Патентное исследование систем электроснабжения электропривода постоянного тока на основе активных преобразователей с коррекцией мощности

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 621.314.6                                      

В настоящее время в промышленности для питания потребителей широко используется постоянный ток, при этом большая доля его потребления (до 30%) приходится на предприятия химической и нефтехимической отрасли. Для достижения высокой производительности электротехнологических установок и обеспечения их энергоэффективности требуется осуществлять управление активной мощностью потребителей постоянного тока с глубиной регулирования выпрямленного напряжения 80100% при точности стабилизации постоянного тока 0,1-0,2% с быстродействием до нескольких секунд. Однако использование широко применяемых в настоящее время управляемых выпрямительных агрегатов с системами точной стабилизации тока на основе дросселей и силовых тиристоров приводит к увеличению потребления реактивной мощности и росту искажений синусоидальности входного тока и напряжения в точке подключения преобразовательного комплекса к энергосети. Данные обстоятельства ведут к необходимости завышения установленной мощности силового электротехнического оборудования и повышению расходов на электроэнергию [1].

Вентильные преобразователи оказывают все более сильное отрицательное воздействие на качество напряжения в питающей сети в связи с расширением их применения и увеличением единичной мощности. Как известно, это объясняется тем, что преобразователи, в особенности регулируемые, за счет сдвига первой гармоники тока относительно напряжения потребляют значительную реактивную мощность, зачастую с весьма неравномерным временным графиком, а за счет высших гармоник потребляемого тока являются источниками сильных искажений кривой напряжения сети. Оба этих фактора, кроме того, вызывают дополнительные потери мощности в питающей сети. Поэтому проблема улучшения коэффициента мощности преобразователей относится к числу одной из наиболее актуальных в современной преобразовательной технике и электроэнергетике. При работе в выпрямительном режиме вентильный преобразователь потребляет из сети переменного тока активную и реактивную мощность. При работе в инверторном режиме – отдает в сеть переменного тока активную мощность, потребляя реактивную. При а =90° вентильный преобразователь потребляет из сети переменного тока только реактивную мощность [2].

В наибольшей мере этот фактор проявляется при работе выпрямителя на противо ЭДС и постоянстве тока нагрузки как в нашем случае в электроприводе с двигателем постоянного тока. Здесь при выпрямленном напряжении, близком к нулю, реактивная мощность максимальна. Таким образом, с уменьшением выпрямленного напряжения реактивная мощность выпрямителя растет, увеличивая загрузку электрических сетей реактивным током, что в свою очередь сопровождается значительными потерями активной энергии и напряжения в сети, а также снижением пропускной способности всей системы электроснабжения. Таким образом, преобразовательные агрегаты являются крупными потребителями реактивной мощности, режим потребления которых имеет особенности, связанные с нелинейностью и нестабильностью параметров нагрузки. В электрических сетях промышленных предприятий со значительным удельным весом вентильных преобразователей несинусоидальность формы кривой напряжения может значительно превышать нормируемые ГОСТ пределы [3].

Наличие высокого уровня гармонических составляющих в системах электроснабжения промышленных предприятий приводит к следующим отрицательным явлениям: появлению дополнительных потерь активной мощности и электроэнергии в элементах сети; снижению коэффициента мощности; ограничению области применения конденсаторных батарей вследствие возможности появления резонансных или близких к ним режимов на частотах высших гармоник; ускорению старения изоляции электрооборудования; появлению высших гармоник тока в сети выпрямленного напряжения; существенному увеличению погрешности счетчиков для учета активной и реактивной энергии, а также измерителей токов и напряжений; вредному действию на коммутацию трехфазных коллекторных двигателей; неправильному действию некоторых видов релейных защит, ухудшению качества, а в некоторых случаях к сбоям в работе систем контроля, автоматики, телемеханики и связи [4].

Освоение производства запираемых полупроводниковых вентилей послужило появлению нового энергетического объекта – активного выпрямителя (АВ). Название АВ отражает способность данного устройства активно влиять на энергетический баланс преобразователя с питающей сетью. Как правило, целью разработки АВ служит поддержание электромагнитной совместимости преобразователя с питающей сетью, предполагающей частичное или даже полное устранение в составе мощности сетевого входа пассивных составляющих. В условиях синусоидальности сетевого напряжения к числу пассивных составляющих полной мощности относят реактивную мощность основной гармоники и мощность искажения, создаваемой высшими гармониками потребляемого тока. Данные меры означают минимизацию потребляемого тока, так как в энергетическом балансе сетевого входа полностью компенсированного преобразователя остаётся лишь активная составляющая мощности первой гармоники. Усреднённое за период сети интегральное значение активной мощности АВ может быть положительного знака — в выпрямительном режиме или отрицательного знака — в инверторном режиме работы преобразователя. При необходимости функциональные возможности АВ позволяют не только устранять, но и генерировать пассивные составляющие мощности, с целью компенсации аналогичных составляющих других нагрузок в общей сети [5].

Был проведен патентный анализ. Результаты поиска занесены в Таблицу. Глубина патентного поиска составила 20 лет.

Таблица

ПАТЕНТНЫЙ АНАЛИЗ

№ п/п £ S | S e    s

Vo Q    Oft & S  H § г       ?                      Суть изобретения ^  S

1         « 1 О 4 $ ft R « S M 2    £ -  ® s Й н к 2 м й ^ ° X ID

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для улучшения показателей качества электрической энергии в трехфазных системах s       □ S  электроснабжения     с     наличием     нелинейной E    Q O  несимметричной  нагрузки,   генерирующей  высшие H m    & S' гармоники тока и потребляющей ток основной гармоники, so.          сдвинутый   по   фазе   относительного   питающего m S    8     напряжения, в устройствах компенсации гармонических составляющих токов и реактивной мощности нелинейной S ft     § S   нагрузки произвольного вида. Задачей (техническим ° n       S   результатом) полезной модели является снижение уровня “  высших гармонических составляющих тока и реактивной 3       OH  мощности,  обусловленной  наличием  фазового  сдвига о       О     основной гармоники тока нагрузки относительно питающего <      ®     напряжения, потребляемых из сети переменного тока нелинейной несимметричной нагрузкой.

№ п/п ^

ss

st

£ at

£ st

Суть изобретения

ri o> o> 40 T>

о и о о о

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования входной энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Активные выпрямители широко используются в таких устройствах как: корректоры коэффициента мощности; активные выпрямители частотно-регулируемых электроприводов; компенсаторы реактивной мощности и мощности искажений; активные выпрямители электрохимических технологий; источники электропитания высоковольтных технологий; зарядные устройства аккумуляторных батарей и емкостных накопителей энергии; а так же в технологических источниках питания, нагрузка которых способна возвращать накопленную энергию в питающие сети.

03 Полезная модель относится к области силовой о преобразовательной техники и может быть использована 3S О для питания электроприводов постоянного тока, в составе К     преобразователей частоты для питания электроприводов м     переменного   тока,   в   системах электропитания о ^ постоянным  током,   в   силовых  выпрямительных

§ ®  установках, питающихся от источников электрической о о  энергии ограниченной мощности. Заявляемое устройство

• 8 s  благодаря адаптации его системы управления к

• ³s &  несимметрии трехфазного источника питания, путем

о S  введения предуправления по напряжению обратной

Р >,  последовательности, обеспечивает симметрию фазных

• 8 ³s  токов трехфазного активного выпрямителя напряжения, а

• К о  также ограничивает размах колебания напряжения на

cS tr  конденсаторе емкостного фильтра в допустимых

^ к   пределах.

• 4              г Е          Изобретение относится к силовой преобразовательной

и        я технике и может быть использовано для питания

• 5 s ° й

S     S S 3§ и электроприводов постоянного тока, в составе и         О о o' преобразователей частоты для питания электроприводов

Е       Q =s       £ переменного   тока,   в   системах электропитания постоянным  током,   в   силовых  выпрямительных установках, питающихся от источников электрической энергии ограниченной мощности. Техническим результатом изобретения является обеспечение коэффициента мощности выпрямителя, равного единице, упрощение и повышение надежности выпрямителя.

№ п/п ^

ss

st

£ at

£ st

Суть изобретения

H

Трёхфазный корректор коэффициента мощности относится к электротехнике, в частности, к силовой преобразовательной технике, и может быть использован в

системах питания с мощными выпрямительными      установками.

результатом является повышение

управляемыми Техническим коэффициента

мощности сильноточных электроприемников, содержащих в своем составе мощные управляемые выпрямители, за счет распределения потоков реактивной мощности и мощности искажения между отдельными его узлами, не имеющими общего накопителя энергии, и подключенными к питающей сети без использования дополнительного согласующего трансформатора.

Полезная модель относится к области электротехники, включая силовую преобразовательную технику, и T предназначена для питания нагрузок постоянного тока от M автономных или общесетевых источников трехфазного переменного тока с повышенным коэффициентом О   мощности. Техническим результатом полезной модели s   является повышение КПД за счет снижения потерь о мощности благодаря снижению обратного напряжения и снижению длительности протекания силового тока через U   группы силовых диодов, и уменьшение себестоимости

>S    устройства, позволяющего применять силовые диоды о   выпрямителя с меньшими номинальными значениями ч    допустимого обратного напряжения.

о

В результате проведённого патентного анализа была определена динамика изобретательской деятельности по системам электроснабжения электропривода постоянного тока на основе активных преобразователей с коррекцией мощности.

Рисунок. Патентная активность систем электроснабжения электропривода постоянного тока на основе активных преобразователей с коррекцией мощнос

Заключение

Электрическая энергия является особым видом продукции, имеет определенные характеристики, по которым судят о пригодности в технологических процессах. Автоматизация, а также усложнение технологических процессов вместе со стремлением к повышению производительности труда на современных промышленных предприятиях обусловили применение мощных вентильных приводов, сварочных установок, мощных дуговых печей, которые оказывают существенное влияние на качество электрической сети. Качество электроэнергии, как и надежность является обязательным требованием, предъявляемым к системам электроснабжения и оценивается по следующим техникоэкономическим показателям:

– технологический ущерб (брак, снижение производительности труда и механизмов, ухудшение качества продукции)

– электромагнитный ущерб (повреждение оборудования, увеличение потерь электроэнергии, нарушение работы связи, телемеханики, автоматики).

Проанализировав патентное исследование можно сделать выводы, что исследования в этой области являются крайне актуальными на сегодняшний день. На производствах внедряют перевооружения и модернизации оборудования, для уменьшения пагубных влияний и потерь мощностей на вентильных агрегатах. В будущем исследования будут успешно развиваться, т.к. энергетические ресурсы на нашей планете не бесконечны. Необходимо стремиться к эффективному использованию каждого кВт вырабатываемой мощности.