Энергетические особенности преобразователей электроэнергии

Преобразователи электроэнергии преобразуют переменный ток в постоянный и наоборот, переменный ток одной частоты и величины в переменный ток с другими параметрами, регулируют или стабилизируют выходной ток или напряжение. Поэтому важное значение имеет характеристика преобразователя как приёмника электроэнергии. Экономичность приёма электроэнергии приводом зависит как от типа и технических характеристик элементов привода, так и от режимов его работы.

Применяются два основных типа преобразователей – статические и электромашинные. С точки зрения качества электроэнергии и влияния на сеть электромашинные преобразователи имеют преимущества перед статическими. Однако их доля постоянно уменьшается, т.к. они громоздки и имеют худший КПД, чем статические преобразователи.

Наиболее распространенными являются статические полупроводниковые преобразователи на базе диодов, тиристоров и транзисторов. По своим энергетическим свойствам они обладают рядом особенностей.

Процесс преобразования и регулирования электроэнергии в статических преобразователях производится за счет работы полупроводниковых приборов в ключевом режиме, что является причиной возникновения высших гармонических токов и напряжений на входе и выходе преобразователей. Генерация высших гармонических тока и напряжения вызывает искажения напряжения в питающих сетях и повышенные потери в канале передачи электроэнергии, а также приводит к знакопеременным составляющим момента, отрицательно сказывающимся на работоспособности электрической машины.

Другая их особенность обусловлена фазовым способом регулирования выходного напряжения. Это регулирование осуществляется за счет задержки момента включения тиристоров по отношению к сетевому напряжению. В результате этого первая гармоническая составляющая тока, определяемая частотой сети, оказывается сдвинутой на некоторый угол относительно напряжения сети. Поэтому преобразователи потребляют реактивную мощность не только на частотах высших гармонических, но и на частоте сети.

При определении энергетических показателей регулируемых приводов необходимо учитывать следующее:

· изменение скорости двигателя вызывает изменение постоянных потерь в двигателе. Особенно существенно постоянные потери изменяются при регулировании тока возбуждения ДПТ и СД;

· наличие силового преобразователя вызывает дополнительные потери мощности в преобразователе и двигателе;

· преобразователь является потребителем реактивной мощности и вносит искажения в синусоидальную форму кривых напряжения и тока.

Потери от первой гармонической (полезной) составляющей тока определяют путём соответствующего увеличения активного сопротивления в цепях обмоток двигателя. Внутреннее сопротивление преобразователя учитывает потери на входе (в трансформаторах, сетевых реакторах) и выходе (сглаживающих и уравнительных реакторах) и в самих полупроводниковых приборах.

Зависимоть cosj от относительной скорости при номинальной нагрузке для преобразователей с фазовым управлением характеризуется кривой на рисунке. Как видно, уменьшение коэффициента мощности происходит пропорционально снижению скорости, т.е. увеличению диапазона регулирования.

Существенным положительным свойством статических преобразователей являются меньшие потери от первой гармонической составляющей тока. Это объясняется двумя причинами. Во-первых, меньшие потери в самом преобразователе по сравнению с электрической машиной (отсутствуют механические потери, потери на возбуждение), и, во-вторых, меньшее число ступеней преобразования электроэнергии. Например, КПД выпрямителей достигает 0,95-0,98, а преобразователей 0,95.

Полностью управляемая техника позволит радикально решить вопросы качества потребляемой энергии (потребление реактивной мощности, генерирования гармоник тока и напряжения). В преобразователях с широтно-импульсным регулированием применяют неуправляемые входные выпрямители, что обеспечивает коэффициент сдвига первой гармоники тока относительно напряжения сети, близкий к 1,0. В системах фазового управления напряжением возможно регулирование с достаточно высокими показателями по коэффициенту мощности и коэффициенту искажения при различном сочетании преобразовательных устройств на традиционных тиристорах и запираемых приборах.

Применение запираемой техники приводит к существенному снижению затрат на электротехническое оборудование – энергоснабжающие сети, трансформаторное и распределительное оборудование. Использование регулируемого электропривода с неуправляемым выпрямителем с коэффициентом сдвига, равным 1,0 во всем диапазоне регулирования, позволит снизить расчетную мощность согласующего трансформатора в зависимости от реальной тахограммы технологического механизма.

Применение запираемой техники в электроприводах постоянного тока позволит отказаться от запаса по углу для устойчивого инвертирования. При этом появляется возможность снижения расчетной мощности согласующего трансформатора за счет уменьшения его выходного напряжения обратно пропорционально косинусу минимального значения угла опережения.