы как электродвигателя, так и сопрягаемого с ним оборудования. Появляется возможность отказаться от технически сложных механических редукторов и вариаторов, обеспечить работу на пониженных частотах вращения с уменьшением циклических динамических и вибрационных нагрузок на подшипники, элементы крепления, фундаменты электродвигателей. Остановка электроприводного агрегата за счет рекуперативного электрического торможения обеспечивает возврат электроэнергии в питающую сеть. Коэффициент полезного действия устройств частотно-регулируемого электропривода может достигать 98 %. По оценкам специалистов, применение частотно-регулируемого электропривода может обеспечить экономию электроэнергии порядка 50 % по сравнению с нерегулируемым вариантом.

Большие неприятности потребителю электроэнергии может доставить нестабильность ее электрических параметров. В этом случае говорят о «качестве» электроэнергии, стремясь с помощью соответствующих технических средств обеспечить стабильность по величине напряжения, частоты, синусоидальности и т. д. Большое количество потребителей, включенных в сеть переменного тока, оказывает существенное влияние на параметры электрического напряжения и тока. Один из характерных бытовых примеров — включение мощной нагрузки и связанные с ним «просадки» напряжения, выражающиеся в мигании осветительных ламп. Другая весьма неприятная ситуация связана с атмосферными явлениями, и, в частности, с грозовыми разрядами, попадающими в промышленные сети. Очень часто грозовой разряд выводит из строя персональные компьютеры, не имеющие автономных источников питания. Причем выход из строя «персоналок» может быть как невосстанавливаемым, так и временным, требующим простой перезагрузки, но, тем не менее, связанным с частичной или полной потерей данных («зависания» или сбои). По статистике, средние потери рабочего времени в США по причине выхода из строя «персоналок» из-за фактора «качества» электроэнергии составляют около 9 %. Чтобы защититься от подобных факторов нестабильности питающих напряжений и свести до минимума безвозвратные потери электронной техники, широко используются статические преобразователи электроэнергии, называемые «источниками бесперебойного питания» (ИБП). Источники бесперебойного питания, или, как их называют, «бесперебойники», в своем составе имеют электронную схему, формирующую выходное напряжение с заданными параметрами стабильности и частоты, не зависящими от параметров входного напряжения. Кроме этого, в составе ИБП всегда имеется аккумулятор, который питает ИБП (а, соответственно, и нагрузку) в моменты пропадания сетевого напряжения. На основе ИБП разрабатываются так называемые «системы гарантированного электропитания» (СГЭ), которые обеспечивают качественной электроэнергией многокомнатные офисные помещения и даже целые предприятия. Структура систем гарантированного электропитания может быть самой разнообразной, но их ядром всегда выступают статические преобразователи. Проектирование систем СГЭ сегодня становится все более и более актуальной задачей, поскольку растет число производств, в которых используется непрерывный цикл работы. Таким образом, СГЭ может обеспечить как поддержание параметров питания в период между отказом основного питания и переходом на резервные источники, так и предоставление времени на завершение процесса при отсутствии резерва.

Огромный класс задач обеспечения электропитанием связан с преобразованием напряжения трехфазной сети 380 В или однофазной сети 220 В частотой 50 Гц в напряжения переменного тока повышенной частоты или напряжения постоянного тока. Традиционно эти задачи решались с помощью электромашинных преобразователей вращающегося типа (ЭМП). Специалистам хорошо известны вращающиеся преобразователи серий ATT, ATO, АТП, ЭМУ, которые поставлялись десятилетиями и до сих пор продолжают эксплуатироваться на различных промышленных объектах и объектах специального назначения. Существенными недостатками вращающихся преобразователей, кроме низкого КПД (не более 60 %) и коэффициента мощности (0,6…0,7), следует назвать высокий уровень цзлучаемого шума, значительное время, затрачиваемое на ремонт и обслуживание. Кроме того, опыт последнего десятилетия показал, что отсутствие потребности в электромашинных преобразователях, связанное с сокращением строительства новых объектов, привело к утрате производственных технологий и полному сворачиванию их производства у нас в стране. Именно поэтому, когда потребность в связи с ростом производства в преобразователях возросла, на первый план вынужденно (что оказалось весьма кстати) вышли статические преобразователи.

Каковы преимущества статических преобразователей электроэнергии по сравнению с электромашинными? Во-первых, повышенный КПД, составляющий в среднем 85…95 %. Во-вторых, значительно сниженные габариты, сокращение которых является следствием повышения КПД: так как рассеиваемые тепловые потери меньше, нет необходимости в наращивании размеров радиаторов силовых элементов и тепловыделяющихэлементов. В-третьих, посколькустатические преобразователи разрабатываются на основе электронной элементной базы, в их составе можно применять программируемые элементы (специализированные микроконтроллеры), что позволяет разрабатывать совершенную систему управления и диагностики. В-четвертых, статические преобразователи легко могут быть построены на основе блочно-модульного принципа с быстрой заменой отказавших узлов. Преимущества такого построения очевидны: при отказе одного из блоков не потребуется демонтаж прибора целиком, необходимо лишь заменить отказавший блок на исправный за несколько минут и ввести преобразователь в строй. Более того, можно наращивать суммарную мощность преобразователей, обеспечив их синхронную параллельную работу. В-пятых, статические преобразователи не нуждаются в сложной пускорегулирующей аппаратуре, которая традиционно является сцутником ЭМП, занимает много места и размещается внутри дополнительных громоздких электрощитов. По своей сути, статический преобразователь внешне представляет собой «черный ящик», который легко разместить в удобном месте, доступном для проведения регламентных работ.

Обратим внимание читателя еще на одно немаловажное обстоятельство: в условиях дефицита электроэнергетических ресурсов ведущие промышленные страны стремятся, наряду с традиционными, осваивать и неохваченные источники энергии. Так, например, в Европе с успехом научились использовать энергию ветра. Собственно, идея эта не нова: для ее реализации на валу электрогенератора устанавливается лопастная вертушка, которую вращает поток набегающего воздуха, и генератор преобразует механическую энергию в электрическую. Однако в прикладном смысле идея долгое время оставалась нереализованной, поскольку ее массовому использованию сопутствовали непреодолимые трудности в виде нестабильности электрических параметров вырабатываемой энергии, временной нестабильности воздушного потока. Только с появлением статических преобразователей ветроэнергетика стала серьезной отраслью электроэнергетики, и доказательством этому служит огромное количество «ветряков», покрывших территорию современной Европы, Образовался рынок ветроэнергетического оборудования, лидирующее положение на котором занимает Германия, по территории страны разбросано около 17 тысяч «ветряков», а 70 % производимого оборудования поставляется на экспорт — в США, Великобританию, Испанию, Китай. В общемировом масштабе количество ветроэлектростанций ежегодно увеличивается на 25 %, и если в 1991 г. только в одной Германии производилось около 100 МВт в год, то к 2007 г. эта цифра достигла 23 000 МВт, что в экономическом отношении выражается в экономии 1 млрд евро на традиционных источниках энергии и мерах по снижению выброса углекислого газа в атмосферу. Доля ветроэнергетики в экономике Германии пока невелика — всего 8 %, но мощные работы в этом направлении позволятдовести через 10 лет эту цифру до 20 % [6].

Основной принцип работы современного «ветряка» — это подключение электрогенератора к специальному стабилизирующему преобразователю, который формирует с высокой точностью выходные параметры напряжения и тока, а также запасает энергию в аккумуляторной батарее на случай отсутствия ветряного потока. Несколько ветряков, таким образом, могут объединяться в сеть для повышения выходной мощности, образуя ветроэлектростанцию. Мировой опыт эксплуатации ветроэлектростанций показал, что уже сегодня эти источники энергии могут надежно питать небольшие города без использования других источников энергии. Поэтому, в связи с бурным ростом рынка ветроэнергетического оборудования, в номенклатуре ведущих фирм-производителей силовой элементной базы появляются электронные компоненты и готовые статические преобразователи, ориентированные исключительно на применение в ветроэнергетических установках. К сожалению, наша страна и здесь значительно отстает от мирового опыта, в целом, однако, осознавая необходимость вести работы в этом направлении. Сегодня в Калининградской области уже работает экспериментальный «ветряк», на очереди — освоение просторов Ленинградской области. Не исключено, что отечественные разработчики преобразовательной техники вскоре приступят к реализацией этой задачи, используя передовой мировой опыт.

Мы кратко назвали основные области применения статических преобразователей в современной технике и можем переходить к рассмотрению основных схем построения и конструктивных исполнений названных преобразователей. Но предупреждаем читателя: номенклатура их столь широка, что едва ли нам удастся рассмотреть все возможные исполнения, поэтому затронем главные и наиболее характерные технические реализации, которые помогут сориентироваться в необъятном мире преобразовательной техники.

Источник: Семенов Б. Ю. Силовая электроника: профессиональные решения. — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2011. — 416 c.: ил.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты