УДК 62-83:623 - Аргуссофт Компани

УДК 62-83:623
А.Д. Елисеев, кандидат техн. наук, вед. инженер-исследователь
(49232) 9-02-53, [email protected]
Россия, г. Ковров, ОАО «ВНИИ «Сигнал»
С.А.Фурсов, инженер-проектировщик, бренд-менеджер по продукции Nesscap
(495) 660 28 55 доб. 302, [email protected]
Россия, г. Москва, ООО «Аргуссофт Компани»
СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ NESSCAP ПОВЫШАЮТ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
В электроприводах, значительное время работающих в тормозных режимах
возникает проблема рассеяния механической энергии. К этому типу приводов относятся
механизмы с большим моментом инерции, например, приводы наведения и стабилизации
военного назначения, а также подъемно-транспортные механизмы (краны, лифты и т. д.).
Механическая энергия, как правило, переводится в тепло на тормозных резисторах,
например, фирм EAGTOP, SRF – Societa Italiana Resistor и др.
Основным способом повышения энергоэффективности таких приводов, питаемых
от сети переменного тока, является внедрение технологий рекуперации энергии в сеть или
в дополнительный накопитель энергии.
В первом случае применяется рекуперативный выпрямитель, реализующий
функцию свободного двунаправленного обмена энергией между питающей сетью и
нагрузкой. На российском рынке присутствуют электроприводы, комплектуемые такими
устройствами, мощностью до 55 кВт (серия электроприводов ЭПВ НИЛ «Вектор» ИГЭУ,
г. Иваново [1]. Электроприводы МК «Энергосбережение», серия преобразователей
частоты Altivar 71 совместного производства Schneider Electric и Toshiba [2] и др.).
Ограничивают внедрение данной технологии два обстоятельства: в сети переменного тока
не всегда присутствуют потребители, способные воспринять возвращаемую энергию,
особенно в автономных объектах; кроме того, могут возникнуть трудности с учетом
энергосбытовыми компаниями возвращенной энергии.
Альтернативное направление, связанное с применением в электроприводах
ёмкостного накопителя энергии (ЕНЭ) интенсивно развивается в зарубежных системах
высокоточных приводов [3]. Приводы с ЕНЭ лишены недостатков, свойственных
рекуперативным выпрямителям, и имеют дополнительные преимущества [4]:
– обеспечение безостановочной работы мощных приводов при глубоких просадках
напряжения сети или переключениях силового питания на резервный фидер;
– в электроприводе с накопителем наблюдаются существенно меньшие броски
тока, потребляемого из сети в пусковых режимах.
Наиболее эффективными элементами накопителя для электропривода являются
конденсаторы с двойным электрическим слоем (суперконденсаторы), сочетающие
высокую энергетическую плотность со способностью быстро отдавать энергию.
Накопитель на суперконденсаторах обеспечивает высокий КПД накопления и возврата
энергии рекуперативного торможения, компактен, не требует обслуживания и работает в
широком температурном диапазоне. Одним из ведущих мировых производителей таких
конденсаторов является корейская компания NESSCAP ENERGY, продукцию которой на
российском рынке представляет компания «Аргуссофт». По своим техническим
характеристикам суперконденсаторы NESSCAP не уступают лучшим мировым образцам
(табл.1, рис.1). Выбор продукции данной фирмы обусловлен также планирующимся
“Роснано” открытием производства суперконденсаторов NESSCAP в России и
возможностью компании «Аргуссофт», как официального дистрибьютора, поставлять
суперконденсаторы NESSCAP в два раза дешевле ближайших конкурентов. Накопители
на основе ячеек емкостью 100-350Ф способны обеспечить рекуперацию энергии приводов
1
мощностью 10-30кВт (рис.1). Как показывает анализ, проведенный ниже, актуальным для
электропривода также является разработка модулей накопителей емкостью 1-5Ф на
напряжение 70...170В.
ЕНЭ может быть неуправляемого (рис.2) или управляемого (рис.3) типов.
Накопитель первого типа подключается к звену постоянного тока (ЗПТ) непосредственно,
второго – содержит в своем составе двунаправленный транзисторный преобразователь
энергии, предназначенный для заряда-разряда накопителя.
Экономия энергии при установке накопителя неуправляемого типа в
электроприводе достигает 47.5–55.5% [4]. Его основным недостатком является то, что
ёмкость накопителя используется крайне неэффективно, «мертвый» объем составляет до
90% [5]. При использовании накопителя неуправляемого типа необходимо
дополнительное устройство для предварительного заряда ЕНЭ до номинального
напряжения звена постоянного тока, определяемого сетевым источником энергии (Uminн).
Таблица 1
Характеристики современных силовых суперконденсаторов
Тип, производитель
С0 , Ф
U0, В
Im, А
R0, Ом
ΔT, ºC
DxL, мм
50-150Ф
BCAP0050
Maxwell (США)
BCAP0100
Maxwell (США)
ESHSR-0100C0
Nesscap (Корея)
RSC2R7107S4
IOXUS (США)
CDLC101K2R7SR
Cornell Dubiller (США)
BCAP0150
Maxwell (США)
50
34
0.020
2.3
100
18x40
-40…+85
54
0.015
61.4
0.009
22x45
2.7
0.0036
-40…+65
95
0.0042
150
2.3
65
0.014
-40…+85
25x50
310-350Ф
ESHLR-0325C0
Nesscap (Корея)
BCAP0310
Maxwell (США)
RSC2R7357S4
IOXUS (США)
CDLC351K2R7SR
Cornell Dubiller (США)
325
310
350
2.7
271
0.0016
33x63
250
0.0022
33.3x61.5
243
0.0024
35x62
223
0.0032
35x59
-40…+65
Рисунок 1 – Суперконденсаторы ёмкостью 100Ф и 325Ф компании NESSCAP
2
Далее рассматривается обоснование применения накопителя управляемого типа, а
также разработка методик расчета параметров накопителя с целью улучшения
энергетических и массо-габаритных показателей привода.
Сеть
переменного тока
Выпрямитель
Зарядное
устройство
Накопитель
Инвертор
Двигатель
Рисунок 2 – Электропривод с накопителем неуправляемого типа
Сеть
переменного тока
Выпрямитель
Инвертор
Преобразователь
Двигатель
Накопитель
Рисунок 3 – Электропривод с накопителем управляемого типа
В неуправляемый накопитель может передаться максимальная величина энергии:
н
н
Cнн (U max
) 2 Cнн (U min
)2
н
W 

(1)
2
2
Где Снн – ёмкость накопителя, Umaxн, Uminн – максимальное и минимальное
напряжение накопителя. Предельное значение энергии, которое может запасти
управляемый накопитель, при полном его разряде:
у
Cну (U max
)2
y
W 
(2)
2
Отношение энергий для двух данных вариантов при равных величинах ёмкости
накопителя и максимального напряжения накопителя:
у
(U max
)2
Wy
(3)

н
н
W н (U max
) 2  (U min
)2
Для электропривода с накапливаемой энергией 16729.8 Дж [4], что соответствует,
например, движущемуся с угловой скоростью 60°/с инерционному объекту с моментом
инерции 30000 кг∙м2, это соотношение составляет 2.65 (Umaxн=650В, Uminн=513В), а
«мертвый» объем неуправляемого накопителя – 62%. Поскольку запасенная энергия
пропорциональна емкости накопителя, для аккумулирования той же энергии в варианте с
транзисторным преобразователем потребуется накопитель с емкостью, и соответственно
габаритами и стоимостью, в 2.65 раза меньше. При данном подходе максимальное
напряжение накопителя управляемого типа будет также повышено (до Umaxн) по
сравнению с напряжением ЗПТ, определяемым сетью.
3
Анализ современной элементной базы ЕНЭ показывает, что эффективным может
быть другой подход к построению ЕНЭ – увеличение емкости накопителя за счет
уменьшения числа последовательно соединенных элементов накопителя – ионисторов и
пропорционального уменьшения максимального напряжения накопителя. Если принять,
что ЕНЭ составлен из N последовательно соединенных ионисторов ёмкостью С0 на
напряжение U0, тогда их количество в накопителе неуправляемого типа:
н
U max
н
(4)
N 
U0
Ёмкость каждого из ионисторов:
C0  C н  N н
(5)
н
н
Для численных значений (Сн =0.21Ф), приведенных в [5], при U0=2.5 В N =260 шт,
С0=54.6Ф. Рассчитаем количество ионисторов Nу ёмкостью С0, максимальное напряжение
Umaxу и ёмкость накопителя Сну аналогичного накопителя управляемого типа. Накопители
способны аккумулировать равную максимальную энергию. Тогда:
у
2
н
2
н
2
у (U max )
н (U max )  (U min )
Cн
 Cн
(6)
2
2
С другой стороны:
C
CU
Cну  0у  0 у 0
(7)
N
U max
Подстановка (7) в (6) дает искомое максимальное напряжение накопителя:
н
н
C н [(U max
) 2  (U min
)2 ]
у
(8)
U max
 н
C0U 0
Для численных значений [4] Umaxу составит 245.12 В, Сну – 0.557 Ф, Nу – 98 шт.
Габариты накопителя также будут меньше в 2.65 раза. Данные для сети постоянного тока
напряжением 270 В приведены в таблице 2, элементы накопителя с преобразователем – на
рис.4.
Таблица 2
Характеристики накопителей для привода с накапливаемой энергией
16730Дж
Тип ЕНЭ
С н, Ф
Umax, В
Umin, В
N, шт
С0 , Ф
сеть ~380В
неуправляемый
управляемый
0.21
650
513
260
0.557
245.1
0
98
0.41
332.9
171
133
54.6
сеть =270В
неуправляемый
управляемый
0.76
342
270
137
2.04
128.7
0
51
1.486
175
90
70
104
Накопитель с такими параметрами будет иметь минимальные габариты. Однако,
необходимо сделать следующее замечание. При полном разряде ЕНЭ отводимая из звена
постоянного тока мощность равна 0. По мере заряда ёмкости накопителя отводимая
мощность, при постоянном токе разряда конденсатора ЗПТ IC линейно растет с
4
увеличением напряжения на накопителе UCн. Таким образом, ЕНЭ, с целью обеспечения
требуемого минимального уровня отвода энергии, должен быть предварительно заряжен
от сети.
2
1
4
3
Рисунок 4 – 3D модели элементов управляемого ЕНЭ в сравнении с блоком тормозных резисторов
1 – блок тормозных резисторов АЮИЖ.469139.067 (32 резистора ТВО-20-470 Ом –640 Вт); 2 –
суперконденсаторы NESSCAP ESHSR-0100C0 (72 шт – до 10кВт); 3 – транзисторный модуль; 4 – дроссель
Возможен вариант, при котором, пока ЕНЭ заряжается до необходимого
минимального уровня, энергия торможения поглощается конденсаторами ЗПТ. И в том и
другом случае расчет элементов ЕНЭ и преобразователя целесообразно, как показано
ниже, вести для минимальной величины напряжения накопителя, при которой в ЕНЭ
поглощается вся отдаваемая приводом энергия. Определение этой величины требует учета
нескольких факторов – количественного выигрыша в емкости накопителя, величины
потерь мощности на обмен энергией, габарита элементов ЕНЭ и преобразователя.
Очевидно, что чем меньше уровень предварительного заряда накопителя, тем
выгодней использовать накопитель управляемого типа. С другой стороны, чем меньше
этот уровень, тем больше ток заряда накопителя, и соответственно, потери мощности,
стоимость и габариты элементов накопителя. Это следует из известного соотношения для
понижающего преобразователя:
I
U
I Cн  C  I C C
(9)
kз
U Cн
Где IC и ICн – входной и выходной токи преобразователя, kз – коэффициент
заполнения при заряде. Поскольку потери мощности пропорциональны квадрату тока,
можно записать согласно (9) отношение потерь мощности в накопителе неуправляемого
типа при изменении величины предварительного заряда:
2
Р у ( I Сн ) 2
(k зу ) 2 U Cн



(10)
2
Р0у ( I Сн 0 ) 2 (k зу0 ) 2 U Cн
0
Отношение (10) для UCн0=27В приведено на рис. 5 (кривая 1).
Оценить «мертвый объем» накопителя, зависящий от величины предварительного
заряда, помогает следующий критерий. Это зависимость энергии накопителя от величины
напряжения накопителя, приведенная к энергии при UCн0=UС (кривая 2 на рис. 5):
у
2
2
U Cн
/ 2 U Cн
W у CCн


(11)
у
у
CCн
U C2 / 2 U C2
W0
5
P/P0,
W/W0,
о.е.
1
0.8
0.6
0.4
3
2
0.2
0.111
1
0
50
100
150
200
250
UСн, В
Рисунок 5 – Графический критерий оптимальной величины предварительного заряда
накопителя
1 – отношение потерь мощности в накопителях с различной величиной предварительного заряда; 2 –
зависимость энергии накопителя от напряжения предварительного заряда, приведенной к величине энергии
при Ucн0=270В; 3 – результирующая кривая, ординаты которой равны сумме ординат кривых 1, 2.
Поскольку по оси ординат отсчет ведется в относительных единицах, для
определения геометрического места оптимальных решений следует сложить ординаты
кривых 1 и 2 [6]. Таким образом, согласно полученному графическому критерию (кривая 3
на рис. 5) оптимальный уровень заряда составит 75-90 В. Если накопитель предварительно
заряжен до напряжения 90В, то его «мертвый объем» составит всего 11.1% (рис.5). В то
же время максимальное значение тока накопителя будет в 3.33 раза меньше, чем при
уровне заряда 27В, и максимальные потери в ЕНЭ составят 9% от потерь при уровне
заряда 27В (рис.5). Максимальное напряжение накопителя Umaxу также оказывает
существенное влияние на энергетические характеристики ЕНЭ. Это можно показать,
сравнивая потери мощности в ЕНЭ неуправляемого и управляемого типов. Пусть ЕНЭ
неуправляемого типа содержит Nн, а управляемого типа – Nу одинаковых
суперконденсаторов с внутренним сопротивлением R0. Тогда потери составят:
P н  I С2 R0 N н
(12)
Если пренебречь потерями в двунаправленном преобразователе можно записать:
2
2
I СнU Cн  I СU C  I Сн
R0 N у  I Сн
R0 N у  I СнU Cн  I СU C  0
(13)
Решая данное квадратное уравнение и отбрасывая отрицательный корень можно
получить:
2
у
2
P у ( U Cн  4 R0 N I СU C  U Cн )

(14)
Pн
4 I С2 R02 N у N н
Зависимость (14) приведена на рис. 6.
Построение ЕНЭ управляемого типа на максимальное напряжение менее 130–160 В
(в зависимости от величины R0) энергетически невыгодно в сравнении с ЕНЭ
неуправляемого типа.
Параметры накопителя (число суперконденсаторов, емкость, максимальное
напряжение) с учетом предварительного заряда до напряжения Uminу можно найти, решив
уравнение:
6
Ру/Рн,
о.е.
7
3
6
5
Ру>Рн
4
2
3
Ру<Рн
2
1
1
0
50
100
150
200
250
UСн, В
Рисунок 6 – Отношение потерь мощности в накопителях управляемого и неуправляемого типа
1 – R0=0.01Ом, 2 – R0=0.003Ом, 3 – R0=0.001Ом; Uc=270В, IС=50A, Nн=137шт, Nу=51шт
у
у
(U max
) 2  U max
Cнн
н
н
(U max
) 2  (U min
)2
у
 (U min
)2  0
C0U 0
(15)
В результате решения уравнения:
н
н
н
(U max
) 2  (U min
)2
(U н ) 2  (U min
)2 2
у
 [Cнн max
]  (U min
)2
(16)
2C0U 0
2C0U 0
Результаты решения (15,16) приведены в табл. 2. С учетом предварительного
заряда габариты накопителей управляемого типа будут меньше, чем неуправляемого не в
2.65, а 1.95 раза.
Моделирование электропривода в среде Matlab–Simulink подтверждает
полученные аналитическим путем результаты (Таблица 3, рис.7)
у
U max
 Cнн
Таблица 3
Энергопотребление привода с ЕНЭ различных типов в циклах разгон-торможение
средняя мощность
Тип схемы
3. ЕНЭ
управляемого
типа
возвращаемая*
Вт
%
2651
100
за 2 цикла
1802
64.61
в 1-м цикле
1325.5
100
во 2-м цикле
476.5
35.953
849
64.053
за 2 цикла
1950
73.61
701
35.952
в 1-м цикле
1325.5
100
во 2-м цикле
624.5
47.113
1. Блок тормозных резисторов
2. ЕНЭ
неуправляемого
типа
потребляемая
Вт
%
0
47.112
849
0
0
701
52.893
7
– по отношению к мощности с блоком тормозных резисторов;
– за 2 цикла;
3
– за 1 цикл, процентное отношение рассчитывается исходя из значения
потребляемой/возвращаемой мощности за цикл (1325.5 Вт).
1
2
Выводы:
1. Проведенное исследование позволяет сформулировать преимущества накопителя
управляемого типа:
– значительное уменьшение объемов накопителя за счет уменьшения «мертвого»
объема;
– реализация предварительного заряда накопителя;
– торможение может осуществляться без повышения напряжения в звене
постоянного тока;
– появляется возможность использовать накопитель на напряжение, меньшее, чем
напряжение звена постоянного тока, оптимизировать его характеристики с учетом
существующей элементной базы.
2. Путем аналитических расчетов и компьютерного моделирования обосновано
применение в электрических приводах с целью повышения их энергетических и массогабаритных характеристик накопителей энергии на базе суперконденсаторов и
двунаправленных преобразователей.
3. Предложена методика расчета параметров накопителя, позволяющая уменьшить
«мертвый объем» до 11.1%, минимизировав потери в накопителе.
8
i, А
u, В
250
uC
200
150
100
iR
50
iв
0
-50
2
4
6
8
10
12
14
с
10
12
14
с
а)
i, А
u, В
300
250
uC
200
150
100
iв
iCн
50
0
-50
0
2
4
6
8
б)
i, А
u, В
250
uC
200
uCн
150
100
iв
50
0
iCн
-50
0
2
4
6
8
10
12
14
t, с
в)
Рисунок 7 – Результаты моделирования привода: а) с тормозным резистором б) с накопителем
неуправляемого типа; в) с накопителем управляемого типа
Момент инерции нагрузки 30000 кг∙м2, максимальная угловая скорость 55°/с, момент трения
729 Н∙м
9
ЛИТЕРАТУРА
1. Виноградов А.Б., Сибирцев А.Н., Чистосердов В.Л. Новые серии
преобразователей частоты и объектно-ориентированный комплектный электропривод на
их основе. // Электротехника. – 2005. - №5. – С.47-54
2. Фролов Ю.М. Состояние и тенденции развития электропривода //
Электромеханические комплексы и системы управления. – 2006. - №1. – С.4-10.
3. Елисеев А.Д. Основные направления развития современных стабилизаторов
танкового вооружения // Известия Тульского государственного университета.
Технические науки. – №11, часть 2. – 2012. – С.3-9.
4. Браславский И.Я. и др. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод с
ёмкостным накопителем энергии// Электротехника. – 2012. - №9. – С.30-34.
5. Бродский Ю.А., Подаруев А.И., Пупынин В.Н., Шевлюгин М.В. Стационарная
система
аккумулирования
энергии
рекуперации
электроподвижного
состава
метрополитена на базе ёмкостных накопителей энергии // Электротехника. – 2008. - №7. –
С.38-41.
6.
Дабагян А.В. Проектирование технических систем. – М.: Машиностроение,
1986. – 256 с.
10