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

Размещено на http://allbest.ru

Казанский национальный исследовательский технологический университет

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

Сабиров Д.Р.,

Сагдеева Г.С., канд. пед. наук,

Ганиев Р.Н., канд. техн. наук,

г. Нижнекамск, Россия

Аннотация

Несмотря на то, что электропривод переменного тока в последнее время все больше «вытесняет» привод постоянного тока, он является вполне актуальным, т к. целиком и полностью удовлетворяет требованиям ведения технологических процессов. Большое место занимает рассмотрение проблемы электромагнитной совместимости преобразовательных установок постоянного тока с питающей электрической сетью. Приведены исследования и анализ влияния вентильных нагрузок на качество питающей сети и способы повышения качества электроснабжения путем замены существующих преобразователей на активные преобразователи постоянного тока с коррекцией коэффициента мощности, а также выполнено патентное исследование. вентильный постоянный ток электрический

Ключевые слова: реактивная мощность, качество сети, выпрямленное напряжение, активный выпрямитель, вентильный электропривод, патентное исследование.

Abstract

Saburov D., Kazan National Research Technological University,

Nizhnekamsk, Russia, Sagdeeva G., Ph.D., Kazan National Research Technological University, Nizhnekamsk, Russia, Ganiev R., Ph.D., Kazan National Research Technological University, Nizhnekamsk

Despite the fact that the AC electric drive has recently been increasingly “displacing” the DC drive, it is quite relevant, because completely satisfies the requirements of technological processes. Consideration of the problem of electromagnetic compatibility of DC converter installations with the supply electrical network occupies a large place. The article provides research and analysis of the influence of valve loads on the quality of the power supply network and ways to improve the quality of power supply by replacing existing converters with active DC-DC converters with power factor correction, as well as a patent study.

Keywords: reactive power, network quality, rectified voltage, active rectifier, valve drive, patent research.

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.

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 (https://fips.ru)

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 технико-экономическим 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.

Список литературы

1 Муллин И. Ю., Холявко А. О. Исследование электропривода постоянного тока с широтно-импульсным регулированием // Вестник Ульяновского государственного технического университета. 2013. №1 (61). С. 42-46. EDN: QGSFNB.

2. Бобков А., Бобков В., Копырин В. Силовая преобразовательная техника для мощных электротехнологических установок постоянного тока // Силовая электроника. 2004. №1. С. 66-68. EDN: MVRPEP.

3. Милослов А. В. Моделирование и сравнительный анализ трехфазных корректоров коэффициента мощности: Дисс. ... канд. техн. наук. Тольятти, 2019. 88 с.

4. Веприков А. А. Обоснование структуры и параметров высокоэффективных электротехнических комплексов для электропитания промышленных потребителей постоянного тока большой мощности: Дисс. ... канд. техн. наук. СПб., 2017. 133 с.

5. Ганиев Р. Н., Горбачевский Н. И., Дмитриев В. Н., Сидоров С. Н. Частотнорегулируемые электроприводы в технологиях шинопроизводства. Ульяновск: УлГТУ, 2015. 223 с.

References

1. Mullin, I. Yu., & Kholyavko, A. O. (2013). Issledovanie elektroprivoda postoyannogo toka s shirotno-impul'snym regulirovaniem. Vestnik Ul'yanovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, (1 (61)), 42-46. (in Russian).

2. Bobkov, A., Bobkov, V., & Kopyrin, V. (2004). Silovaya preobrazovatel'naya tekhnika dlya moshchnykh elektrotekhnologicheskikh ustanovok postoyannogo toka. Silovaya elektronika, (1), 66-68. (in Russian).

3. Miloslov, A. V. (2019). Modelirovanie i sravnitel'nyi analiz trekhfaznykh korrektorov koeffitsienta moshchnosti: Diss. ... kand. tekhn. nauk. Tol'yatti. (in Russian).

4. Veprikov, A. A. (2017). Obosnovanie struktury i parametrov vysokoeffektivnykh elektrotekhnicheskikh kompleksov dlya elektropitaniya promyshlennykh potrebitelei postoyannogo toka bol'shoi moshchnosti: Diss. ... kand. tekhn. nauk. St. Petersburg. (in Russian).

5. Ganiev, R. N., Gorbachevskii, N. I., Dmitriev, V N., & Sidorov, S. N. (2015). Chastotno- reguliruemye elektroprivody v tekhnologiyakh shinoproizvodstva. Ul'yanovsk. (in Russian).

Размещено на Allbest.ru