Повышение качества жизни людей взаимосвязано с увеличением материального производства и потреблением энергии, повышением производительности труда и научно-техническим прогрессом. Одним из важных направлений решения задач устойчивого развития общества, снижения энергетической составляющей во внутреннем валовом продукте государства и защиты окружающей природной среды является плавное управление потоком энергии, который поступает на технологическую установку из системы электроснабжения.
Распространенный способ энергосбережения путем отключения потребителей электрической энергии с помощью коммутационного оборудования от источников энергии обусловлен энтропией энергии и оправдан при сезонных и суточных циклах изменения мощности в электроэнергетической системе. Причины снижения энергетической эффективности системы и качества электрической энергии в сети при сокращении продолжительности цикла изменения мощности контактными и полупроводниковыми регуляторами можно определить уточнением теории энергетических процессов. В режимах работы электроэнергетической системы, когда за время цикла изменения мощности технологических установок 1 час и менее работа сторонних сил источника энергии не изменяется по различным причинам (инерционность оборудования, работа по формированию в сети стандартных электрических величин, технологическая и экономическая целесообразность корректировки работы энергоисточника), то баланс мощности, обоснованный теоремой Умова-Пойнтинга, в системе нарушается
, (1)
где SG – мощность источника энергии, характеризующая работу сторонних сил источника энергии за все время цикла изменения мощности,
P – активная мощность, характеризующая необратимо преобразованную электрическую энергию в иной вид энергии,
Q – реактивная мощность.
Реактивная мощность сокращает продолжительность необратимого преобразования электрической энергии в иной вид энергии из-за реактивных элементов в электроэнергетической системе, когда часть времени работы источника энергии затрачивается на изменение электромагнитной энергии и на энергообмен.
Корректировка известного закона сохранения энергии необходима как для выявления причин неудовлетворительной работы оборудования отечественного и импортного производства, так и для определения перспективных направлений дальнейшего развития техники. В связи с тем, что правая часть неравенства (1) реализуется во время проводящего состояния силовых полупроводниковых приборов (СПП) регуляторов мощности, а во время паузы (непроводящего состояния СПП) поток энергии не поступает к потребителю энергии, то с помощью ΔS можно характеризовать работу источника энергии во время паузы [1] за цикл изменения мощности в электроэнергетической системе (2)
. (2)
Мощности можно измерить приборами или рассчитать, используя мгновенные значения электрических величин путем разложения их в ряд Фурье [2] и расчета действующих значений напряжения и тока.
Полная мощность на входе полупроводникового регулятора мощности
, (3)
где U – действующее значение напряжения на входе регулятора,
I – действующее значение тока на входе регулятора.
Мощность представляет собой составляющую полной мощности на входе полупроводникового регулятора мощности, характеризующая ту часть электрического потенциала системы электроснабжения, которая не используется для ее необратимого преобразования в иной вид энергии или с помощью этой части электрического потенциала не обеспечивается энергообмен в системе. Так как напряжение прикладывается к СПП полупроводникового регулятора мощности во время их непроводящего состояния (во время паузы между импульсами), то данную составляющую полной мощности можно рассчитать по формуле (4) или по показаниям измерительных приборов
(4)
где 
– действующее значение напряжения k-й составляющей ряда Фурье на входе регулятора мощности во время непроводящего состояния СПП;
Ik – действующее значение тока одноименной k-й составляющей ряда Фурье на входе регулятора мощности;
– действующее напряжение, которое прикладывается к регулятору мощности во время непроводящего состояния СПП;
k – номер составляющей ряда Фурье.
Активная мощность
, (5)
где Uc0, Uсk – соответственно постоянная составляющая напряжения и действующее значение напряжения k-й гармоники на входе регулятора мощности во время проводящего состояния полупроводниковых приборов;
I0, Ik – соответственно постоянная составляющая тока и действующее значение тока одноименной k-й гармоники на входе регулятора мощности;
φk – угол сдвига по фазе k-й гармоники тока относительно одноименной гармоники напряжения на входе регулятора мощности,
n – номер последней из учитываемых гармоник.
Реактивная мощность
(6)
Мощности можно рассчитать по формулам (3 − 6) с высокой точностью при помощи современных компьютерных программ, а на практике измерить величины приборами, по их показаниям рассчитать отдельные составляющие выражения (2) и проверить баланс мощности.
Для оценки работы электроэнергетической системы можно аналитически обосновать перспективные направления разработки полупроводниковых регуляторов мощности.
Из выражения (2) с учетом (3 − 6) следует
(7)
Минимальный действующий ток в системе электроснабжения регуляторов мощности технологических установок при выполнении работы, которая характеризуется активной мощностью P, зависит от действующего напряжения на входе регулятора U, от реактивной мощности Q и напряжения UP. Из-за работы источника энергии во время энергообмена между реактивными элементами и источником энергии сокращается продолжительность необратимого преобразования электрической энергии в иной вид энергии. Из-за работы источника энергии во время непроводящего состояния СПП регулятора за цикл изменения мощности сокращается продолжительность необратимого преобразования электрической энергии в иной вид энергии и электрический потенциал системы электроснабжения не используется для выполнения работы.
Для обеспечения эффективной работы энергетической системы нельзя сокращать продолжительность необратимого преобразования электрической энергии в иной вид энергии (7). Различные способы импульсного управления потоком энергии полупроводниковыми регуляторами мощности вызывают нелинейные искажения кривой мгновенных значений напряжения в питающей сети.
Баланс мощности (2) проверен с помощью математического моделирования с использованием программы Matlab в электрических цепях переменного (Рис. 1) и постоянного (Рис. 2) тока с полупроводниковыми регуляторами напряжения и резистивной нагрузкой R. Геометрическая разность полной мощности SG и мощности ΔS равна активной мощности P, не зависит от способа импульсного управления СПП регуляторов. При напряжении источника энергии 100 В используется 50 В для преобразования электроэнергии в тепловую энергию резистора R, а другая часть напряжения источника UP = 86 В прикладывается к СПП регуляторов во время их непроводящего состояния. Такие же результаты получены [1] с применением полупроводниковых регуляторов мощности с пакетным управлением напряжения, с частотно-импульсной и широтно-импульсной модуляцией напряжения.
Рис. 1. Математическая модель энергетических процессов в электрической цепи переменного тока
Регулирование мощности за счет сокращения продолжительности преобразования электрической энергии в тепловую энергию и формирования UP вызывает значительные нелинейные искажения формы кривой мгновенного значения тока, поэтому коэффициент искажения формы кривой тока Ki= 0,93 (Рис. 1, 2).
Баланс мощности (2) можно применить для оценки энергетической эффективности коэффициент мощности KM как в цепях переменного тока, так и в цепях постоянного тока. В рассмотренных примерах полупроводниковыми приборами регулятора мощности сокращается продолжительность необратимого преобразования электрической энергии в тепловую энергию, которая выделяется в резисторе R, поэтому ΔS = 4300 ВА в цепи переменного и в цепи постоянного тока. Коэффициент мощности KM полупроводникового регулятора с резистивной нагрузкой (Рис. 1, 2) равен.
. (8)
Рис. 2. Математическая модель энергетических процессов в электрической цепи постоянного тока
Продолжительность необратимого преобразования электрической энергии в иной вид за цикл потребления энергии не сокращается коммутационным оборудованием, если регулирование мощности выполняется за счет изменения электрического сопротивления элементов электроэнергетической системы. Не случайно, в бытовых электроплитах регулирование мощности конфорок выполняется переключением секций нагревателей с последовательного соединения на смешанное и на параллельное соединение. Таким же образом выполняется регулирование скоростного и тягового режима электроподвижного состава железнодорожного и городского транспорта, когда путем группировки тяговых электродвигателей изменяется их общее эквивалентное электрическое сопротивление. В стабилизаторах напряжения, в тяговом электроприводе широко применяется способ многозонного регулирования мощности за счет изменения входного электрического сопротивления трансформатора переключением секций его обмоток. В электрических сетях для поддержания отклонения напряжения в допустимых пределах применяются в силовых трансформаторах переключение без возбуждения (ПБВ) и регулирование под нагрузкой (РПН). С изменением коэффициента трансформации изменяется входное электрическое сопротивление трансформатора с нагрузкой.
Проверенная многолетней практикой эффективность различных технических решений регулирования мощности потребителей энергии путем изменения электрического сопротивления и недостатки регуляторов напряжения подтверждают правомерность аналитических выражений (2 – 7) для характеристики физических процессов в энергетической системе.
В Иркутском государственном университете путей сообщения разработаны несколько способов и устройств изменения входного электрического сопротивления для регулирования мощности в процессе потребления и передачи электрической энергии [3]. Разработанные полупроводниковые регуляторы мощности в отличие от известных аналогов отечественного и импортного производства приобретают свойство электрического полупроводникового вариатора (Рис. 3), его высокая энергетическая эффективность и электромагнитная совместимость даже с резистивной нагрузкой, реализуется на всем диапазоне регулирования мощности без применения дополнительного оборудования для компенсации так называемых «мощности сдвига» и «мощности искажения».
Из выражений (7, 8) следует, что активную мощность Р = 2500 Вт при полном использовании напряжения U = 100 В можно получить снизив в два раза действующий ток в электрической цепи по сравнению с известными аналогами путем увеличения входного электрического сопротивления регулятора мощности с нагрузкой, при этом потери мощности в системе электроснабжения и во входных элементах регулятора мощности снижаются в 4 раза. В электроприводе за счет уменьшения на входе электрического полупроводникового вариатора (ЭПВ) динамических токов на этапах пуска, трогания и разгона электродвигателей значительно снижаются потери энергии в электроэнергетической системе и устраняется отрицательное воздействие привода на показатели качества электрической энергии в сети.
Рис. 3. Математическая модель электрического полупроводникового
вариатора с резистивной нагрузкой
Нелинейные искажения формы кривой мгновенных значений тока (Ki = 0,1) электрическим полупроводниковым вариатором снижаются, поэтому нелинейные искажения формы кривой напряжения в системе электроснабжения будут меньше нормально допустимого уровня.
Выводы:
- Корректировка математического выражения закона сохранения энергии позволяет учитывать объективные физические процессы при регулировании мощности в электроэнергетических системах и разрабатывать технические решения для энергосбережения и электромагнитной совместимости ее элементов.
- Задача бережного использования электрической энергии решается путем регулирования мощности в процессе потребления и передачи энергии без сокращения продолжительности необратимого преобразования электрической энергии в иной вид энергии.
- Использованием в качестве параметра управления мощностью в электроэнергетических системах электрического сопротивления элементов вместо общепринятого напряжения в известных аналогах обеспечивается практически непрерывное преобразование электрической энергии в иной вид энергии за цикл изменения мощности.
- Регуляторы мощности за счет изменения входного электрического сопротивления в процессе передачи и потреблении электроэнергии приобретают свойство электрических вариаторов, обеспечивают высокую энергетическую эффективность и электромагнитную совместимость элементов системы без применения дополнительного оборудования.
Список литературы:
- Алексеева Т.Л. Электронные преобразователи для ресурсосберегающих технологий / Т.Л. Алексеева, Н.Л. Рябченок, Н.М. Астраханцева, Л.А. Астраханцев. – Иркутск: ИрГУПС, 2010. – 240 с.
- Власова Е.А. Ряды / Е.А. Власова, В.С. Зарубина, А.П. Крищенко. – М.: МГТУ им Н.Э. Баумана, 2006. – 615 с.
- Патент на изобретение № 2427878. Российская Федерация. Способ и устройство регулирования мощности нагрузки / Н.Л. Рябченок, Т.Л. Алексеева, Л.А. Астраханцев и другие. Опубликован в Б.И., № 24, 2011.[schema type=»book» name=»ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЕ УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ» description=»Уточнением закона сохранения энергии получены новые оценки взаимодействия элементов электроэнергетической системы, подтверждены практическими примерами и математическим моделированием с применением спектрального анализа, позволяют специалистам разрабатывать и применять перспективные полупроводниковые регуляторы мощности для управления технологическими процессами. » author=»Астраханцев Леонид Алексеевич, Алексеева Татьяна Леонидовна, Рябченок Наталья Леонидовна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-02″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_27.06.2015_06(15)» ebook=»yes» ]