Преобразователи частоты с улучшенными энергетическими показателями для электропривода стригальных машинок

Исторически сложилось так, что в нашем государстве, богатом всеми видами ресурсов, не придавали особого значениям вопросам экономного расходования энергии, и расточительное отношение к ресурсам как бы вошло в норму российской экономики, и, как следствие этого, в настоящее время удельная энергоемкость валового внутреннего продукта в РФ почти в 3 раза выше, чем в странах Западной Европы и в 1,8 раза выше, чем в США, и, к сожалению, продолжает возрастать [45].

Доля энергозатрат в себестоимости продукции и услуг составляет в среднем в промышленности — 18%, а в ряде масштабных производств 40% и дг—же 60%, в сельском хозяйстве — 11%, на транспорте — 17%, что снижает конкурентоспособность отечественных товаров не только на внешнем, но и на внутреннем рынке [39].

Дефицит энергоресурсов в ближайшие годы будет возрастать и станет главным тормозом экономического развития, как отдельных предприятий, так и по всей России. Динамика изменения производства и потребления электроэнергии в России приведена на рис. В.1 [39]. По прогнозу РАО ЕЭС, если указанные тенденции сохранятся, пересекающиеся кривые выработки и потребления электроэнергии указывают на «энергетический кризис» где-то в районе 2005 года!

Выработка и потребление электроэнергии в России.

1200 т 1100™ 1000 Ё 900 2 800 700.

1993 1998 2003 2008 -потребленГенерирующие мощности.

Рисунок В. 1 — Динамика производства и потребления электроэнергии в России.

Основными причинами «энергетического кризиса» являются:

• спад производства во всех отраслях топливно-энергетического комплекса (ТЭК);

• быстро растущая изношенность энергопотребляющего и энергопроизводящего оборудования и, как следствие, рост стоимости энергетических ресурсов;

• отсутствие средств для модернизации оборудования ТЭК;

• расточительное энергопотребление.

Для того чтобы сдвинуть вправо по оси времени точку пересечения кривых спроса и предложения, необходимо изменить наметившиеся тенденции. Существует два основных способа решить эту энергетическую проблему:

• наращивать производство энергоносителей;

• повышать эффективность использования энергии.

Первый способ связан со значительными капиталовложениями в развитие t генерирующих мощностей, и требуют достаточно длительного периода реализации. По этому пути шло развитие нашей энергетики в течение более 70 лет. Реформа РАО ЕЭС главным образом направлена именно на привлечение инвестиций в развитие генерирующих мощностей. При этом предполагается, что потребителю нужны энергоносители. На самом деле ему нужны услуги, которые потребитель может получить от использования энергии. Потому, не отрицая необходимость строительства новых станций, основной акцент должен быть сделан на повышение эффективности использования энергии. Генеральным направлением по снижению спроса на энергоресурсы может и должно стать энергосбережение, поскольку в настоящее время удельная стоимость всех мероприятий по экономии электроэнергии примерно вдвое меньше удельной стоимости ее производства.

Федеральная энергосберегающая политика зафиксирована в законе «Об энергосбережении» и осуществляется на основе реализации федеральных целевых программ энергосбережения.

Среди основополагающих программ можно назвать Федеральную целевую программу «Энергосбережение России (1998 — 2005 гг.)», которая утверждена Постановлением правительства РФ от 24.01.98. г. № 80.

Программа включает 5 подпрограмм, одной из которых является энергосберегающая электротехника, которая предполагает:

• создание элементной базы энергосбережения, в том числе энергосберегающего электротехнического оборудования и комплексов;

• максимальное использование достижений науки и техники в области экономии энергии и максимальная поддержка эффективных в своей деятельности научных подразделений, решающих проблемы энергосбережения.

Потенциал энергосбережения в стране достигает «40−50% от потребляемых энергоресурсов. Это обуславливает актуальность энергосбережения, а повышение эффективности использования энергии может стать двигателем устойчивого экономического роста в России, поскольку энергетика — основа экономики и существования любого цивилизованного государства.

Сельскохозяйственное производство имеет свои особенности:

• рассредоточенность объектов электрификации и относительно малая мощность большинства потребителей;

• сезонность многих сельскохозяйственных работ;

• относительная сложность организации технического обслуживания и ремонта электрооборудования.

В связи с этим, при разработке нового оборудования применительно к сельскохозяйственному производству, необходимо уделять особое внимание созданию многофункциональных машин и оборудования, переналаживаемого при изменении технологических процессов, видов производимых работ. Решить эту проблему позволяет модульный принцип создания оборудования с использованием унифицированных узлов и агрегатов [31, 53, 72].

В настоящее время в сельскохозяйственном производстве все больше стали использовать оборудование, в состав которого входят устройства, имеющие вентильные преобразователи, которые дают возможность не только повысить качество выполнения различных технологических операций, но и достигнуть при этом существенного снижения энергозатрат.

На рис. В.2 показаны области использования силовых полупроводниковых модулей в оборудовании, используемом в сельскохозяйственном производстве.

Рисунок В.2 — Области использования силовых полупроводниковых модулей.

Однако вентильные преобразователи имеют нелинейные вольтамперные характеристики, что ухудшает энергетические показатели сельских электроустановок из-за искажения формы напряжения и тока в электрической сети и на выходе преобразователей.

Несинусоидальность тока и напряжения вызывает дополнительные потери электроэнергии, наличие высших гармоник в токе и напряжении приводит к ускоренному износу изоляции кабелей, конденсаторов, электрических машин. При этом снижается надежность работы электрооборудования, возрастают затраты на его ремонт, увеличиваются диэлектрические потери и, кроме того, высшие гармоники могут вносить погрешность в результаты измерений и помехи в работу систем релейной защиты, автоматики и телемеханики. Отмеченные недостатки сдерживают применение преобразовательной техники в сельскохозяйственном производстве.

Актуальность темы

В любом современном технологическом оборудовании основным звеном является электропривод, который и потребляет значительную долю электроэнергии, поэтому решению задач по энергосбережению в электроприводе посвящены многочисленные публикации в отечественной и зарубежной литературе [24, 33, 37, 45, 59, 60, 64, 66].

Развитие силовой преобразовательной техники позволяет использовать для питания электродвигателей напряжение с измененными параметрами. Однако, вентильные преобразователи создают дополнительные потери в сети электроснабжения как за счет высших гармоник тока, так и низкого коэффициента мощности, что определяет важность изыскания рациональных путей преобразования параметров электрической энергии.

С учетом технологии стрижки и невысокой квалификации персонала, обслуживающего стригальные пункты, а также особенности работы в климатических зонах с повышенной температурой воздуха, что неблагоприятно сказывается на работе электрооборудования, к источникам питания электропривода стригальных машинок предъявляются следующие требования:

1) простота конструкции и надежность в эксплуатации;

2) возможность длительной работы (10−12 часов) при температуре окружающей среды, иногда превышающей +35°С;

3) возможность выдерживать кратковременные перегрузки.

Преобразователи частоты для электростригальных агрегатов ИЭ-9405,.

ИЭ-9406 эксплуатируемые многие годы в овцеводческих хозяйствах России, имеют низкий к.п.д. и крутопадающие внешние характеристики, а нестабильность и несинусоидальность выходного напряжения преобразователей ведет к перегреву обмоток электродвигателя, встроенного в ручку стригальной машинки, что приводит к снижению производительности труда стригалей и значительному сокращению срока службы электродвигателя.

Таким образом, вопросы разработки различных способов преобразования электрической энергии, направленных на улучшение энергетических показателей преобразовательных устройств, создание на этой основе преобразователей частоты с хорошими энергетическими и эксплуатационными показателями для электропривода стригальных машинок является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является научное обоснование схемных решений преобразователей частоты с улучшенными энергетическими показателями и создание на этой основе преобразователей частоты для электропривода стригальных машинок с улучшенными эксплуатационными и массога-баритными характеристиками.

Объект исследования — преобразователи частоты с управляемыми силовыми вентилями для электропривода стригальных машинок.

Предметом исследования являются закономерности преобразования частоты при различных схемных и конструктивных решениях преобразовательных устройств, их влияние на работу стригальных машинок.

Методы исследования. В диссертации был использован ряд конкретных методов: классификации, статистического наблюдения, сравнительного и факторного анализа, математического планирования эксперимента, физического и математического моделирования и др.

Научная новизна работы. Заключается в развитии теоретических основ преобразователей частоты, разработке модели функционирования системы «преобразователь — двигатель» и методического обеспечения оценки углов включения вентилей.

Основные научные результаты, характеризующиеся новизной, заключаются в следующем:

• теоретические положения построения системы «вентильный преобразователь — асинхронный двигатель» с измененным конструктивным исполнением статорной обмотки двигателя, на основе которых созданы преобразователи частоты для электропривода стригальных машинок с улучшенными энергетическими, эксплуатационными и массогабаритными показателями;

• математическая модель системы «вентильный преобразователь — асинхронный двигатель» с пакетом прикладных программ для исследования статических и динамических характеристик асинхронного двигателя, учитывающая несинусоидальность питающего напряжения;

• методика определения оптимальных углов включения вентилей, максимального коэффициента мощности ферромагнитно-вентильных преобразователей частоты и минимального коэффициента искажения синусоиды питающего напряжения.

Техническая новизна работы подтверждена тремя авторскими свидетельствами и тремя патентами на изобретения.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• разработанные и предложенные конструкции преобразователей частоты на базе. Системы «вентильный преобразователь — трансформатор» и «вентильный преобразователь — асинхронный двигатель» для электропривода стригальных машинок имеют более высокий КПД и коэффициент мощности, позволяющие уменьшить энергозатраты на стрижку, лучшие качественные показатели выходного напряжения в сравнении с выпускаемыми в настоящее время преобразователями частоты ИЭ-9405. Это позволяет повысить производительность труда стригалей и уменьшить нагрев электродвигателя стригальной машинки;

• пакет прикладных программ для расчетов статических и динамических режимов работы системы «вентильный преобразователь — асинхронный двигатель» с учетом несинусоидальности питающего напряжения может быть использован в научных исследованиях и инженерных расчетах преобразовательных устройств.

На защиту выносятся следующие положения:

• результаты исследования влияния отклонения выходных параметров преобразователей частоты от номинальных значений на характеристики электропривода стригальных машинок и нагрев обмоток электродвигателя;

• математическая модель «вентильный преобразователь — асинхронный двигатель»;

• способы улучшения энергетических показателей преобразователей частоты за счет новых схемных решений и выбора оптимальных углов включения и выключения вентилей;

• конструкция преобразователя частоты для стригальных машинок на основе системы «вентильный преобразователь — трансформатор»;

• конструктивное исполнение источника питания для стригальных машинок на основе системы «вентильный преобразователь — асинхронный двигатель».

Апробация результатов исследования. На основе результатов проведенных исследований разработаны и изготовлены опытные образцы ферромаг-нитно-вентильных преобразователей частоты (ФВПЧ), которые после лабораторных испытаний были внедрены в ряде хозяйств Ставропольского края.

Модель электропривода повышенной частоты и пакет прикладных программ по расчету статических и динамических характеристик асинхронного двигателя при питании от вентильного преобразователя используются в учебном процессе Ставропольского технологического института сервиса в лекционных курсах и на практических занятиях по дисциплинам «Электротехника и электроника» и «Электропривод».

Публикации результатов работы. Результаты проведенных научных исследований по теме диссертации отражены в 15 печатных работах, в том числе в 6 авторских свидетельствах и патентах на изобретения.

Основные положения и результаты исследования докладывались на научно — технических конференциях:

• Северо-Кавказского государственного технического университета, 1985 — 2003 гг.;

• Ставропольского государственного аграрного университета, 1989 — 2003 гг.;

• Челябинского института механизации и электрификации сельского хозяйства, 1989; 1990 гг.;

• МЭИ, г. Москва, 1989 г.

• СТИС (филиал) ЮРГУЭС, г. Ставрополь, 2000;2003 г.

Объем и структура диссертации. Композиционно работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, приложений, изложена на 178 страницах, включает 96 рисунков, 7 таблиц, библиографический список из 92 наименований, 25 страниц приложения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработаны теоретические положения построения систем «вентильный преобразователь — трансформатор» и «вентильный преобразовательасинхронный двигатель» на основе которых созданы новые типы преобразователей частоты.

2. Расчет оптимальных углов включения вентилей и диапазона работы ключей по предлагаемой методике обеспечивает получение cos ф = 0,9 для системы «вентильный преобразователь — трансформатор», cos ф = 0,88 для системы «вентильный преобразователь — асинхронный двигатель», коэффициента искажения третьей, пятой, седьмой и девятой гармоник соответственно 2,14%, 1,45%, 1,48%, 1,14%, что значительно ниже допустимых значений по ГОСТу 13 109−97.

3. Сравнительный анализ разработанных преобразователей с серийным преобразователем частоты ИЭ-9405 позволил определить улучшение параметров разработанных преобразователей:

— по удельной мощности, В А/кг: ВП-Т на 14%, ВП-АД на 26%;

— по удельному объему, В А! дм: ВП-Т на 21%, ВП-АД на 32%.

4. Предложенная схема включения стригальных машинок в систему ВП-АД позволяет повысить КПД устройства до 0,86, что на 18% больше, чем у ИЭ-9405.

5. Разработана математическая модель преобразователя частоты, на базе которой создан пакет прикладных программ для исследования статических и динамических характеристик системы «вентильный преобразователь — асинхронный двигатель».

6. Сравнительный анализ и практическая проверка преобразователей частоты по выходным параметрам показали, что:

— выходная частота разработанных преобразователей не имеет отклонений при изменении нагрузки, в то время, как у преобразователя ИЭ-9405 частота снижается на 5% при номинальной нагрузкеотклонение выходного напряжения преобразователей ВП-Т и ВП-АД достигает 3% при номинальной нагрузке, у преобразователя ИЭ-9405 — 18%- коэффициент искажения кривой выходного напряжения при номинальной нагрузке преобразователя ВП-Т составляет 8%, ВП-АД — 5,5%, ИЭ-9405 -11,7%- по параметрическим показателям ВП-Т превосходит образец на 7,5%, ВП-АД — на 6%- рентабельность разработанных преобразователей на 12,6% превышает среднюю норму прибыли по предприятию, производящему однородные с разработанными преобразователями изделия.