Спробуйте, шановні читачі, уявити сучасний світ без електроенергетики, і вам, поза всяким сумнівом, стане сумно Бо на думку спадає картина з позаминулого століття: парові машини, гасові лампи, гужові вози, конки У цьому світі, позбавленому пристроїв отримання та перетворення електроенергії, ми не побачимо на вулицях ні автомобілів, ні трамваїв, ні тролейбусів, ні «електричок», ні електричних ліхтарів Ми не виявимо в ньому ні компютерів, ні телефонів, ні радіоприймачів з телевізорами Величезна кількість важливих і корисних речей стануть непотрібними тільки лише тому, що їх нічим буде живити Звідси ми легко зможемо укласти, що наявність електричної енергії – це необхідна умова для вирішення переважної більшості сучасних завдань, які ставить перед нами життя в нашому часі

Практика XX в показала, що електрика є найбільш зручним і універсальним видом енергії, який має сенс виробляти, передавати на великі відстані і перетворювати в інші види енергії (Механічну, теплову і т д) Саме тому електроенергетика зайняла в нашому сучасному житті настільки міцне місце Але процес вироблення електроенергії є досить складним у технічному відношенні, так що прорахунки в цій області часто призводять до катастрофічних наслідків Наприклад, в результаті техногенної катастрофи, що трапилася в Москві навесні 2005 р, коли відбулося відключення електроенергії в частині районів міста, тільки в одних ліфтах було заблоковано 1500 чоловік, не кажучи вже про припинення подачі електроенергії в системи забезпечення лікарень, на дорожні світлофори, насосні станції подачі води, холодильники У грудні 2008 року в Каракасі, столиці Венесуели, в результаті короткого замикання був повністю знеструмлений місто, через що життя в ньому повністю паралізувало Владі довелося визволяти людей з застрягли ліфтів, закривати метро і евакуювати пасажирів На щастя, нафтопереробні заводи в передмістях Каракаса були оснащені власними генераторами, так що техногенних катастроф НЕ відбулося За підрахунками фахівців, енергетична катастрофа, яка сталася в 2003 р в Нью-Йорку і тривала 29 годин, обійшлася США в 1 млрд доларів

Один з істотних прорахунків сьогоднішнього часу, що не приводить до техногенних катастроф, але, тим не менш, що змушує задуматися фахівців – це неуважне ставлення до витрачання енергетичних ресурсів З дитинства нам знайомий заклик «виходячи – гасіть світло» І ці слова не можна назвати порожніми Зрозуміло, що будь-який виробник товару змушений закладати ціну витрачених енергетичних ресурсів (у тому числі витрачених «вхолосту», для роботи малоефективного устаткування) у вартість своєї продукції, а отже, зростає її ціна і знижується конкурентоспроможність на ринку аналогічних товарів Саме тому у всьому світі все більше і більше уваги приділяється проблемам енергозбереження, тобто підвищення ефективності використання виробленої енергії Якщо до теперішнього часу питання, повязані з розширенням виробництва, вирішувалися простим збільшенням споживання енергії, будівництвом нових електростанцій, то зараз перспективні фірми прагнуть використовувати нове енергозберігаюче обладнання, направляючи на його придбання значну частку капіталовкладень Економічні розрахунки показують, що нові енергозберігаючі технології дуже швидко окупаються за витратами, а рентабельність виробництва настільки ж стрімко зростає

Дані сучасних статистичних досліджень показують, що близько 65% електричної енергії в світі споживається електродвигунами різного призначення, наприклад, насосами, вентиляторами, тягловими електродвигунами електротранспорту Класичні нерегульовані приводні електродвигуни на сьогоднішній момент практично вичерпали свої можливості щодо підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) Потужною альтернативою нерегульованим електроприводу є використання так званого енергозберігаючого регульованого електроприводу При використанні цієї технології електродвигун підключається НЕ безпосередньо до мережі змінного струму, а до спеціального пристрою з назвою «статичний перетворювач електроенергії» Статичний перетворювач – це електронний силовий пристрій, яке дозволяє задати частоту обертання електродвигуна, причому не тільки вручну, але і автоматизованим способом, отримуючи керуючий сигнал від компютера, оснащеного спеціалізованою програмою

За оцінками дослідників ринку перетворювальної техніки, на сьогоднішній момент в індустріально-розвинених країнах досягнуто співвідношення між нерегульованим і регульованим електроприводом порядку 1: 1, і незабаром регульований (частотний) електропривод буде превалювати над нерегульованих Цікаво відзначити, що за даними Інституту електроенергетики США, в період з 1985 по 1995 р була проведена реконструкція 60-ти енергоблоків теплоелектростанцій, де було встановлено близько 300 частотно-регульованих пристроїв електропривода в діапазоні потужностей від 630 до 4500 кВт Річний економічний ефект від впровадження нових технологій висловився в економії 1 млрд кВт • год електричної енергії Ті ж дані щодо Росії, на жаль, набагато менш скромні: регульований привід становить не більше 5% від загальних обсягів приводної техніки Це означає, що промислове виробництво в нашій країні до цих пір живе «по старинці», особливо не піклуючись про підвищення ефективності використання енергії, або тільки мріючи про це в умовах відсутності вільних коштів на модернізацію Тим не менше, і у нас намітилися позитивні зрушення Наприклад, в період з 1995 по 2005 р фахівці ВАТ «ВНІІЕ» впровадили на ряді теплоелектростанцій 28 частотно-регульованих перетворювача в діапазоні потужностей від 500 до 4000 кВт, що економить до 100 млн кВт • год на рік [3]

Аналогічна ситуація складається в області електротранспорту Крім проблем енергозбереження, тут істотним є надійна робота тяглового електродвигуна, оскільки, якщо орієнтуватися на статистичні дані, 50% несправностей електровозів, тролейбусів, вагонів метро і трамваїв повязані саме з несправністю електродвигуна Традиційно в цій галузі техніки використовуються колекторні двигуни постійного струму, частоту обертання яких неможливо регулювати простими і надійними методами Застосування асинхронних двигунів змінного струму (АТЕД) з частотним регулюванням дозволяє не тільки докорінно переглянути ідеологію конструювання електротранспорту, але істотно скоротити відсоток відмов, повязаних з виходом з ладу електродвигунів, розширити діагностичні можливості, попередити розвиток відмов на ранній стадії Більш того, асинхронні електродвигуни при тій же потужності, що і синхронні постійного струму, мають в 1,5 (в середньому) рази знижені габарити

Ще одна область застосування частотно-регульованого електроприводу – це ліфтове господарство і підйомне устаткування (тельфери, лебідки, крани) Щорічне споживання енергії в даній галузі у нас в країні становить 1 млрд кВт • год Тому стає зрозумілим, наскільки вона енергоємна і який економічний ефект можна досягти бт застосування перетворювальної техніки, якщо врахувати, що, застосувавши частотні перетворювачі, можна знизити енергоспоживання електрообладнання ліфтів на 40 .. 60% Крім того, використання «Частотник» підвищує комфортність руху кабін, забезпечує безшумність руху і високу точність позиціонування при зупинці [4]

А тепер давайте оцінимо перспективи використання регульованого електроприводу в ліфтовому господарстві з точки зору ємності ринку споживання цієї технології За оцінками, наведеними на сайті компанії «Ліфт-Комплект» [5], в одній тільки Москві в даний час знаходиться в експлуатації близько 120 тисяч пасажирських і вантажних ліфтів, «левова частка» яких вже виробила 25-річний ресурс, і число таких застарілих ліфтів зростає з кожним роком Чи потрібно говорити, що такі ліфти не тільки підлягають ремонту за правилами технічної експлуатації як виробили закладений ресурс, але навіть – виходячи з простого здорового глузду – Стають потенційно-небезпечними для життя і здоровя людей Здоровий глузд також підказує, що повна заміна обладнання виявиться набагато більш витратною завданням, ніж розумна модернізація, особливо в умовах економічної кризи

Застосування регульованого електроприводу в ліфтовому господарстві дозволяє знизити експлуатаційні витрати і підвищити міжремонтний період Так, класичний електродвигунами необхідно замінювати (або, по Принаймні, проводити його капітальний ремонт) раз на 5-10 років, а двигун, керований перетворювачем, прослужить без заміни весь 25-річний ресурс До того ж, відпадає необхідність використання двухскоростного двигуна, замість якого застосовується одношвидкісний електродвигун, що володіє меншими габаритами і вартістю

Статичні перетворювачі для реалізації регульованого електроприводу можуть працювати як з електродвигуни з ротором короткозамкненого типу, так і сполучатися з високошвидкісними синхронними електродвигунами Пуск електродвигунів в будь-якому випадку здійснюється плавно, з виключенням електродинамічних навантажень в його обмотках і ударних навантажень в механізмах приводу, в результаті чого збільшується термін служби як електродвигуна, так і сопрягаемого з ним устаткування Зявляється можливість відмовитися від технічно складних механічних редукторів і варіаторів, забезпечити роботу на знижених частотах обертання із зменшенням циклічних динамічних і вібраційних навантажень на підшипники, елементи кріплення, фундаменти електродвигунів Зупинка електропривідними агрегату за рахунок рекуперативного електричного гальмування забезпечує повернення електроенергії в мережу живлення Коефіцієнт корисної дії пристроїв частотно-регульованого електроприводу може досягати 98% За оцінками фахівців, застосування частотно-регульованого електроприводу може забезпечити економію електроенергії близько 50% порівняно з нерегульованим варіантом

Великі неприємності споживачеві електроенергії може доставити нестабільність її електричних параметрів У цьому випадку говорять про «якість» електроенергії, прагнучи за допомогою відповідних технічних коштів забезпечити стабільність за величиною напруги, частоти, синусоидальности і т д Велика кількість споживачів, включених в мережу змінного струму, робить істотний вплив на параметри електричної напруги та струму Один з характерних побутових прикладів – включення потужної навантаження і повязані з ним «осідання» напруги, що виражаються в миганні освітлювальних ламп Інша вельми неприємна ситуація повязана з атмосферними явищами, і, зокрема, з грозовими розрядами, що потрапляють у промислові мережі Дуже часто грозовий розряд виводить з ладу персональні компютери, що не мають автономних джерел живлення Причому вихід з ладу «персоналок» може бути як невідновлювальних, так і тимчасовим, що вимагає простий перезавантаження, але, тим не менш, повязаним з частковою або повною втратою даних («Зависання» або збої) За статистикою, середні втрати робочого часу в США з причини виходу з ладу «персоналок» через фактора «якості» електроенергії становлять близько 9% Щоб захиститися від подібних факторів нестабільності живлячих напруг і звести до мінімуму безповоротні втрати електронної техніки, широко використовуються статичні перетворювачі електроенергії, звані «джерелами безперебійного харчування »(ІБП) Джерела безперебійного живлення, або, як їх називають, «бесперебойнікі», у своєму складі мають електронну схему, яка формує вихідну напругу із заданими параметрами стабільності та частоти, не залежними від параметрів вхідного напруги Крім цього, у складі ДБЖ завжди є акумулятор, який живить ДБЖ (а, відповідно, і навантаження) в моменти зникнення мережевої напруги На основі ДБЖ розробляються так звані «системи гарантованого електроживлення» (СГЕ), які забезпечують якісною електроенергією багатокімнатні офісні приміщення і навіть цілі підприємства Структура систем гарантованого електроживлення може бути найрізноманітнішою, але їх ядром завжди виступають статичні перетворювачі Проектування систем СГЕ сьогодні стає все більш і більш актуальним завданням, оскільки зростає число виробництв, в яких використовується безперервний цикл роботи Таким чином, СГЕ може забезпечити як підтримання параметрів живлення в період між відмовою основного харчування та переходом на резервні джерела, так і надання часу на завершення процесу за відсутності резерву

Величезний клас задач забезпечення електроживленням повязаний з перетворенням напруги трифазної мережі 380 В або однофазної мережі 220 В частотою 50 Гц в напруги змінного струму підвищеної частоти або напруги постійного струму Традиційно ці завдання вирішувалися за допомогою електромашинних перетворювачів обертового типу (ЕМП) Фахівцям добре відомі обертові перетворювачі серій ATT, ATO, АТП, ЕМУ, які поставлялися десятиліттями і до цих пір продовжують експлуатуватися на різних промислових обєктах і обєктах спеціального призначення Істотними недоліками обертових перетворювачів, крім низького ККД (не більше 60%) і коефіцієнта потужності (0,6 .. 0,7), слід назвати високий рівень цзлучаемого шуму, значний час, що витрачається на ремонт та обслуговування Крім того, досвід останнього десятиліття показав, що відсутність потреби в електромашинних перетворювачах, повязане з скороченням будівництва нових обєктів, призвело до втрати виробничих технологій і повного згортання їх виробництва у нас в країні Саме тому, коли потреба у звязку із зростанням виробництва в перетворювачах зросла, на перший план вимушено (що виявилося досить до речі) вийшли статичні перетворювачі

Які переваги статичних перетворювачів електроенергії в порівнянні з електромашинними По-перше, підвищений ККД, що становить в середньому 85 .. 95% По-друге, значно знижені габарити, скорочення яких є наслідком підвищення ККД: так як розсіюється теплові втрати менше, немає необхідності в нарощуванні розмірів радіаторів силових елементів і тепловиделяющіхелементов По-третє, посколькустатіческіе перетворювачі розробляються на основі електронної елементної бази, в їх складі можна застосовувати програмовані елементи (спеціалізовані мікроконтролери), що дозволяє розробляти досконалу систему управління та діагностики По-четверте, статичні перетворювачі легко можуть бути побудовані на основі блочно-модульного принципу з швидкою заміною відмовили вузлів Переваги такої побудови очевидні: при відмові одного з блоків не буде потрібно демонтаж приладу цілком, необхідно лише замінити відмовив блок на справний за кілька хвилин і ввести перетворювач в стрій Більш того, можна нарощувати сумарну потужність перетворювачів, забезпечивши їх синхронну паралельну роботу По-пяте, статичні перетворювачі не потребують складної пускорегулирующей апаратурі, яка традиційно є сцутніком ЕМП, займає багато місця і розміщується всередині додаткових громіздких електрощитів За своєю суттю, статичний перетворювач зовні являє собою «чорний ящик», який легко розмістити в зручному місці, доступному для проведення регламентних робіт

Звернемо увагу читача на ще одна важлива обставина: в умовах дефіциту електроенергетичних ресурсів провідні промислові країни прагнуть, поряд з традиційними, освоювати і неохоплених джерела енергії Так, наприклад, в Європі з успіхом навчилися використовувати енергію вітру Власне, ідея ця не нова: для її реалізації на валу електрогенератора встановлюється лопатева вертушка, яку обертає потік повітря, що набігає, і генератор перетворює механічну енергію в електричну Однак в прикладному сенсі ідея довгий час залишалася нереалізованою, оскільки її масовому використанню супроводжували непереборні труднощі у вигляді нестабільності електричних параметрів вироблюваної енергії, тимчасової нестабільності повітряного потоку Тільки з появою статичних перетворювачів вітроенергетика стала серйозною галуззю електроенергетики, і доказом цьому служить величезна кількість «вітряків», що покрили територію сучасної Європи, Утворився ринок вітроенергетичного обладнання, лідируюче положення на якому посідає Німеччина, по території країни розкидано близько 17 тисяч «вітряків», а 70% вироблюваного устаткування поставляється на експорт – у США, Великобританію, Іспанію, Китай У загальносвітовому масштабі кількість вітроелектростанцій щорічно збільшується на 25%, і якщо в 1991 р тільки в одній Німеччині вироблялося близько 100 МВт на рік, то до 2007 р ця цифра досягла 23000 МВт, що в економічному відношенні виражається в економії 1 млрд євро на традиційних джерелах енергії та заходи щодо зниження викиду вуглекислого газу в атмосферу Частка вітроенергетики в економіці Німеччини поки невелика – всього 8%, але потужні роботи в цьому напрямку позволятдовесті через 10 років цю цифру до 20% [6]

Основний принцип роботи сучасного «вітряка» – це підключення електрогенератора до спеціального стабілізуючому преобразователю, який формує з високою точністю вихідні параметри напруги і струму, а також запасає енергію в акумуляторної батареї на випадок відсутності вітряного потоку Кілька вітряків, таким чином, можуть обєднуватися в мережу для підвищення вихідної потужності, утворюючи вітроелектростанцію Світовий досвід експлуатації вітроелектростанцій показав, що вже сьогодні ці джерела енергії можуть надійно живити невеликі міста без використання інших джерел енергії Тому, у звязку з бурхливим зростанням ринку вітроенергетичного обладнання, в номенклатурі провідних фірм-виробників силовий елементної бази зявляються електронні компоненти і готові статичні перетворювачі, орієнтовані виключно на застосування в вітроенергетичних установках На жаль, наша країна і тут значно відстає від світового досвіду, в цілому, однак, усвідомлюючи необхідність вести роботи в цьому напрямку Сьогодні в Калінінградській області вже працює експериментальний «вітряк», на черзі – освоєння просторів Ленінградської області Не виключено, що вітчизняні розробники перетворювальної техніки незабаром приступлять до реалізацією цього завдання, використовуючи передовий світовий досвід

Ми коротко назвали основні області застосування статичних перетворювачів у сучасній техніці і можемо переходити до розгляду основних схем побудови і конструктивних виконань названих перетворювачів Але попереджаємо читача: номенклатура їх настільки широка, що навряд чи нам вдасться розглянути всі можливі виконання, тому торкнемося головні і найбільш характерні технічні реалізації, які допоможуть зорієнтуватися в неосяжному світі перетворювальної техніки

Джерело: Семенов Б Ю Силова електроніка: професійні рішення – М: СОЛОН-ПРЕСС, 2011 – 416 c: Ил