Энергосберегающая и энергетическая электроника: «Энергосберегающая энергетическая электроника» – конспект лекции

573 – Южно-Уральский государственный университет

1. Студенту
2. Расписание занятий
3. Политехнический институт
4. Пз-573

Обновлено 01.12.2022
В расписании возможны изменения — пожалуйста, уточняйте в деканатах.

Время	Подгруппа	Место	Дисциплина
Понедельник, 19.09.2022
13:35 — 16:55		445/2	Техника высоких напряжений Лекции
17:05 — 20:20		251/1	Электротехнологические промышленные установки Лекции
Вторник, 20.09.2022
15:20 — 18:40		380/1	Системы электроснабжения Лекции
Среда, 21. 09.2022
11:30 — 13:35		526/1	Электротехнологические промышленные установки Практические занятия и семинары
13:35 — 15:10		153/1	Энергосберегающая энергетическая электроника в системах электроснабжения Лекции
15:20 — 18:40		243/2	Экономика предприятия Лекции
Четверг, 22.09.2022
11:30 — 15:10		378/1	Практикум по виду профессиональной деятельности Практические занятия и семинары
15:20 — 18:40		243/2	Экономика предприятия Лекции
Пятница, 23.09.2022
13:35 — 16:55		153/1	Энергосберегающая энергетическая электроника в системах электроснабжения Лекции
17:05 — 20:20		453/1	Перенапряжения в системах электроснабжения Лекции
Суббота, 24. 09.2022
08:00 — 11:20		484/3	Экономика предприятия Практические занятия и семинары
13:35 — 16:55		155/1	Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения Лекции
Понедельник, 26.09.2022
11:30 — 13:05		153/1	Энергосберегающая энергетическая электроника в системах электроснабжения Лекции
13:35 — 16:55		251/1	Техника высоких напряжений Практические занятия и семинары
Вторник, 27.09.2022
09:45 — 13:05		153/1	Энергосберегающая энергетическая электроника в системах электроснабжения Практические занятия и семинары
15:20 — 16:55		380/1	Системы электроснабжения Лекции
17:05 — 18:40		380/1	Системы электроснабжения Практические занятия и семинары
Среда, 28. 09.2022
08:00 — 11:20		155/1	Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения Лекции
15:20 — 16:55		380/1	Системы электроснабжения Лекции
Четверг, 29.09.2022
09:45 — 11:20		526/1	Электротехнологические промышленные установки Практические занятия и семинары
11:30 — 15:10		378/1	Практикум по виду профессиональной деятельности Практические занятия и семинары
Пятница, 30.09.2022
13:35 — 16:55		147/1	Перенапряжения в системах электроснабжения Практические занятия и семинары
Понедельник, 09.01.2023
13:35 — 16:55		251/1	Техника высоких напряжений Лабораторные занятия
Вторник, 10. 01.2023
13:35 — 16:55		251/1	Техника высоких напряжений Зачет,диф.зачет
Среда, 11.01.2023
09:45 — 13:05		153/1	Энергосберегающая энергетическая электроника в системах электроснабжения Зачет,диф.зачет
13:35 — 16:55		147/1	Перенапряжения в системах электроснабжения Лабораторные занятия
Четверг, 12.01.2023
13:35 — 16:55		153/1	Перенапряжения в системах электроснабжения Зачет,диф.зачет
Пятница, 13.01.2023
15:20 — 18:40		378/1	Практикум по виду профессиональной деятельности Курсовая работа
Суббота, 14. 01.2023
09:45 — 13:05		378/1	Практикум по виду профессиональной деятельности Зачет,диф.зачет
13:35 — 16:55		380/1	Системы электроснабжения Курсовой проект
Понедельник, 16.01.2023
09:45 — 13:05		380/1	Системы электроснабжения Зачет,диф.зачет
15:20 — 16:55		120/2	Экономика предприятия Консультация к промежуточной аттестации
Вторник, 17.01.2023
09:45 — 13:05		120/2	Экономика предприятия Экзамен
Среда, 18.01.2023
13:35 — 16:55		153/1	Электротехнологические промышленные установки Лабораторные занятия
Четверг, 19. 01.2023
13:35 — 15:10		153/1	Электротехнологические промышленные установки Консультация к промежуточной аттестации
Пятница, 20.01.2023
09:45 — 13:05		153/1	Электротехнологические промышленные установки Экзамен
Суббота, 21.01.2023
09:45 — 13:05		155/1	Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения Зачет,диф.зачет
Вторник, 24.01.2023
09:45 — 13:35		380/1	Практикум по виду профессиональной деятельности Практические занятия и семинары
Среда, 25.01.2023
09:45 — 13:35		380/1	Практикум по виду профессиональной деятельности Практические занятия и семинары
Четверг, 26. 01.2023
09:45 — 13:05		380/1	Эксплуатация электрооборудования систем электроснабжения Лекции
Суббота, 28.01.2023
09:45 — 13:05		380/1	Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения Практические занятия и семинары
Вторник, 31.01.2023
13:35 — 15:10		380/1	Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения Практические занятия и семинары
Среда, 01.02.2023
09:45 — 11:20		378/1	Системы электроснабжения Практические занятия и семинары

Энергосберегающая установка для испытания электрической машины

Все статьи цикла

Введение

Создание эффективных средств экспериментальных исследований электрических машин является актуальной научно-технической и производственной задачей, обычно реализуемой с помощью стендового испытательного оборудования, которое должно обеспечивать:

• возможность комплексных испытаний электрических машин в широком диапазоне статических и динамических режимов, в том числе режимов наработки (выработки ресурса) и контроля технического состояния;
• требуемую точность и стабильность воспроизведения режимов испытаний;
• точность измерения контролируемых параметров и определения оценок показателей технического состояния и надежности.

Наряду с автоматизацией технологического процесса испытаний, включающей измерение, визуализацию, сбор, хранение и обработку экспериментальных данных, воспроизведение различных тестовых и эксплуатационных режимов и многое другое, эти стенды характеризуются двумя принципиальными особенностями:

1. Имеется замкнутый электромеханический контур, состоящий из двух электромеханических систем и позволяющий обеспечивать передачу энергии между ними, при этом одна из электромеханических систем обеспечивает прямую передачу энергии (работает в двигательном режиме), а вторая передает энергию в противоположном направлении (работает в генераторном режиме) [2, 4]. Тем самым создается взаимное нагружение испытуемых систем.
2. Благодаря искусственно организованной энергетической связи между двумя отмеченными системами мощность от внешнего источника энергии расходуется только на компенсацию потерь, и ее потребление минимально. Таким образом, достигается значительная экономия энергии, что особенно актуально для мощных приводов в процессе длительных ресурсных испытаний [2, 3].

В статье идея построения испытательной установки с замкнутым энергетическим контуром для взаимного нагружения электромеханических систем рассмотрена применительно к электрической машине ветрогенератора фирмы JMB Wind Engineering, выпускающей небольшие ветрогенераторы с вертикальной осью вращения [17].

Цель данной публикации — продемонстрировать возможности построения такой установки и оценить ее энергоэффективность, для чего и были решены следующие задачи:

• аналитическое описание и расчет энергетических характеристик установки;
• разработка виртуальной модели установки и осуществление модельного исследования;
• сравнение результатов аналитического расчета и моделирования, проверка адекватности разработанных моделей;
• расчет и построение энергетических характеристик, исследование энергетической эффективности установки и выработка рекомендаций ее практического построения.

Конструкция генератора

Фото электрической машины ветрогенератора фирмы JMB Wind Engineering приведено на рис. 1а. Машина содержит две секции, каждая из которых представляет собой трехфазную синхронную магнитоэлектрическую машину (СММ) с 12 парами полюсов. Конструкция статора одной фазы машины показана на фотографии (рис. 1б). По данным изготовителя, вся машина спроектирована на максимальную мощность 22 кВт с 24 парами полюсов (11 кВт и 12 пар полюсов на каждую секцию).

Рис. 1. Внешний вид генератора фирмы JMB Wind Engineering

Структурная схема испытательной установки

В основу разработки нагрузочной установки для исследования электрической машины ветрогенератора положены отмеченные особенности ее конструкции. Функциональная схема такой установки приведена на рис. 2. Она имеет две отдельные электромеханические системы, чьи электрические машины связаны общим валом. Синхронная магнитоэлектрическая машина (СММ1) с автономным инвертором (АИ) и его системой управления (СУАИ) образует электропривод, в котором регулятором скорости (РС) поддерживается заданная скорость (w*_m) вращения общего вала.

Рис. 2. Функциональная схема нагрузочной установки

Синхронная магнитоэлектрическая машина (СММ2) с активным выпрямителем (АВ) и его системой управления (СУАВ) работает в генераторном режиме, где регулятором тока (РТ) поддерживается заданный момент (T*_e = c_TpI*_q) на общем валу машины.

Датчик положения ротора (ДПР) обеспечивает синхронизацию угла поворота вала с фазой управления преобразователями (АИ, АВ) и ориентацию управляющего сигнала по оси, перпендикулярной полю ротора СММ2.

Автономный инвертор и активный выпрямитель запитываются от одного источника постоянного напряжения, которым может служить выпрямитель с фильтром, аккумулятор или суперконденсатор.

Аналитический расчет энергетических характеристик установки

В стабилизированном режиме работы всей установки при одинаковых параметрах электрических машин электромагнитные процессы в них описываются уравнениями:

в которых, вследствие наличия общего механического вала, следует принять:

Векторная диаграмма, построенная по уравнениям (1), (2), представлена на рис. 3.

Рис. 3. Векторная диаграмма установки

Геометрические соотношения векторной диаграммы позволяют рассчитать электромагнитные и энергетические характеристики системы:

1. Токи и напряжения в каждой машине:

2. Активную и реактивную мощность в каждой машине:

P₁ = U₁I₁cosd₁ = (E_q + rI_q)I_q,

Q₁ = U₁I₁sind₁ = xI²_q,

P₂ = U₂I₂cosd₂ = (E_q + rI_q)I_q,

Q₂ = U₂I₂sind₂ = –xI²_q,                 (4)

где углы нагрузки определяются из уравнений:

3. Мощность, потребляемая системой от источника питания постоянного тока, рассчитывается по уравнению:

P_dc = P₁ – P₂ = 2rI²_q.                                        (6)

Энергетические характеристики системы, рассчитанные по уравнениям (4), (6) и представляющие собой зависимости активных мощностей от скорости и момента, приведены на рис. 4 и 6.

Рис. 4. Энергетические характеристики установки при изменении скорости и Те = 400 Н•м

Рис. 5. Энергетическая эффективность установки при изменении скорости

Энергетическая эффективность применения установки, обозначенная К_р, оценивается как отношение суммарной электрической мощности машин СММ1 и СММ2 к мощности, потребляемой от источника постоянного напряжения, она представлена на рис. 5 и 7. При изменении скорости вращения вала машины и постоянном моменте энергетическая эффективность растет. При изменении момента и постоянной скорости энергетическая эффективность падает.

Рис. 6. Энергетические характеристики установки при изменении момента и w_m = 30 рад/с

Рис. 7. Энергетическая эффективность установки при изменении момента

Для оценки совместного влияния заданного режима работы в электроприводе (w*_m), реализованном на машине СММ1, и заданного режима работы генератора (I*_q), реализованного на машине СММ2, на рис. 8–10 представлены энергетические характеристики всех блоков установки в пространственных координатах. Проекции рассчитанных поверхностей на основную плоскость представляют собой зависимости между управляющими сигналами, при которых рассчитываемая мощность остается постоянной. Так, для мощностей в электроприводе (Р₁) и генераторе (Р₂) эти зависимости близки к параболической, а мощность в источнике питания (Р_dc) практически не зависит от скорости и определяется только моментом на общем валу.

Рис. 8. Энергетические характеристики электропривода установки

Рис. 9. Энергетические характеристики генератора установки

Рис. 10. Энергетические характеристики источника питания установки

Энергетическая эффективность всей установки представлена на рис. 11. Зависимость между управляющими сигналами, при которых К_р постоянен, здесь является линейной и поддерживается в ограниченном диапазоне изменения момента и скорости. Увеличение К_р приводит к сокращению диапазона изменения скорости и момента, при которых К_р постоянен. Для разработчика системы управления установкой эта характеристика позволяет оценить требуемую мощность источника питания и определить соответствующий диапазон изменения момента и скорости установки. Например, для машины в 20 кВт и К_р = 20 мощность источника должна быть не менее 1 кВт, момент не должен превышать 200 Н·м, а скорость должна быть не менее 6 рад/с. При постоянном К_р реализация в действующей установке линейной зависимости управляющих сигналов скорости и момента осуществляется достаточно просто.

Рис. 11. Энергетическая эффективность установки

Результаты моделирования испытательной установки

Модель установки для исследования энергетических характеристик системы, построенная в соответствии с функциональной схемой (рис. 2) в пакете SimPower System, представлена на рис. 12.

Рис. 12. Модель установки

Модель содержит две синхронные магнитоэлектрические машины со своими системами управления и измерительную часть.

Энергетические характеристики, полученные на модели (рис. 13 и 14), достаточно точно совпадают с вычисленными ранее при анализе (рис. 4, 6), что служит подтверждением адекватности проведенных исследований.

Рис. 13. Энергетические характеристики установки при изменении скорости и Te = 400 Н•м = const

Рис. 14. Энергетические характеристики установки при изменении момента и w_m = 30 1/с = const

Переходные электромеханические и электромагнитные процессы установки представлены на рис. 15. Качество переходных процессов определяется параметрами регулятора скорости и может изменяться в зависимости от задач, решаемых при проведении испытаний.

Рис. 15. Электромеханические и электромагнитные процессы установки

Заключение

В статье предложена и подтверждена возможность построения энергоэффективной установки для испытания синхронных магнитоэлектрических машин. Проведенные исследования показали, что потребляемая от источника мощность расходуется только на компенсацию электрических и механических потерь в замкнутом электромеханическом контуре. Результаты, полученные при исследовании, могут быть рекомендованы разработчику ветрогенератора для построения реальной испытательной установки и методики проведения ее испытаний.

В установках с подобной конфигурацией реализуется энергетическая обратная связь с рекуперацией энергии в сеть. Поэтому исследование энергетических и электромагнитных характеристик электрических машин может осуществляться без использования мощных источников питания, в том числе в лабораторных условиях. Указанная особенность таких установок может быть весьма эффективно использована при проведении энергоемких ресурсных испытаний.

Кроме того, применение двух однотипных электрических машин, имеющих раздельные каналы управления, позволяет реализовывать произвольную программу испытаний, обеспечивая тестирование машин при различных скоростях и моментах, как в двигательных, так и в генераторных режимах работы. Результаты расчетов подтверждают возможность и целесообразность создания нагрузочных установок подобной конфигурации для повышения эффективности комплексных, в том числе ресурсных, испытаний электрических машин и мехатронных систем на их основе.

Литература

1. Динамическое моделирование и испытания технических систем. Под. ред. Кочубиевского И. Д. / М.: Энергия, 1978.
2. Потапов А. М., Мороз А. В., Савельев Б. Н., Загашвили Ю. В. Опыт создания автоматизированных двухместных моделирующих стендов для обеспечения эффективности и безопасности ресурсных испытаний гидроприводов. Новое в проектировании и эксплуатации автоматических приводов и систем гидроавтоматики / Л., ЛДНТП, 1984.
3. Потапов А. М., Мороз А. В., Савельев Б. Н., Маркелов А. С. Опыт создания моделирующих стендов для испытаний приводов робото­технических систем. Робототехнические системы комплексной автоматизации ядерной энергетики / Л., ЛДНТП, 1988.
4. А.с. СССР № 1435859. Стенд для испытаний двух объемных регулируемых гидропередач // БИ № 41, 07.11.88.
5. Герман-Галкин С. Г. Matlab — Simulink. Проектирование мехатронных систем / СПб., Корона Век, 2008.
6. Герман-Галкин С. Г., Загашвили Ю. В. Энергосберегающие стенды для комплексных испытаний электроприводов // Мехатроника, автоматизация, управление. № 2.
7. German-Galkin S., Tarnapowicz D. Energy optimization of mechatronic systems with PMSG. 3rd International Conference on Energy and Environmental Protection. Krakow, Poland, September 13–14, 2018.
8. Бродовский В. Н., Иванов Е. С. Приводы с частотно-токовым управлением / М. : Энергия, 1974.
9. Соколовский Г. Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием / М.: AKADEMIA, 2006.
10. Jiang J., Holtz J. An eficient braking method for controlled ac drives with a diode rectifer front end // IEEE Transactions on Industry Applications. 2001. Vol. 37. No. 5.
11. Rastogi M. P. W., Hammond P.W. Dual-frequency braking in AC drives // IEEE Transactions on Power Electronics. 2002. Vol. 17. No. 6.
12. Swamy M. M., Kume T., Yukihira Y., Fujii S., Sawamura M. A novel stopping method for induction motors operating from variable frequency drives // IEEE Transactions on Power Electronics. 2004. Vol. 19. No. 4.
13. Holtz J. Sensorless control of induction motor drives // Proceedings of the IEEE. 2002. Vol. 90. No. 8.
14. Jansen P. L., Lorenz R. D. Transducerless position and velocity estimation in induction and salient AC machines // IEEE Transactions on Industry Applications. 1995. Vol. 31. No. 2.
15. Ha J. I., Sul S. K. Sensorless feld-orientation control of an induction machine by high-frequency signal injection // IEEE Transactions on Industry Applications. 1999.Vol. 35. No. 1.
16. Bose B. K. Modern Power Electronics and AC Drives/ NJ: Prentice-Hall, 2002.
17. jmbwind.com/

Бытовая техника и электроника | Министерство энергетики

Энергосбережение

Изображение

Вы можете сэкономить деньги и энергию дома, выбрав энергосберегающие приборы и электронику и сократив количество их использования. Изучите следующие темы, чтобы сократить потребление электроэнергии и расходы на оплату счетов:

Оценка энергопотребления электроприборов и бытовой электроники

Узнайте, как оценить, сколько стоит эксплуатация ваших приборов и сколько энергии они потребляют.

Узнать больше

Снижение потребления электроэнергии и затрат

Сокращение потребления энергии в вашем доме экономит ваши деньги, повышает энергетическую безопасность, снижает загрязнение окружающей среды и снижает стоимость домашних систем возобновляемой энергии.

Узнать больше

Энергоэффективные компьютеры, оборудование для домашнего офиса и электроника

Узнайте, как экономить энергию и деньги за счет эффективного использования компьютеров, мониторов и периферийных устройств.

Узнать больше

Кухонная техника

Экономьте энергию на кухне с помощью этих советов по эффективному использованию посудомоечных машин, холодильников и других приборов.

Узнать больше

Прачечная

Экономьте энергию и деньги с помощью этих простых советов по стирке.

Узнать больше

Покупки бытовой техники и электроники

При покупке новых приборов учитывайте как покупную цену, так и эксплуатационные расходы.

Узнать больше

Приобретение и техническое обслуживание холодильников и морозильников

Выбирая энергосберегающие холодильники и морозильники, сертифицированные ENERGY STAR, а также используя и обслуживая их надлежащим образом, домохозяйство может значительно сэкономить на счетах за электроэнергию.

Узнать больше

Холодильник с морозильной камерой Советы по использованию и температуре

Эффективный холодильник с морозильной камерой — это здорово, но его эффективность можно повысить, если знать, как им пользоваться.

Узнать больше

Термоэлектрические охладители

Использование компрессионных систем — не единственный способ изготовления охлаждающих устройств. Термоэлектрическая генерация также может питать многие устройства или даже лучше, чем традиционные системы сжатия, в зависимости от местоположения и использования.

Узнать больше

Приобретение и техническое обслуживание устройства для смягчения воды

Умягчитель воды снижает жесткость воды, удаляя тяжелые минералы, такие как кальций, железо и магний, из воды, поступающей в дом, тем самым предотвращая распространенные проблемы с водой.

Узнать больше

Понимание и обращение с жесткой водой

Жесткая вода может повредить водопроводную систему дома. Понимание жесткой воды является ключом к устранению и устранению ее воздействия.

Узнать больше

Газовые и электрические духовки, плиты и плиты

В качестве основного компонента любой кухни важно понимать, как покупать и использовать энергосберегающие газовые и электрические духовки, плиты и плиты.

Узнать больше

Посудомоечные машины

Плиты, духовки и плиты являются основным продуктом любой кухни, и мы зависим от них в большей части нашей готовки. Таким образом, важно понимать их основные операции и то, как выбрать лучший прибор с учетом индивидуальных потребностей.

Узнать больше

Кухонная техника | Министерство энергетики

Энергосбережение

Изображение

На вашей кухне установлено множество энергопотребляющих приборов, и есть способы сократить их энергопотребление. Во-первых, покупайте максимально эффективные устройства. Сюда входят холодильники, посудомоечные машины и плиты. (В эффективности микроволновых печей нет большой разницы.) Определить наиболее эффективные модели очень просто: просто посмотрите на этикетку EnergyStar. Это гарантирует вам, что это одна из самых эффективных моделей.
     
Для холодильников избегайте автоматических льдогенераторов и диспенсеров для напитков, поскольку они вызывают больше поломок и утечек, а также увеличивают потребление энергии. Можете ли вы объединить один холодильник на двоих, который у вас уже есть? Второй холодильник с морозильной камерой, особенно старый, значительно увеличивает ваши затраты на электроэнергию.

Выбор наиболее эффективной печи также важен. Индукционные плиты в настоящее время являются наиболее эффективными и обладают функциями, недоступными для традиционных электрических или газовых плит. Индукционные плиты все еще дороже, но экономия энергии может окупить дополнительные расходы (особенно если вы готовите много).

Если вы не покупаете новые бытовые приборы, вы все равно можете практиковать энергосберегающее поведение. В некоторых случаях они могут сократить потребление энергии вдвое. Одними из наиболее эффективных методов сохранения являются 

• Покрытие сковородок/кастрюль
• Использование электрического чайника вместо горячей воды
• Полная загрузка посудомоечной машины перед мытьем
• Относительно небольшие меры, такие как сокращение количества открываний холодильника 
• Удаление дополнительных холодильников/морозильников
• Установка рычага смесителя на кухонной раковине в холодное положение при использовании небольшого количества воды; установка рычага в положение «горячая» подает горячую воду, даже если она никогда не достигает крана.
• Поиск синего пламени в приборах, работающих на природном газе; желтое пламя указывает на то, что газ сгорает неэффективно, и может потребоваться регулировка. Если вы видите желтое пламя, обратитесь к производителю или в местную коммунальную службу.
• Содержание в чистоте верхних горелок и отражателей; они будут лучше отражать тепло, и вы сэкономите электроэнергию.
• Использование закрытого чайника, кастрюли или электрического чайника для кипячения воды; это быстрее и использует меньше энергии.
• Соответствие размера кастрюли нагревательному элементу при приготовлении пищи.
• Использование микроволновой печи, когда это возможно
• Использование небольших электрических кастрюль, тостеров или конвекционных печей для приготовления небольших блюд, а не большой плиты или духовки. Тостер или конвекционная печь потребляют от одной трети до половины меньше энергии, чем полноразмерная духовка.
• Не устанавливайте холодильник или морозильник на слишком низкую температуру.