Основу сучасної перетворювальної техніки складають тиристори з природною комутацією. При природній комутації реалізується максимальна простота схемотехніки, відсутність перенапруг, мінімальна маса, габарити і вартість перетворювачів.
Напруга і струм, які формує перетворювач з природньою комутацією для фази асинхронного двигуна в системі перетворювач частоти – асинхронний двигун визначається пульсністю перетворювача m, кутом регулювання α, ЕРС обертання в навантаженні е і індуктивністю силового ланцюга двигуна L. Напруга навіть при формуванні постійного струму періодичну несинусоїдальну залежність з періодом . Як наслідок струм, який протікає в навантаженні, містить пульсації відносного заданого значення, яке збільшується при збільшенні кута регулювання α. Якщо індуктивність силового ланцюга невелика, пульсації струму значні і при зменшенні його середнього значення струм стає уривчастим. Так в системі НПЧ – АД при m=3 зона уривчастого струму відповідає зміні навантаження двигуна і відповідно, струму статора в межах від холостого ходу до (0,6 – 0,8)І1ном , при m=6 вона знижується і практично проявляється лише на холостому ході.
Корисну роботу електропривода визначає середній момент, тобто перша гармоніка струму двигуна змінного струму. Пульсації струму при потрібному моменті створюють додаткові втрати в опорах якірного ланцюга, викликають додатковий нагрів двигуна, тому повинні обмежуватись на допустимому рівні. Режим уривчастого струму і моменту двигуна для швидкодіючих приводів з преціозним регулюванням швидкості може викликати недопустиму нерівномірність руху двигуна механізма. В цьому та іншому випадку знизити пульсації струму та обмежити уривчастого струму можна шляхом введення згладжую чого реактора або вибором тиристорного перетворювача більшої пульсності. Згладжуючий реактор – простіше і дешевше рішення, але додаються втрати в його обмотці, перетворювач з великим m гарний, але досить дорогий. Якщо маємо справу з проектуванням системи НПЧ – АД, необхідно враховувати, що введення згладжуючого дроселя в кожну фазу двигуна в номінальному режимі може потребувати збільшення номінальної напруги перетворювача та інші аналогічні ефекти.
Для електроприводів середньої і великої потужності головні енергетичні проблеми лежать в сфері взаємодії електропривода з живлячою мережею і в багатьох випадках на вибір системи електропривода виявляють вирішальний вплив її показники якості енергоспоживання. Дискретний фазо – імпульсний принцип управління тиристорними перетворювачами, несинусоїдальність напруги і струму навантаження викликають зсув споживаного із мережі струму і спотворення його форми. Якщо якимось шляхом визначити (наприклад, виміряти) споживану із мережі активну потужність Р, діюче значення споживаного із мережі струму І1 і напруги мережі U1, можна проаналізувати складові енергоспоживання вентильного електропривода.
Повна потужність (максимальна активна потужність, яку споживав би електропривод при даних І1 та U1, якщо б не було зсуву і спотворень):
(4.2.2)
Активна потужність являє собою середнє значення миттєвої потужності за цикл:
(4.2.3)
де u1 і i1 – миттєві значення напруги і струму.
Повна реактивна потужність обумовлена наявністю зсуву у вищих гармоніках струму:
(4.2.4)
Реактивна потужність зсуву:
(4.2.5)
де Т – реактивна потужність спотворення, обумовлена взаємодією джерела ЕРС мережі з вищими гармоніками струму.
На жаль, по відомим значеннях Р, І1 та U1 визначити окремо складові повної реактивної потужності не вдається. Для перетворювача постійного струму (в тому числі і в схемі перетворення частоти з ланкою постійного струму) можна оцінити кут зсуву першої гармоніки струму відносно напруги:
(4.2.6)
де α – кут регулювання, γ – кут комутації вентилів.
Якщо прийняти напругу синусоїдальною, реактивна потужність зсуву визначається лише першою гармонікою струму. При цьому:
(4.2.7)
Звідси:
(4.2.8)
При необхідності по відомій активній потужності можна визначити активну складову основної гармоніки струму:
, (4.2.9)
а далі ефективне значення основної гармоніки струму:
(4.2.10)
При несиметричному навантаженні фаз виникає додаткова складова реактивної потужності – потужність несиметрії, яку вважаючи перетворювач симетричним, не враховуємо.
Розглянуті складові дозволяють дати визначення відповідних коефіцієнтів, які характеризують якість енергоспоживання. Коефіцієнт потужності:
(4.2.11)
Коефіцієнт зсуву характеризує співвідношення між активною потужністю і реактивною потужністю зсуву:
(4.2.12)
Коефіцієнт спотворень:
(4.2.13)
Для розглядаємих симетричних перетворювачів його можна визначити відношенням основної гармоніки струму мережі до його діючого значення:
Кс=І1(1)/І1 (4.2.14)
Коефіцієнт потужності характеризує ефективність енергоспоживання електропривода – ступінь використання повної потужності, яка завантажує мережу, і може бути виражений через складові енергетичні коефіцієнти:
Км=Кз·Кс (4.2.15)
а при наявності несиметрії енергоспоживання по фазах:
Км= Кз·Кс·Кн (4.2.16)
де Кн= - коефіцієнт несиметрії.
Таким чином, вентильні перетворювачі негативно впливають на роботу живильної мережі. При низьких значеннях коефіцієнта потужності електропривод завантажує мережу реактивним струмом основної гармоніки, яка несе активну потужність електроприводу і наповнює мережу циркуляцією струмів вищих гармонік. Ці реактивні струми, протікаючи по опорах живильної мережі викликають додаткові втрати активної потужності, а вищі гармоніки струму при збільшенні числа і потужності вентильних електроприводів здатні викликати недопустимі спотворення напруги мережі, які порушують нормальну роботу інших споживачів. При переході до масового використання в промисловості вентильних електроприводів в сфері електропостачання виникли і інші проблеми, обумовлені вищими гармоніками струму резонансні явища в батареях конденсаторів, які раніше успішно використовувались для компенсації реактивної потужності. В результаті резонанса збільшується вихід із ладу конденсаторів. Це вимагало переходу до використання фільтро – компенсуючи пристроїв, кожний ланцюг яких містить послідовно з'єднані батареї конденсаторів і індуктивності з на лаштуванням даного ланцюга фільтра на певну найбільш суттєву вищу гармоніку струму.
Припустимо, здійснюється вибір системи для потужного електропривода постійного струму із двох варіантів – використовуємо, але застарівши система Г – Д і сучасна система ТП – Д.
З давніх пір до теперішнього часу для збудження генераторів використовують силові реверсивні магнітні підсилювачі – пристрої прості, надійні, але недосконалі. Низький ККД (близько 35%), великі габарити, невисокий коефіцієнт підсилення і ряд інших недоліків не дозволяють реалізувати потрібну швидкодію привода, реальний коефіцієнт форсування процесів збудження генератора αф max ≤ 2. В останні роки вони знімаються з виробництва, тому в замінюваній системі в якості збуджувача генератора вже використовують реверсивний тиристорний перетворювач і обмотку збудження синхронного двигуна, яка раніше підключалась до некерованого джерела, забезпечили для цілей автоматичного регулювання нереверсивним тиристорним збуджувачем. Вибір коефіцієнта форсування і αф≤10 і використання мікроелектроніки в системі управління забезпечує швидкодію і точність системи Г – Д на рівні, що не поступається системі ТП – Д. При цьому система ТП – Д приваблює високим ККД , кращими малогабаритними показниками, кращою технологічністю і меншими потребами в дефіцитній міді і електротехнічній сталі.
Якщо вибір зупинений на системі ТП – Д, можна вжити заходів щодо покращення її техніко – економічної ефективності за рахунок зменшення потрібної потужності фільтро – компенсуючого пристрою. В двохмосовому перетворювачі з природною комутацією зниження споживання реактивної потужності зсуву можна забезпечити шляхом почергового управління мостами. Використавши аналогічний перетворювач з штучною комутацією вентилів, можна практично повністю виключити реактивну потужність зсуву і обмежитись установкою нерегульованого фільтра найбільш суттєвих гармонік струму.
5. Застосування регульованого електроприводу насосних агрегатів
При застосуванні енергозберігаючого обладнання припускає заміну насосних агрегатів на сучасне устаткування з більш високим ККД. Прикладом можуть служити насоси GRUNDFOSS (Німеччина) чи FLYGT (Швеція). Цей метод на сьогодні застосовується рідко через великі капіталовкладення і, в основному, при новому будівництві.
Найбільш перспективним на сьогоднішній день є застосування регулюємого електроприводу. З огляду на нерівномірний характер водоспоживання, для насосних станцій виникла вкрай гостра потреба плавного регулювання їхньої продуктивності (напір і подача).
Традиційно продуктивність насосних станцій у системах водопостачання та водовідведення регулювалася ступінчасто або дроселюванням напірними засувками. Але такі способи регулювання є неекономічними. Крім того, збільшується знос устаткування через часті пуски і зупинки агрегатів; частіше виходять з ладу напірні засувки, внаслідок того, що засувка є запірною арматурою і не призначена для регулювання. Плавне регулювання продуктивності насосних агрегатів може бути забезпечено кількома способами:
Ø застосуванням двигунів постійного струму, число обертів яких змінюють шляхом регулювання напруги живлення;
Ø застосуванням різноманітних муфт ковзання (індукційних, гідравлічних, електромагнітних);
Ø зміною частоти напруги двигуна агрегату (регулюємий електропривод);
Найбільше поширення в даний час має спосіб, при якому в спеціальному тиристорному перетворювачі напруга частотою 50 Гц може бути перетворена у напругу заданої частоти. Як відомо, швидкість обертання електродвигуна прямо пропорційна частоті наруги живлення. Змінюючи число обертів, можливо домогтися зміни подачі Q, напору Н, потужності N у наступній залежності:
; ; (5.1)
де n1 і n0 – число обертів електродвигуна при зміненій (n1) і номінальній (n0) частоті напруг живлення;
Н1 і Н0 – напір насосного агрегату;
Q1 і Q0 –подача насосного агрегату;
N1 і N0 – потужність, споживана агрегатом;
Розглянемо детальніше методи регулювання подачі і напору.
Регулювання шляхом дроселювання зводиться до зменшення потовк води в трубопроводі, що зумовлює додаткові витрати електроенергії, так як насос постійно повинен переборювати противотиск, створений напірною засувкою.
