CC BY
14УДК 621.313.2
Д.С. Данилов, А.А. Марченко
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: ryzen. 01 @mail.ru, marchenko_alx@inbox. ru
ПРОБЛЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ РЕКУПЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ В ГРЕБНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ
Сегодня гребные электрические установки на переменном токе вытесняют системы постоянного тока. Прежде всего, это связано с рядом преимуществ преобразователей частоты и появлением таких систем, сравнимых с гребными электрическими установками мощностей. Авторами данной статьи рассмотрен процесс рекуперации электрической энергии на переменном токе. Если в системах на постоянном токе процесс рекуперации не является проблемой, то в системах с преобразователем частоты этот процесс затруднен применением неуправляемых выпрямителей.
Ключевые слова: гребные электрические установки, преобразователь частоты, рекуперация.
D.S. Danilov, A.A. Marchenko
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected], [email protected]
ELECTRICAL POWER RECOVERY PROBLEMS FOR FREQUENCY CONVERTERS IN AC PROPELLER ELECTRICAL INSTALLATIONS
Today, AC propeller electric installations displace DC systems. First of all, this is due to a number of advantages of frequency converters and the advent of such systems comparable to propeller power plants. The authors of this article considered the process of recovery of electric energy at alternating current. The recovery process is not a problem in DC systems, but in systems with a frequency converter this process is hindered by the use of uncontrolled rectifiers.
Key words: propeller electric installations, frequency converter, recovery.
Сегодня гребные электрические установки (ГЭУ) на переменном токе вытесняют системы постоянного тока. Прежде всего это связано с рядом преимуществ установок на переменном токе. Такие установки обладают более высоким коэффициентом полезного действия, так как гребные электродвигатели переменного тока имеют данное преимущество. Также имеет место преимущество в габаритных показателях. Особенно это важно в условиях ледового плавания. Основные плюсы, определившие значительное распространение гребных электрических установок, - это широкий диапазон и плавность регулирования. Данные свойства достигаются при помощи применения преобразователей частоты (ПЧ).
Одним из режимов работы гребной электрической установки является торможение. Существует несколько способов торможения гребного электродвигателя (ГЭД).
Режим генераторного торможения ГЭУ осуществляется путем уменьшения частоты по определенному закону. Энергия отдается через СПЧ в сеть или на автономный генератор. Значения тормозного момента ГЭД и рекуперируемой активной мощности зависят от скорости замедления вращающегося поля ГЭД (отрицательного скольжения). При медленном изменении частоты ГЭД остается в двигательном режиме в течение всего времени торможения и не рекуперирует активную энергию. Такой режим может использоваться в автономных ГЭУ.
Наиболее перспективным с точки зрения энергоэффективности является генераторное торможение с отдачей электрической энергии в сеть. Существуют некоторые сложности
в рекуперации электрической энергии в процессе торможения, прежде всего связанные с конструкцией преобразователей частоты.
По виду связи нагрузки (ГЭД) с источником энергии (генератором или сетью) СПЧ делятся на три принципиально различных типа: с промежуточным звеном постоянного тока (инверторные СПЧ); с промежуточным звеном переменного тока повышенной частоты; с непосредственной связью (циклоконверторы). В СПЧ со звеном постоянного тока (ПЧТ) производится двукратное преобразование энергии: выпрямление переменного тока с помощью НВ или УВ и последующее его преобразование в переменный ток регулируемой частоты с помощью инвертора.
Варианты структурных схем ПЧТ приведены на рис. 1. Инвертор может быть как автономным, так и ведомым. Выпрямитель и инвертор могут работать независимо друг от друга либо с естественной, либо с принудительной коммутацией, поэтому ПЧТ по типу коммутации могут быть представлены всеми тремя классами [1]. Перспективно использование инверторов с отделенными коммутирующими конденсаторами. Установленная мощность ПЧТ является одним из главных критериев при оценке конкретного варианта.
2
НВ
ШИР + • + ОБ^
0 Ж НВ ов . ..
1, о- М —о и
■к
УВ
гб
ОБ АИ
м
ф 1 ±
УВ т л АИ
о о и
ов 4.
1 ф 1
т
ЗИ
Рис. 1. Структурные схемы ПЧТ
б
в
г
д
На рис. 1, б приведена диаграмма напряжений иг на нагрузке zн при подаче импульсов поочередно сначала на тиристоры группы I, а затем на тиристоры группы II. Импульс подается с углом сдвига (управления) и через промежутки времени ^ после момента, когда анод этого тиристора получил самый высокий потенциал. Запирание тиристора происходит, когда ток в цепи анода упадет до нуля. Т\ - период напряжения на входе преобразователя, Т\1т\ - время, соответствующее углу сдвига между фазными напряжениями. Как видно из диаграммы, тиристоры Т1 - ТЗ группы I формируют положительный полупериод (время Тг/2) выходного напряжения иг. Отрицательный полупериод создается при подаче отпирающих импульсов на тиристоры группы II. Таким образом, на резисторе нагрузки гн создается напряжение иг с частотой /г. Амплитуда выходного напряжения зависит от угла управления а тиристорами.
Частота выходного напряжения/2 ниже, чем частота питающей сети/\. Если нет паузы между полупериодами выходной частоты, то можно воспользоваться формулой /г = /\ т\(2п + т\), где п = ОД, г, 3; т\ - число фаз, в данном случае равное 3.
Изменяя число п, можно получить ряд дискретных значений частоты /г, если /\ = 50 Гц: 50; 30; 21,4; 16,6; 13,6 и т. д.
Для плавного регулирования выходной частоты преобразователя необходимо вводить пару tп между выключением тиристоров группы I и включением тиристоров группы II (рис. 1, в). Эта пауза предотвращает одновременную проводимость тиристора группы, выходящей из работы, и тиристора группы, вступающей в работу. Длительность паузы должна быть не меньше времени восстановления запирающих свойств тиристоров. В противном случае возникает короткое замыкание между фазами вторичной обмотки трансформатора.
В однофазной цепи переменного тока с активно-индуктивной нагрузкой индуктивная мощность изменяется с двойной частотой. При росте силы тока от нуля до максимального значения индуктивная мощность передается от источника к приемнику и запасается в магнитном поле нагрузки, при спаде силы тока от максимального значения до нуля индуктивная мощность возвращается к источнику. При работе преобразователя частоты на активно-индуктивную нагрузку энергия, накопленная в магнитном поле нагрузки, может быть возвращена обратно в первичную сеть [2].
Для передачи энергии в первичную сеть тиристоры T1 - ТЗ группы I переводятся в инверторный режим при отрицательном напряжении, а тиристоры Т4 - Т6 группы II - при положительном напряжении. Перевод группы тиристоров из выпрямительного режима в инверторный осуществляется системой управления при увеличении угла управления а до значений, больших 90°.
а А В С
б Ч>А
6Чг г„
J Т1 12 1 _}, ТЗ : 1 НА' ' = 16
Чги
т
Ч2
4 8 IV 4 иш "Л как / / 4 1/ИУ п 1/* 1Л • . • . . . 1 , ]1\ т.
а: А- £-т2 '2
в
г
у.У.У. \<~\\\<~ У.}'.}'. гГгГгГ
О
АД
Рис. 2. Трехфазный непосредственный преобразователь частоты
Из диаграммы на рис. 2, г видно, что ток /2 в нагрузке увеличивается в течение времени Дtв, когда преобразователь работает в выпрямительном режиме.
Уменьшение тока /2 происходит на участке Д^, где преобразователь для передачи энергии в первичную сеть переводится в инверторный режим. Угол в называется углом опережения, он численно равен:
в = п - а, при а > п/2.
Схема трехфазного непосредственного преобразователя частоты приведена на рис. 2. Для каждой фазы асинхронного двигателя АД используется трехфазно-однофазная схема. Трехфазный ток статора протекает от начала одной фазы на две другие или только по двум фазам. В соответствии с этим схема управления тиристорами подаст сигналы на их открывание по группам.
Недостатком схем непосредственных преобразователей частоты является низкий коэффициент мощности при регулировании выходного напряжения, так как это осуществляется изменением угла управления а. К недостаткам следует отнести несинусоидальную форму кривой выходного напряжения, что является причиной увеличения потерь в стали двигателя.
Работа тиристоров в инверторном режиме с целью рекуперации электрической энергии может также осуществляться в статических ПЧ со звеном постоянного тока. Основной проблемой в данной системе является необходимость в установке управляемого мостового выпрямителя на входе ПЧ. Сегодня в ГЭУ переменного тока с ПЧ используются неуправляемые выпрямители, а обратная энергия рассеивается в виде тепла на нагрузочном резисторе. Для рассмотрения целесообразности такой модернизации в первую очередь необходимо провести дополнительные исследования с оценкой отдаваемой в сеть мощности. Мощность ГЭУ на современных судах ледокольного типа позволяет рассматривать применение специализированных ПЧ со звеном постоянного тока с целью рекуперации при торможении.
Литература
1. Труднее С.Ю. Компьютерное моделирование полупроводниковых преобразователей // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2020. - №. 52. - С. 18-26.
2. Марченко А.А., Портнягин Н.Н. Моделирование процесса динамического нагружения асинхронного электродвигателя // Современные проблемы науки и образования. - Пенза. -2012. - № 6. - С. 125-125.
