Приложение В (справочное). Описание элементов электромеханического комплекса с электроприводом с точки зрения их влияния на потери

Приложение В
(справочное)

Описание элементов электромеханического комплекса с электроприводом с точки зрения их влияния на потери

В.1 Общие положения

Электропривод используют для передачи энергии от источника питания к двигателю с целью регулирования его частоты вращения. Электропривод может управлять скоростью и/или моментом, как этого требует механизм.

Рисунок В.1 - Потоки энергии в электромеханическом комплексе

Рисунок В.1 иллюстрирует передачу энергии от сети к нагрузке. Питающие кабели и исполнительный механизм не относятся к комплектному электроприводу, хотя их потери могут быть значимыми для комплексной оценки энергоэффективности электромеханического комплекса, как указано в приложении А. Для такой комплексной оценки должны быть оценены потери всей системы. В частности, оптимизация отдельных составляющих системы может привести к ухудшению энергоэффективности комплекса в целом. Основные взаимозависимости описаны в данном приложении.

В.2 Потери в питающих кабелях и вводном устройстве

Базовая эквивалентная схема трехфазных цепей питания в общей точке подключения представлена на рисунке В.2.

Рисунок В.2 - Эквивалентная схема питания и питающих кабелей

На рисунке В.2 представлена трехфазная система питания с заземленной нулевой точкой звезды. Если потери энергии определены в других конфигурациях схем питания, например треугольник или однофазная, они идентичны. В первом приближении сеть может быть источником питания идеальной синусоидой частотой 50 или 60 Гц. Этот источник имеет последовательный импеданс, определяемый, в основном, индуктивным и активным сопротивлениями. Омическая составляющая представлена сопротивлениями питающих кабелей, выключателей и предохранителей.

Потери энергии сосредоточены в омической части эквивалентной схемы. Эти потери пропорциональны квадрату тока источника питания. С учетом того, что токи равны и сдвинуты по фазе на 120°, потери источника составляют

.

(В.1)

Учитывая, что преобразователь соединен с источником питания, как показано на рисунке В.2, потери в последнем зависят от входного тока преобразователя. Как минимум, преобразователь должен обеспечить активную мощность на нагрузке и собственные потери. Однако преобразователь потребляет более значительную кажущуюся мощность ввиду реактивной мощности и гармоническим токам. Отношение активной мощности к кажущейся определено коэффициентом мощности

.

(В.2)

Преобразователь с коэффициентом мощности, близким к 1, приведет к минимальным потерям в источнике питания. Величина определена главным образом входным фильтром и входным преобразователем электропривода.

В.3 Входные фильтры

В.3.1 Высокочастотный ЭМС фильтр

Высокочастотный ЭМС фильтр используется для ограничения высокочастотной эмиссии электропривода в соответствии с IEC 61800-3 с целью ограничения помех радиопередаче. Максимальная допустимая электромагнитная эмиссия электропривода зависит от той среды, в которой он используется.

В общем случае проектное решение высокочастотного фильтра ЭМС зависит от соответствующих параметров совместимого оборудования, рассмотрение которых включает следующие обстоятельства:

- малые токи утечки в соответствии с IEC 61800-5-1 (например, при использовании приборов токов утечки или с пределом тока 3,5/10 мА для проверки требований к размерам проводника защитного заземления);

- длина экранированного кабеля на двигатель;

- требования в различных условиях использования по IEC 61800-3.

Это потребует различного дизайна ЭМС фильтра, включая катушку, следовательно повлияет на потери в фильтре.

Потери в радиочастотных фильтрах могут оказывать ощутимое влияние на потери в электроприводе, особенно при его малых мощностях.

В.3.2 Низкочастотный линейный гармонический фильтр

Низкочастотный линейный гармонический фильтр в ряде случаев используют для уменьшения искажений напряжения источника питания, чтобы обеспечить совместимость с другими нагрузками, подключенными к этому же источнику (см. рисунок В.3).

Входной линейный гармонический фильтр, как правило, содержит по крайней мере один последовательный реактор L ₂. Более совершенные конструкции фильтра включают дополнительно параллельный конденсатор и 2-й реактор L ₁.

Рисунок В.3 - Однофазный линейный гармонический фильтр

Как описано в В.2, ослабление гармоник ведет к сокращению потерь в источнике питания. С другой стороны, индуктивные компоненты фильтра увеличивают реактивную мощность электропривода, повышая потери в источнике. Дополнительные потери создаются в самих компонентах фильтра. Эти позитивные и негативные эффекты растут с увеличением мощности фильтров.

В.4 Входной преобразователь

В.4.1 Общие положения

Входной преобразователь передает энергию от трехфазного источника питания к звену постоянного тока. В настоящее время известны два схемотехнических решения входного преобразователя: диодный выпрямитель и активный выпрямитель.

В.4.2 Диодный выпрямитель

Диодные выпрямители - наиболее экономичное решение входного преобразователя. Прямая передача энергии от источника к нагрузке сопровождается низким уровнем потерь благодаря малому прямому падению напряжения на диодах и низкой частоте коммутации, равной частоте питания. Стандартная схема представлена на рисунке В.4.

С другой стороны, диодные выпрямители создают довольно большие гармоники в токе источника, которые обусловливают увеличение потерь в источнике. Как показано в 8.3.2, эти гармоники могут быть снижены линейными реакторами, катушками в звене постоянного тока или линейными гармоническими фильтрами, каждый из которых, в свою очередь, имеет потери.

При обратном потоке энергии от нагрузки диодный преобразователь не может рекуперировать энергию в источник питания. Энергия, генерируемая нагрузкой, при торможении, например, должна быть рассеяна в резисторах. В тех применениях, где часто востребованы подобные режимы, существенно снижается общая энергоэффективность системы (см. 5.5). Если несколько инверторов подключены к общему звену постоянного тока, генерируемая ими энергия от нагрузки может перераспределяться между ними через это звено.

В частном случае диодного выпрямителя некоторые или все диоды могут быть заменены тиристорами. Поскольку эти тиристоры в основном используют для предварительного заряда конденсаторов звена постоянного тока, поведение данного выпрямителя идентично работе диодного в обычных рабочих режимах. Прямое падение напряжения на тиристорах незначительно выше, чем на диодах, поэтому потери при использовании тиристоров во входном преобразователе несущественно превышает потери в диодном.

Рисунок В.4 - Диодный преобразователь на входе электропривода

В.4.3 Активный выпрямитель

В.4.3.1 Активный выпрямитель с высокой частотой коммутации

Поведение активного выпрямителя (active infeed converter, AIC) детально описано в IEC TS 62578. В отличие от диодного, активный выпрямитель способен в генераторных режимах работы двигателя передавать энергию источнику, значительно повышая благодаря этому энергоэффективность системы в целом. Кроме того, данные выпрямители имеют и другие преимущества, например позволяют компенсировать сетевые гармоники и реактивную мощность, стабилизировать напряжение звена постоянного тока. Структура активного выпрямителя представлена на рисунке В.5.

Стандартные активные выпрямители содержат на входе IGBT мост. Полупроводниковые ключи работают с высокой частотой, позволяя преобразователю потреблять практически синусоидальный ток из сети с управляемым фазовым углом между током и напряжением. Реактивная мощность и гармоники тока сводятся к минимуму и, как следствие, снижают потери в источнике питания.

Рисунок В.5 - Электропривод со стандартным активным выпрямителем

Однако полупроводники имеют дополнительные коммутационные потери из-за высокой частоты переключения, а схемотехника включает реакторы или высокочастотные фильтры, также увеличивающие потери. Кроме того, напряжение в звене постоянного тока в случае применения активных выпрямителей с высокой частотой коммутации выше, чем в пассивных выпрямителях, за счет чего потери в этом звене, а также потери в спящем режиме также растут.

Однофазные схемы коррекции коэффициента мощности (power factor correction circuits, PFC) аналогичны по поведению стандартным активным выпрямителям. Они также позволяют потреблять из сети практически синусоидальный ток с оптимальным фазовым углом, требуя в то же время линейных реакторов и имея потери. Основная разница заключается в том, что они не позволяют возвращать энергию в сеть.

В.4.3.2 Активный выпрямитель с коммутацией на основной частоте

Особая разновидность активных выпрямителей имеет входной мост IGBT, управляемый на частоте питающей сети. Благодаря такому способу управления импульсами на основной частоте (fundamental frequency frontend, F3E-AIC) потери уменьшаются до уровня подобных в диодном выпрямителе и сохраняется способность отдавать энергию нагрузки источнику питания. Кроме того, данный способ не приводит к увеличению напряжения звена постоянного тока и не требует в обязательном порядке применения линейных реакторов.

Данный тип активных выпрямителей, представленный на рисунке В.6, имеет весьма высокую энергоэффективность.

Рисунок В.6 - Электропривод с активным выпрямителем с коммутацией на основной частоте

В.4.4 Коэффициент мощности входного преобразователя

Коэффициент мощности входного тока определяют как отношение активной входной мощности к кажущейся входной мощности комплектного преобразователя. При синусоидальном входном напряжении он зависит от формы тока.

Рисунок В.7 - Типичная форма тока на входе диодного выпрямителя

Если звено постоянного тока содержит большую емкость для снижения входных пульсаций, увеличиваются пики потребляемого выпрямителем тока и, соответственно, уменьшается коэффициент мощности. С уменьшением емкости пульсации снижаются.

Более подробная информация о топологиях входных звеньев преобразователя имеется в IEC/TS 62576. Значения для различных топологий представлены в таблице В.1.

Таблица В.1 - Значения для различных топологий входных звеньев преобразователя

Топология входного звена	Значения
Большая емкость конденсатора, подавление на входе 0,5 %	0,6
Большая емкость конденсатора, подавление на входе 4 %	0,7
Малая емкость конденсатора в соответствии с IEC/TS 62576	0,9
На входе высокочастотный активный выпрямитель	1,0

В.5 Звено постоянного тока

Звено постоянного тока преобразователя со свойствами источника напряжения содержит емкость, которая обычно образуется включением большого количества электролитических конденсаторов. В 400-вольтном трехфазном преобразователе напряжение звена постоянного тока выше допустимого напряжения стандартных легкодоступных по коммерческим соображениям электролитических конденсаторов. По этой причине конденсаторы соединяют последовательно, а для выравнивания напряжения на них параллельно им устанавливают резисторы.

Рисунок В.8 - Звено постоянного тока

Совокупное эквивалентное сопротивление R создает одну из составляющих потерь в звене постоянного тока. В математической модели эта составляющая выражена в 1-м слагаемом формулы (12). Поскольку каждый конденсатор требует определенного сопротивления для симметрирования, эта часть потерь пропорциональна номинальному выходному току комплектного преобразователя. Кроме того, она пропорциональна квадрату напряжения звена постоянного тока. Коэффициент k1 _{DC_link} может быть вычислен по формуле

.

(В.3)

Вторая часть потерь в звене постоянного тока создается эквивалентными внутренними сопротивлениями конденсаторов R _s1. Потери выделяются в основном на шестикратной частоте основной гармоники сетевого напряжения и пропорциональны квадрату входного тока выпрямителя. Коэффициент k2 _{DC_link} может быть рассчитан по нижеприведенному алгоритму.

1) Потери в конденсаторе обычно указывают в таблицах, и они зависят от тангенса угла потерь tg на частоте /2 (50 или 60 Гц). Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора рассчитывают по следующей формуле:

.

(В.4)

2) Общее результирующее сопротивление R _s комплекта конденсаторов звена постоянного тока рассчитывают исходя из схемы последовательно и параллельно соединенных конденсаторов С ₁.

3) Коэффициент k2 _{DC_link} определяют по формуле

.

(В.5)

В звене постоянного тока могут быть использованы реакторы постоянного тока. При их эксплуатации обычно не применяются сглаживающие фильтры переменного тока во входном фильтре. Если имеют значение энергоэффективность и стоимость капитальных вложений, реакторы постоянного тока и реакторы переменного тока имеют равноправное значение.

Рисунок В.9 - Звено постоянного тока с дополнительными реакторами

В некоторых типах преобразователей значение емкости в звене постоянного тока незначительное. В таких случаях целесообразно использовать конденсаторы на более высокое напряжение, но меньшей емкости, избегая последовательных звеньев, что позволяет обойтись без балластных сопротивлений и уменьшить тем самым потери.

В.6 Выходной инвертор

Выходные инверторы в комплектных преобразователях со свойствами источника напряжения обычно представляют собой трехфазный мост. Переключение полупроводников с высокой частотой по принципу широтно-импульсной модуляции (см. рисунок В.10) позволяет получить требуемую частоту вращения вала двигателя, подключенного к инвертору.

Рисунок В.10 - Выходной инвертор комплектного электропривода

Потери инвертора можно рассматривать как совокупность потерь включенного состояния и коммутационных потерь. Оба типа снижаются с развитием технологии полупроводников - как их структуры, так и материалов.

С точки зрения пользователя, потери в выходном инверторе зависят от частоты коммутации. Ее уменьшение приводит к снижению потерь в инверторе, однако в то же время увеличивает потери в двигателе и опциональных цепях выходного фильтра. Оптимальное по энергоэффективности решение может быть достигнуто разработкой правильной комбинации данных подсистем (см. рисунок 14).

В.7 Выходной фильтр и кабели двигателя

В.7.1 Общие положения

Рисунок В.11 - Кабели к двигателю и опциональный выходной фильтр комплектного электропривода

Выходной инвертор обычно работает с высокой частотой коммутации во избежание больших потерь. Если не установить дополнительный фильтр, показанный на рисунке В.11, пики перенапряжения, возникающего на клеммах двигателя из-за отраженной волны напряжения, могут достигать двукратного напряжения звена постоянного тока и становиться опасными для изоляции. Данный эффект возникает при длине кабеля (который соединяет инвертор с двигателем), превышающей критическое значение, вычисляемое по формуле

.

(В.6)

При типичном времени нарастания напряжения t _r = 200 нс и скорости волны напряжения v = 150 м/мс критическая длина кабеля составляет l _crit = 15 м.

Указанные перенапряжения наносят повреждения изоляции, однако заметно не увеличивают потери.

В некоторых случаях выходные фильтры используют для уменьшения уровня перенапряжения и уменьшения длины кабеля. Некоторые типы фильтров, оказывающие влияние на энергоэффективность, описаны ниже.

В.7.2 Синусные фильтры

Синусные фильтры используют для отсечения частоты коммутации в выходном напряжении инвертора. Они обычно содержат по крайней мере одну индуктивность и одну емкость для формирования фильтра 2-го порядка. Резонансную частоту синусного фильтра выбирают ниже частоты коммутации инвертора.

При работе без синусного фильтра импульсы напряжения создают пульсации тока двигателя, создавая дополнительные потери, описанные в IEC/TS 60034-25. Синусный фильтр значительно снижает эти потери.

Однако синусный фильтр создает некоторые потери, выделяющиеся в меди и стали реактора фильтра. Известно, что эти потери при номинальной частоте вращения двигателя не превышают 0,5 % номинальной мощности инвертора для мощных электроприводов и 0,8 % - для электроприводов малой мощности. При уменьшении частоты вращения двигателя данные потери также уменьшаются.

Синусный фильтр также создает дополнительное падение напряжения и может вызвать снижение диапазона регулирования, особенно при низких частотах коммутации, в связи с чем данный тип фильтра в ряде случаев неприменим.

В.7.3 Фильтры dV/dt и реакторы двигателя

Фильтры dV/dt используют в целях уменьшения фронта нарастания напряжения, ослабляя тем самым нагрузку на изоляцию двигателя. По схемотехнике они близки к синусным фильтрам, однако их резонансную частоту выбирают значительно выше частоты коммутации, что определяет небольшие габариты данных фильтров. Форму напряжения на двигателе эти фильтры не меняют, она остается подобной форме выходного напряжения инвертора на рисунке В.12. На потери двигателя фильтры dV/dt также не влияют.

Потери в фильтрах dV/dt пропорциональны частоте коммутации инвертора и могут достигать 1 % от номинальной мощности электропривода. При частоте коммутации 500 Гц обычно потери в фильтре dV/dt не превышают 0,25 % от номинальной мощности. Точное значение потерь может быть получено при конкретной рабочей частоте коммутации.

В комплектных электроприводах с высокой частотой коммутации вместо фильтров dV/dt для уменьшения нагрузки на изоляцию могут быть использованы реакторы. Потери в них примерно равны потерям в синусных фильтрах, однако положительное влияние на изоляцию не так значительно, как при применении фильтров. На потери в двигателе они также не влияют.

Рисунок В.12 - Типичная форма выходного напряжения инвертора и напряжения на двигателе при использовании синусного фильтра

В.7.4 Высокочастотные ЭМС фильтры двигателя

Высокочастотные ЭМС фильтры двигателя подобные, но не идентичные фильтрам, описанным в В.3.1, и могут быть также использованы на выходе инвертора. Их влияние на потери подобно влиянию входных ЭМС фильтров.

В.7.5 Кабели двигателя

Данные кабели соединяют комплектный преобразователь с двигателем. Резистивный характер их сопротивления определяет потери, требующие учета при значительной длине кабеля. Поскольку она различна при разных применениях, потери не могут привязываться к комплектному электроприводу, а должны быть учтены в каждом конкретном случае. Как правило, потерями в кабелях можно пренебречь, если их длина не превышает 25 м. Большая часть потерь обусловлена основной гармоникой тока двигателя, а влиянием высших потерь можно пренебречь. Если вместо трехжильных кабелей используют одножильные с индивидуальным экранированием, возникают дополнительные потери в оболочке кабеля.

В.8 Двигатель

Методика расчета потерь в двигателе как при питании от источника синусоидального напряжения, так и импульсами от инвертора изложена в IEC 60034-2-1 и IEC TS 60034-2-3. Дополнительные вентиляторы и тормоза являются частью электромеханической системы.

В.9 Механическая нагрузка

Потери в нагрузке зависят от того механизма, в котором применен электропривод. Потенциал энергосбережения путем оптимизации движения механизма обычно гораздо выше потерь в комплектном электроприводе, поэтому основное внимание при проектировании электромеханического комплекса должно быть уделено организации движения с минимумом потерь, как показано в приложении А.

В.10 Потери на управление и спящий режим

Потери на управление не зависят заметно от номинальной мощности преобразователя. Для оценки этого типа потерь целесообразно рассматривать систему управления и автоматизации в целом как выполняющую функции управления электроприводом, коммуникации, управления дополнительным оборудованием, например датчиками положения или тормозами. В электроприводах малой мощности (не более 500 Вт) данные потери могут быть одного порядка с потерями в силовом канале, представляя все меньшую долю при увеличении мощности электропривода.

Кроме потерь в системе управления собственно преобразователем присутствуют потери на управление вспомогательными устройствами во включенном режиме, такими как вентиляторы в системе принудительного охлаждения. Данные потери, как и в предыдущем случае, не зависят от мощности преобразователя.

Потери на управление и спящий режим P _L,control выделяются и в том случае, когда преобразователь включен, а двигатель не работает. Как правило, они в один - три раза меньше потерь в рабочем режиме. Их влияние на суммарные потери жестко связано с режимом работы исполнительного механизма. Кроме того, они зависят от требований к механизму в части времени пробуждения и коммуникаций.

В.11 Потери на охлаждение

В.11.1 Потери первичной охладительной системы

Первичное охлаждение компонентов электропривода, показанное на рисунке 11, обеспечивается в основном первичной охладительной системой (воздушное или жидкостное охлаждение), интегрированной в комплектный преобразователь или электропривод. Охлаждение может включаться и отключаться в функции температуры или управляться от преобразователя, а также быть неуправляемым.

В.11.2 Потери вторичной охладительной системы

Все компоненты электромеханического комплекса, показанные на рисунке В.1, выделяют потери в виде тепла. Во многих применениях это тепло требуется отводить, для чего предназначена вторичная охладительная система.

Типичным примером вторичной охладительной системы является система кондиционирования, поддерживающая температуру в обслуживаемом помещении ниже определенного значения. Все потери, выделяемые в помещении, включая и потери системы управления, должны быть нейтрализованы охлаждением. Как минимум, вторичная охладительная система должна нейтрализовать потери самого комплектного преобразователя. В этом случае потребление энергии вторичной охладительной системой может составить до 20 % от потерь комплектного преобразователя.

В ряде применений охлаждения могут потребоваться также двигатель и исполнительный механизм. Эти потери должны быть приняты во внимание разработчиком электромеханического комплекса и не отражены в настоящем стандарте.