Нет уже надобности лишний раз описывать, что такое экономия электроэнергии, да и энергии вообще, и насколько это плохо. Даже, если это не так плохо на самом деле, как расписывают политики или придворные ученые, в любом случае, зачем жечь лишние киловатты? Зачем пропадать добру? Повышать экономичность энергопотребляющих машин, устройств и приборов – это одна из обязанностей тех, кто их создает.
Электроэнергия неизбежно теряется в процессе передачи от источника к потребителю. это справедливо как для переменного тока, так и для постоянного. Часть активной мощности, на величину падения напряжения сети, бесполезно греет воздух и землю. Эта проблема, насколько возможно, решается оптимальным подбором сечения проводников линий электропередач и повышением напряжения, до тех пор, пока это возможно. На первый взгляд, на этом можно успокоиться. На самом деле не все так просто и вопрос упирается в деньги. Рассмотрим эту ситуацию на примере.
На предприятии нагревают воду и платят по счетчику активной энергии. Продавец, скажем, электростанция, с учетом точно рассчитанных потерь на передачу в линии, смотрит на свой счетчик и видит баланс. Затем предприятие покупает электромоторы и начинает интенсивно использовать их с насосами, что-то качать. Через некоторое время продавец электроэнергии начинает замечать, что ему приходится вырабатывать больше энергии чем он продает за деньги. У клиента все в порядке, пломбы на счетчиках целые. Убедившись, что никто не ворует, обращаются к электротехникам за консультацией.
Те объясняют, что за счет индуктивности электромоторов в цепи появляется реактивный ток (берущийся взаймы) и соответствующая ему мощность. Энергия, запасенная в магнитном поле моторов, по законам физики сохраняется, но не вся она переходит в механическую работу. Потому, что не успевает сделать это вовремя. И возвращается в цепь обратно. Этот бесполезный ток только зря нагревает провода, и совсем не учитывается счетчиками активной энергии. Что делать? Есть два выхода. Первый: это скомпенсировать реактивный ток, поставив на подстанции предприятия батареи конденсаторов; и второй: установить счетчик реактивной энергии и брать за нее деньги.
Продавец электроэнергии выбирает второй путь – брать деньги, а кто бы сделал не так? Тогда предприятие, узнав о конденсаторах, делает в них инвестицию и со временем они окупаются, поскольку реактивный счетчик крутит уже не так быстро. Примерно так и было в истории развития промышленной электроэнергетики. “Частный сектор” тогда пользовался еще спиральными электроплитками и лампочками накаливания и платил аккуратно.
Со временем, мощность бытовых приборов в развитых странах сильно выросла. Любой современный бытовой прибор может содержать электромоторы и трансформаторы: холодильник, стиральная машина. Даже блок питания компьютеров содержит элементы, искажающие форму потребляемого тока. А это означает появление реактивного тока и реактивную мощность. Продавцы энергии снова почувствовали убытки, да и экологи шумят. Но не ставить же в частном секторе и офисах счетчики реактивной энергии! Поэтому высокоразвитые страны, под давлением заинтересованных сторон, выработали обязательные стандарты для всех производителей современного энергопотребляющего оборудования. Сегодня даже маломощный компьютерный блок питания оснащен корректором коэффициента мощности и его к.п.д. перевалил за 99%.
Полная мощность цепи переменного тока складывается из суммы активной мощности и реактивной мощности. Коэффициент мощности равен отношению активной мощности к полной мощности, следовательно, чем меньше реактивная мощность, тем выше коэффициент мощности. В общем случае, для несинусоидальных токов и напряжений, их функции необходимо разложить в ряд Фурье и для каждой гармоники мы получим свой коэффициент мощности в виде тригонометрической функции ее фазового угла, а также и свои амплитуды тока и напряжения. Функция синус проще всего раскладывается в ряд Фурье – это и есть сам синус. Любое преобразование энергии по закону синуса аналогично равномерному круговому движению в механике с центром масс на оси вращения. Это самый экономичный режим.
Энергетиков на предприятиях, да и бытовых потребителей, волнует, главным образом, первая гармоника напряжения сети – 50 Гц, для которой коэффициент мощности с высокой точностью для практики равен cos φ. Энергетиков крупных энергетических компаний уже интересуют высшие гармоники, потому, что для их компаний это ощутимые рубли, которые проявляются не столько в потере энергии, сколько в помехах управляющей, сигнальной и связной аппаратуре. Обычно интересуются 5, 7 и 11-ми гармониками (это простые числа, осложняющие расчеты). Для их подавления у мощных потребителей используют контуры с последовательным резонансом.
Повышение коэффициента мощности
Кроме упомянутых уже конденсаторов (или дросселей для нагрузки с емкостным характером), коэффициент мощности можно повысить избегая работы мощных двигателей и трансформаторов с недостаточной нагрузкой. Это увеличит “косинус”. Отдельный вопрос – как повысить коэффициент для несинусоидальных токов, то есть, бороться с гармоническими искажениями переменного тока в линии, идущей к поставщику энергии. Особенно это актуально для небольших потребителей с импульсными источниками питания, а также любого прибора содержащего силовую электронику, например, для преобразователя частоты. Здесь либо можно использовать дроссели, либо активные корректоры мощности. По нынешним временам дроссель – слишком большая роскошь, это много стали и меди. Активный корректор – это управляемый силовым ключом дроссель, изготовленный из недорогого феррита с небольшим числом витков медного провода.
Электропривод переменного тока
Особенное значение в технике приобретают управляемые приводы переменного тока с использованием асинхронного электродвигателя. Если бы инженер тридцатых годов прошлого века увидел, что теперь вытворяют с помощью этих простых, дешевых и “к сожалению неуправляемых” двигателей, он бы лопнул от зависти. Единственный способ эффективно изменять скорость вращения такого двигателя – изменять частоту напряжения на нем. В тридцатые годы прошлого века изменять частоту можно было только на электростанции, глядя на язычковый частотомер, в пределах нескольких Гц. Все, что надо было тогда делать – это держать его на номинале, посередине шкалы. Все остальное было еще в теории.
Частотные преобразователи
Сегодня асинхронным двигателем управляют с помощью преобразователя частоты. Частотный преобразователь прошел определенную историю развития. Сначала использовались тиристорные схемы. Эти схемы имели множество недостатков, которые сдерживали развитие преобразователей, хотя довольно активно применялись, особенно для мощных двигателей. Когда появились MOSFET, а затем и IGBT транзисторы, рынок преобразователей, как принято говорить “взорвался”. Средняя стоимость преобразователя частоты начала падать и сегодня частотник можно купить даже для бытовых целей за несколько тысяч рублей.
К моменту появления IGBT было предложено и испытано множество топологий силовой части и способов управления для преобразователя частоты. Преобразователи делятся на прямые и двухзвенные ДПЧ. Прямые – непосредственно передают энергию к двигателю: например, циклоконвертор, матричный конвертор. Большим недостатком этих преобразователей является значительное число ключей и большая сложность управления ими. Они применялись, в основном, в тиристорную эпоху.
Двухзвенная схема преобразователя частоты содержит трехфазный инвертор, получающий питание от источника постоянного тока или напряжения. Следовательно, она требует выпрямитель, каковой и является еще одним звеном. Эти преобразователи более перспективные, так как позволяют осуществить рекуперацию на переменном токе, а это, пожалуй, было бы окончательным решением проблемы электропривода. Этот важный вопрос поясняет следующий рисунок:
На рисунке показан инвертор тока. Он питает двигатель и конденсаторы в его цепи. Дроссели в звене постоянного тока ограничивают помехи. Конденсаторы сглаживают пульсации тока ШИМ. Инвертору тока требуется управляемое выпрямляющее звено для регулирования напряжения и управления током в промежуточном звене. В выходном инверторе используются запираемые тиристоры IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor). Это довольно новый вид приборов, промышленность еще не имеет большого опыта их применения, но разработчики интересуются их возможностями. IGCT – довольно сложная штука:
так как содержит драйвер непосредственно рядом с прибором. На рисунке показан прижимной вариант. Можно заметить множество конденсаторов на плате – это требуется для повышения быстродействия управляющего электрода. Частота переключения – порядка единиц кГц. Это уже подходит для преобразователя частоты. Инвертор тока может не гасить энергию на тормозных резисторах, а возвращать ее в питающую сеть.
Но наиболее часто используются инверторы напряжения. Их выпрямляющее звено выполняется на диодах, а инвертор – на транзисторах IGBT, зашунтированными диодами, включенными в обратном направлении. Звено постоянного тока содержит конденсаторы и дроссель для сглаживания пульсаций. Инвертор напряжения имеет довольно много вариантов. Дело в том, что для эффективного регулирования мощных двигателей в звене постоянного тока преобразователя частоты приходится использовать высокое напряжение, а для этого приходится использовать многоуровневые схемы инверторов, чтобы поделить напряжение между приборами и избежать их пробоя. Существуют схемы: трехуровневая, с фиксированной средней точкой; каскадные с большим, чем три, числом уровней; схемы с плавающими конденсаторами. Большинство продаваемых преобразователей выпускают по простой схеме для трехфазных двигателей малой и средней мощности, работающих в сетях 50-60 Гц 0,4 кВ.
Схема частотного преобразователя помещается в небольшой коробке, размером с обувную, для преобразователей частоты небольшой мощности, а мощные высоковольтные преобразователи для больших двигателей могут занимать несколько металлических шкафов.
Экономия энергии с частотным преобразователем
Использование преобразователя частоты для питания и плавного пуска асинхронного электродвигателя позволяет экономить до от 30 до 60%. Это происходит за счет оптимизации режима работы двигателя с помощью частотного преобразователя. При малой нагрузке можно уменьшить напряжение на двигателе, а управляя частотой выходного напряжения, поддерживать требуемую скорость.
Фильтр в звене постоянного тока частотного преобразователя хорошо справляется с реактивным током на первой гармонике, а остальные могут успешно подавляться фильтрами, включаемыми как в цепи переменного напряжения преобразователя частоты со стороны сети, так и в цепи переменного напряжения после преобразователя, на стороне двигателя.
Способность преобразователя частоты заряжать конденсаторы звена постоянного тока до некоторой степени тоже экономит энергию. Если механизм движется по инерции непродолжительное время, то выходной инвертор может быть использован как выпрямитель и заряжать емкость звена постоянного тока. Длительно это происходить не может, так как заряд конденсатора ограничен его номинальным напряжением и это как раз величина выходного напряжения инвертора частотного преобразователя в режиме торможения. для этих целей в схему преобразователя частоты добавляют тормозной резистор, делается это внешним образом, так как этот резистор будет выделять много тепла и корпус преобразователя частоты может его не выдержать.
Использование преобразователя частоты “из коробки” никак не гарантирует беспроблемность с экономией энергии. Потребитель должен вникнуть в условия эксплуатации каждого экземпляра преобразователя частоты, который он приобрел и устанавливает на своем производстве. В цепи переменного тока для повышения кпд необходимо правильно подбирать мощности двигателя и преобразователя. Если нагрузка на двигатель не достигает его номинальной мощности, то можно использовать марку преобразователя частоты для двигателя меньшей мощности. Необходимая величина выходного напряжения будет при этом обеспечена, скорость вращения также. Но это не самый экономный вариант для частотного преобразователя. И частотник, и двигатель должны соответствовать по мощности друг другу. Можно подключать несколько двигателей параллельно, при условии, что они работают в одинаковых условиях и в сумме имеют номинальную мощность как у преобразователя. В этом случае не обязательно покупать преобразователи по отдельности для каждого двигателя.
Коэффициент мощности частотного преобразователя довольно близок к 1, не меньше 0,98 в худшем случае. Вся реактивная мощность двигателя поглощается в звене постоянного тока на любых режимах его работы. Все оставшееся, это только влияние нелинейности выпрямителя. Для мощных двигателей, а значит, и больших токов во входной сети преобразователя, будут заметны импульсные помехи. Так что коэффициент мощности частотника это вопрос не энергетический, а электромагнитной совместимости. чтобы избавиться от помех, может понадобиться экранирование кабелей или прокладка их в трубах, при заземлении экранов или труб. Важно не нарушать также и те правила заземления, которые указаны в инструкции на каждый преобразователь. Каждый преобразователь должен напрямую соединяться с шиной заземления и никак иначе. Иначе образуются контуры, которые будут создавать помехи чувствительному оборудованию.
