The questions connected with the investigation of new type of frequency-controlled electric drive with capacitive energy storages are considered. The experimental investigation results of transients and energy characteristics of electric drive with ultracapacitors are 
shown

Браславский, Исаак Яковлевич

Ишматов, Закир Шарифович

Плотников, Юрий Валерьевич

Полунин, Федор Анатольевич

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

 Проблемы автоматизированного электропривода 361 
Браславский И.Я., Ишматов З.Ш. Россия 
Плотников Ю.В., Полунин Ф.А. Екатеринбург 
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина 
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ В ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОМ 
ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ 
В настоящее время во всем мире пристальное внимание уделяется проблеме энергосбережения в промыш-
ленности и жилищно-коммунальном хозяйстве. Это связано с постоянным ростом тарифов на электрическую 
энергию и значительными капитальными затратами на установку новых генерируемых мощностей [1]. Как из-
вестно, основным потребителем электроэнергии в промышленности и ЖКХ является электропривод, доля ко-
торого составляет порядка 60 % от общего потребления электроэнергии. Основные пути энергосбережения в 
электроприводе широко известны [1] и постепенно внедряются в промышленности и ЖКХ. Наибольший эко-
номический эффект дает замена нерегулируемого электропривода на частотно-регулируемый в ряде производ-
ственных механизмов, таких как вентиляторы, компрессоры, насосы и другие виды турбомеханизмов, рабо-
тающих в продолжительном режиме. В то же время, например, в подъемно-транспортных механизмах сущест-
вуют дополнительные способы экономии электроэнергии даже после внедрения частотно-регулируемого элек-
тропривода. Такие механизмы работают в повторно-кратковременном режиме, в котором часто возникают тор-
мозные режимы работы электропривода при интенсивном замедлении или под действием активного момента 
статической нагрузки. При этом в большинстве преобразователей частоты вырабатываемая во время торможе-
ния энергия используется неэффективно и рассеивается на тормозном сопротивлении, установленном в звене 
постоянного тока преобразователя. Использование активного выпрямителя напряжения [2] решает проблему 
лишь отчасти, поскольку, помимо существенного повышения стоимости преобразователя, такой подход работа-
ет только в том случае, когда к сети подключено несколько потребителей. Если это условие не выполняется, то 
энергия, которая поступает в питающую сеть, формально теряется, поскольку в Российском законодательстве 
нет механизмов, которые позволяют продавать вырабатываемую энергию энергоснабжающей компании.  
В связи с этим поставлена задача исследования возможности использования емкостных накопителей энер-
гии в частотно-регулируемом электроприводе. Емкостные накопители энергии или так называемые суперкон-
денсаторы [3] представляют собой конденсаторы с двойным изолирующим слоем и имеют емкость на несколь-
ко порядков выше, чем у обычных современных конденсаторов. Идея состоит в том, чтобы во время тормозных 
режимов работы запасать энергию в суперконденсаторе, подключенном к звену постоянного тока преобразова-
теля частоты, и затем использовать ее в двигательном режиме работы электропривода. Предварительные расче-
ты и результаты математического моделирования показали существенный потенциал энергосбережения в час-
тотно-регулируемом электроприводе с суперконденсаторами по сравнению с традиционными преобразовате-
лями, в которых используется тормозной резистор [4, 5]. В докладе представлены результаты эксперименталь-
ных исследований на действующей лабораторной установке. 
В ходе экспериментальных исследований выполнены анализ переходных процессов в электроприводе,  за-
меры энергопотребления и их сравнение с результатами расчетов и математического моделирования.  
Проведение экспериментов направлено на исследование динамических режимов и энергопотребления сле-
дующих электроприводов: 
а) электропривода с «обычным» конденсатором и тормозным сопротивлением в звене постоянного тока. В 
таком электроприводе при тормозных режимах работы электродвигателя энергия торможения рассеивается на 
дополнительном сопротивлении. 
б) электропривода с блоком суперконденсаторов общей емкостью 0,21 Ф. В таком электроприводе энергия 
торможения запасается на конденсаторе и затем расходуется на работу электропривода в двигательном режиме. 
На рис. 1 представлены графики переходных процессов в электроприводе с «обычным» конденсатором 
(рис. 1а) и в электроприводе с суперконденсатором (рис. 1б). Номинальная мощность электропривода 3 кВт. 
В этом эксперименте электропривод отрабатывает тахограмму работы с участком пониженной скорости. 
Время разгона и торможения установлены равными 0,5 с. Из рисунка видно, что при отработке тахограммы в 
электроприводе без блока суперконденсаторов при переходе на пониженную скорость напряжение в звене 
постоянного тока начинает быстро нарастать и в работу вступает тормозное сопротивление. При использовании 
суперконденсаторов в этом режиме работы напряжение на конденсаторах остается практически постоянным и 
тормозное сопротивление не работает. 
Во втором случае (рис. 2) проводилось исследование режима работы электропривода со знакопеременной 
нагрузкой при постоянной скорости вращения асинхронного двигателя.  
В тормозных режимах работы «обычного» электропривода, как и в предыдущем эксперименте, периодиче-
ски вступает в работу тормозное сопротивление, и вся энергия торможения переходит в тепло. В электроприво-
де с суперконденсатором в тормозных режимах работы начинает увеличиваться напряжение в звене постоянно-
го тока, но оно не достигает значения, необходимого для включения тормозного сопротивления. Очевидно, что 
во втором случае электропривод будет потреблять меньше электроэнергии из питающей сети. Замеры энерго-
 Энергосбережение средствами электропривода 362 
потребления показывают, что электропривод с тормозным сопротивлением за 10 циклов работы (рис. 2) по-
требляет 0,043 кВт⋅час активной энергии, в то время как электропривод с суперконденсатором потребляет 0,029 
кВт⋅час, то есть на 32,5 % меньше. 
 
 
 
а) электропривод с тормозным сопротивлением б) электропривод с суперконденсатором 
 
Рис. 1. Осциллограммы переходных процессов при отработке тахограммы с участком пониженной скорости  
(1 – угловая скорость двигателя в % от номинального значения, 2 – напряжение в звене постоянного тока) 
 
 
 
а) электропривод с тормозным сопротивлением б) электропривод с суперконденсатором 
  
Рис. 2. Режим работы электропривода со знакопеременной нагрузкой (1 – угловая скорость двигателя в % от 
номинального значения, 2 – напряжение в звене постоянного тока, 3 – активная составляющая момента нагруз-
ки в % от номинального момента двигателя) 
 
Исследование других циклических режимов работы электропривода с суперконденсаторами показывает, что 
в зависимости от режима работы можно сэкономить до 50 % потребляемой активной энергии [6, 7]. Однако 
сроки окупаемости проектов по внедрению электроприводов с емкостными накопителями энергии в настоящее 
время остаются достаточно большими из-за высокой стоимости суперконденсаторов [2, 4].   
Проведенные экспериментальные исследования достаточно хорошо согласуются с результатами расчетов и 
математического моделирования [4, 6]. По результатам экспериментов можно сделать вывод, что использова-
ние частотно-регулируемого электропривода с емкостными накопителями энергии является перспективным 
направлением совершенствования технических и энергетических характеристик электроприводов. Однако су-
щественного снижения энергопотребления можно ожидать только для электроприводов, работающих в интен-
сивных повторно-кратковременных режимах.  
 
ЛИТЕРАТУРА 
1. Браславский И. Я., Ишматов З. Ш., Поляков В. Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод: 
Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. Под ред. И. Я. Браславского. – М.: Издательский центр «Акаде-
мия», 2004. 
2. Ефимов А. А., Шрейнер Р. Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменно-
го тока / Под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Р. Т. Шрейнера. Новоуральск: Изд-во НТИ, 2001. 
3. Шурыгина В. Суперконденсаторы. Размеры меньше, мощность выше. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Техно-
логия, Бизнес. 2009, № 7. 
4. Математическое моделирование частотно-регулируемого электропривода с емкостными накопителями 
энергии. Браславский И.Я., Поляков В.Н., Ишматов З.Ш., Плотников Ю.В., Костылев А.В., Эрман Г.З. Труды 
международной пятнадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока». Екате-
ринбург, 2012. 
5. Математические модели для определения энергопотребления различными типами асинхронных электро-
приводов и примеры их использования. Браславский И.Я., Плотников Ю.В. Электротехника № 9, 2005. 14-18 с. 
6. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод с емкостным накопителем энергии. Браславский 
И.Я., Ишматов З.Ш., Костылев А.В., Плотников Ю.В., Поляков В.Н., Эрман Г.З. Электротехника № 9, 2012. 30-
35 с. 
7. Использование емкостных накопителей энергии для улучшения эксплуатационных характеристик элек-
троприводов. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Костылев А.В., Плотников Ю.В., Поляков В.Н., Эрман Г.З. 
Труды VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу 
АЭП-2012. 46-50 с. 
 


Использование суперконденсаторов в частотно-регулируемом электроприводе

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository

 Проблемы автоматизированного электропривода 361 Браславский И.Я., Ишматов З.Ш. Россия Плотников Ю.В., Полунин Ф.А. Екатеринбург Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ В ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДЕ В настоящее время во всем мире пристальное внимание уделяется проблеме энергосбережения в промыш-ленности и жилищно-коммунальном хозяйстве. Это связано с постоянным ростом тарифов на электрическую энергию и значительными капитальными затратами на установку новых генерируемых мощностей [1]. Как из-вестно, основным потребителем электроэнергии в промышленности и ЖКХ является электропривод, доля ко-торого составляет порядка 60 % от общего потребления электроэнергии. Основные пути энергосбережения в электроприводе широко известны [1] и постепенно внедряются в промышленности и ЖКХ. Наибольший эко-номический эффект дает замена нерегулируемого электропривода на частотно-регулируемый в ряде производ-ственных механизмов, таких как вентиляторы, компрессоры, насосы и другие виды турбомеханизмов, рабо-тающих в продолжительном режиме. В то же время, например, в подъемно-транспортных механизмах сущест-вуют дополнительные способы экономии электроэнергии даже после внедрения частотно-регулируемого элек-тропривода. Такие механизмы работают в повторно-кратковременном режиме, в котором часто возникают тор-мозные режимы работы электропривода при интенсивном замедлении или под действием активного момента статической нагрузки. При этом в большинстве преобразователей частоты вырабатываемая во время торможе-ния энергия используется неэффективно и рассеивается на тормозном сопротивлении, установленном в звене постоянного тока преобразователя. Использование активного выпрямителя напряжения [2] решает проблему лишь отчасти, поскольку, помимо существенного повышения стоимости преобразователя, такой подход работа-ет только в том случае, когда к сети подключено несколько потребителей. Если это условие не выполняется, то энергия, которая поступает в питающую сеть, формально теряется, поскольку в Российском законодательстве нет механизмов, которые позволяют продавать вырабатываемую энергию энергоснабжающей компании.  В связи с этим поставлена задача исследования возможности использования емкостных накопителей энер-гии в частотно-регулируемом электроприводе. Емкостные накопители энергии или так называемые суперкон-денсаторы [3] представляют собой конденсаторы с двойным изолирующим слоем и имеют емкость на несколь-ко порядков выше, чем у обычных современных конденсаторов. Идея состоит в том, чтобы во время тормозных режимов работы запасать энергию в суперконденсаторе, подключенном к звену постоянного тока преобразова-теля частоты, и затем использовать ее в двигательном режиме работы электропривода. Предварительные расче-ты и результаты математического моделирования показали существенный потенциал энергосбережения в час-тотно-регулируемом электроприводе с суперконденсаторами по сравнению с традиционными преобразовате-лями, в которых используется тормозной резистор [4, 5]. В докладе представлены результаты эксперименталь-ных исследований на действующей лабораторной установке. В ходе экспериментальных исследований выполнены анализ переходных процессов в электроприводе,  за-меры энергопотребления и их сравнение с результатами расчетов и математического моделирования.  Проведение экспериментов направлено на исследование динамических режимов и энергопотребления сле-дующих электроприводов: а) электропривода с «обычным» конденсатором и тормозным сопротивлением в звене постоянного тока. В таком электроприводе при тормозных режимах работы электродвигателя энергия торможения рассеивается на дополнительном сопротивлении. б) электропривода с блоком суперконденсаторов общей емкостью 0,21 Ф. В таком электроприводе энергия торможения запасается на конденсаторе и затем расходуется на работу электропривода в двигательном режиме. На рис. 1 представлены графики переходных процессов в электроприводе с «обычным» конденсатором (рис. 1а) и в электроприводе с суперконденсатором (рис. 1б). Номинальная мощность электропривода 3 кВт. В этом эксперименте электропривод отрабатывает тахограмму работы с участком пониженной скорости. Время разгона и торможения установлены равными 0,5 с. Из рисунка видно, что при отработке тахограммы в электроприводе без блока суперконденсаторов при переходе на пониженную скорость напряжение в звене постоянного тока начинает быстро нарастать и в работу вступает тормозное сопротивление. При использовании суперконденсаторов в этом режиме работы напряжение на конденсаторах остается практически постоянным и тормозное сопротивление не работает. Во втором случае (рис. 2) проводилось исследование режима работы электропривода со знакопеременной нагрузкой при постоянной скорости вращения асинхронного двигателя.  В тормозных режимах работы «обычного» электропривода, как и в предыдущем эксперименте, периодиче-ски вступает в работу тормозное сопротивление, и вся энергия торможения переходит в тепло. В электроприво-де с суперконденсатором в тормозных режимах работы начинает увеличиваться напряжение в звене постоянно-го тока, но оно не достигает значения, необходимого для включения тормозного сопротивления. Очевидно, что во втором случае электропривод будет потреблять меньше электроэнергии из питающей сети. Замеры энерго- Энергосбережение средствами электропривода 362 потребления показывают, что электропривод с тормозным сопротивлением за 10 циклов работы (рис. 2) по-требляет 0,043 кВт⋅час активной энергии, в то время как электропривод с суперконденсатором потребляет 0,029 кВт⋅час, то есть на 32,5 % меньше.    а) электропривод с тормозным сопротивлением б) электропривод с суперконденсатором  Рис. 1. Осциллограммы переходных процессов при отработке тахограммы с участком пониженной скорости  (1 – угловая скорость двигателя в % от номинального значения, 2 – напряжение в звене постоянного тока)    а) электропривод с тормозным сопротивлением б) электропривод с суперконденсатором   Рис. 2. Режим работы электропривода со знакопеременной нагрузкой (1 – угловая скорость двигателя в % от номинального значения, 2 – напряжение в звене постоянного тока, 3 – активная составляющая момента нагруз-ки в % от номинального момента двигателя)  Исследование других циклических режимов работы электропривода с суперконденсаторами показывает, что в зависимости от режима работы можно сэкономить до 50 % потребляемой активной энергии [6, 7]. Однако сроки окупаемости проектов по внедрению электроприводов с емкостными накопителями энергии в настоящее время остаются достаточно большими из-за высокой стоимости суперконденсаторов [2, 4].   Проведенные экспериментальные исследования достаточно хорошо согласуются с результатами расчетов и математического моделирования [4, 6]. По результатам экспериментов можно сделать вывод, что использова-ние частотно-регулируемого электропривода с емкостными накопителями энергии является перспективным направлением совершенствования технических и энергетических характеристик электроприводов. Однако су-щественного снижения энергопотребления можно ожидать только для электроприводов, работающих в интен-сивных повторно-кратковременных режимах.   ЛИТЕРАТУРА 1. Браславский И. Я., Ишматов З. Ш., Поляков В. Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. Под ред. И. Я. Браславского. – М.: Издательский центр «Акаде-мия», 2004. 2. Ефимов А. А., Шрейнер Р. Т. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах переменно-го тока / Под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Р. Т. Шрейнера. Новоуральск: Изд-во НТИ, 2001. 3. Шурыгина В. Суперконденсаторы. Размеры меньше, мощность выше. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Техно-логия, Бизнес. 2009, № 7. 4. Математическое моделирование частотно-регулируемого электропривода с емкостными накопителями энергии. Браславский И.Я., Поляков В.Н., Ишматов З.Ш., Плотников Ю.В., Костылев А.В., Эрман Г.З. Труды международной пятнадцатой научно-технической конференции «Электроприводы переменного тока». Екате-ринбург, 2012. 5. Математические модели для определения энергопотребления различными типами асинхронных электро-приводов и примеры их использования. Браславский И.Я., Плотников Ю.В. Электротехника № 9, 2005. 14-18 с. 6. Асинхронный частотно-регулируемый электропривод с емкостным накопителем энергии. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Костылев А.В., Плотников Ю.В., Поляков В.Н., Эрман Г.З. Электротехника № 9, 2012. 30-35 с. 7. Использование емкостных накопителей энергии для улучшения эксплуатационных характеристик элек-троприводов. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Костылев А.В., Плотников Ю.В., Поляков В.Н., Эрман Г.З. Труды VII Международной (XVIII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012. 46-50 с.  

http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/4144/1/vestnik_HPI_2013_36_Braslavskiy_Ispol%27zovaniye.pdf

Использование суперконденсаторов в частотно-регулируемом электроприводе

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

eNTUKhPIIR Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"; Institutional Repository