Интеллектуальные сети постоянного тока для производственных предприятий
Большинство производственных предприятий сегодня все еще работают на переменном токе. Однако в долгосрочной перспективе исследовательские группы из Института технологии и автоматизации производства Фраунгофера IPA и Интегрированных систем и технологий устройств IISB рекомендуют, чтобы промышленное производство использовало постоянный ток. В рамках совместного исследовательского проекта DC-INDUSTRIE 2 эти команды объединили усилия с 30 партнерами для разработки новых систем электропитания. Идея заключается в том, чтобы соединить все заводские электрические системы с интеллектуальной сетью постоянного тока (Direct Current) и сделать электроснабжение более энергоэффективным, стабильным и гибким.
С конца 19-го века переменный ток является стандартным средством передачи и распределения энергии. В большинстве стран, переменный ток – «это то, что выходит из электрической розетки».
Лаборатория DC в Fraunhofer IPA проводит испытания компонентов для преобразования производственных установок в постоянный ток.
Однако, что касается промышленности, теперь есть возможность изменить это: «Есть много веских причин, по которым промышленность должна перейти с переменного тока на постоянный», — говорит Тимм Кульманн, научный сотрудник Fraunhofer IPA в Штутгарте. Кульман и его партнеры по проекту хотели бы изменить парадигму промышленного электроснабжения и, в долгосрочной перспективе, перевести предприятия на постоянный ток. «Мы уже окружены устройствами постоянного тока», — объясняет он. «Компьютеры, смартфоны и светодиоды работают на основе постоянного тока и, следовательно, нуждаются в адаптере для преобразования переменного тока в сеть».
В то время как обычные электростанции, такие как работающие на угле и атомные, производят переменный ток, локально установленные и возобновляемые источники энергии, такие как фотоэлектрические установки — или системы накопления энергии — выдают только постоянный ток.
Энергосберегающие альтернативы для производственного оборудования.
В рамках проекта DC-INDUSTRIE 2 исследователи из Fraunhofer IPA и Fraunhofer IISB объединились с 30 партнерами для разработки интеллектуальной и эффективной системы электропитания постоянного тока для производственного цеха. Проект финансируется Федеральным министерством экономики и энергетики Германии (BMWi) и рассчитан до конца 2022 года.
Предыдущий проект DC-INDUSTRIE продемонстрировал возможности локального управления потоком электроэнергии для сети электропитания постоянного тока. Более того, было показано, что переход от переменного к постоянному напряжению повышает эффективность на 5-10 процентов — в основном потому, что в сети постоянного тока намного проще использовать рекуперативное торможение, рекуперативную энергию от частотно-регулируемых приводов.
В общей сложности четыре испытательные системы, оснащенные компонентами постоянного тока различных производителей, прошли испытания. Теперь, когда эта концепция работает для группы машин, задача состоит в том, чтобы реализовать ее для всего производственного цеха.
«В то же время мы хотим сделать систему более гибкой, чтобы в ней можно было все шире использовать климатически нейтральные технологии. Наличие на заводе локальной сети постоянного тока облегчает уравновешивание любых колебаний в электроснабжении, вызванных погодными колебаниями количества электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии, и, следовательно, все более частыми колебаниями сети».
Кроме того, большинство приводов в производственном оборудовании — это электродвигатели с регулируемой скоростью. Все они оснащены преобразователями частоты, которые работают на постоянном токе. Следовательно, для питания электродвигателя переменным напряжением, напряжение питания переменного тока должно быть сначала выпрямлено.
При непосредственном питании преобразователя частоты постоянным током эта ступень преобразования исключается, что позволяет избежать потерь при преобразовании энергии, а также упрощает рекуперацию энергии торможения.
Аналогичным образом, процесс выпрямления подвергает сеть переменного тока высокой гармонической нагрузке, что, в свою очередь, требует применения продуманных и дорогостоящих мер фильтрации для обеспечения нормативного качества напряжения. В сети постоянного тока такие меры больше не требуются.
Интеллектуальная сеть постоянного тока обеспечивает эффективное энергоснабжение
Еще одним преимуществом является то, что распределение нагрузки между системами накопления энергии, подачей в сеть и возобновляемыми источниками энергии управляется локально на основе напряжения сети в качестве индикатора. Большим преимуществом использования постоянного тока в производстве является подключение всех электрических систем завода к одной интеллектуальной сети постоянного тока.
Научные сотрудники Fraunhofer IISB отвечают за оборудование, необходимое для преобразования в постоянный ток. Сюда входит поставка преобразователей постоянного тока и защитного оборудования, проверка сети на устойчивость малого/большого сигнала, а также локальное управление взаимосвязанными трансформаторными системами.
«Мы создаем микросетевые топологии, то есть управляющие кластеры, которые позволяют нам балансировать и координировать хранение, выработку и потребление энергии на местном заводском уровне», — говорит Кульман. «Они также могут работать автоматически».
Новая структура сети имеет один или несколько интерфейсов в распределительной сети переменного тока. Это обеспечивает производственное оборудование постоянным напряжением через активные или пассивные выпрямители. Каждый элемент электрического оборудования — например, преобразователи частоты, освещение и технологические процессы — напрямую питается от постоянного тока и подключается к общей сети постоянного напряжения, работающей в диапазоне напряжений ± 10 процентов от номинального напряжения в 650 вольт.
Это позволяет осуществлять прямой обмен энергией между различными приводами, которые служат, например, для ускорения или замедления роботов и шпинделей станков. Такие компоненты, как тормозные резисторы, которые сжигают избыточную энергию, больше не требуются.
Это связано с тем, что доступность новых устройств питания существенно снизила высокую стоимость, которая в противном случае требовалась бы для покрытия компонентов коммутации постоянного тока.
Дальнейшие испытания уже проводятся в испытательных цехах на заводе № 56, производственном предприятии, управляемом партнером по проекту Daimler в Зиндельфингене (Штутгарт). Завод Daimler оснащен активными преобразователями питания — активными двунаправленными выпрямителями, которые подключаются непосредственно к сети и подают постоянный ток на некоторые узлы оборудования завода.
«Двунаправленный означает, что есть возможность снабжать внешнюю сеть переменного тока электроэнергией в качестве услуги, когда есть избыток мощности. А это, в свою очередь, означает, что обычные потребители также выигрывают от перехода к новой энергетической экономике в области Industrie 4.0», — говорит Кульман.
Постоянный ток — будущее энергоснабжения
Энергетика
Постоянный ток — будущее энергоснабжения
08.11.2019 11:38
Просмотров: 23203
Авторы и источники / Правообладателям
Энергетическая революция: многие связывают этот термин с переходом на возобновляемые источники энергии, такие как энергия солнца и ветра. Тем не менее,
В Германии 48% чистой мощности потребляется промышленным сектором – около 250 тераватт-час в год. Почти 70% из этого потребляется устройствами с электроприводом. Следовательно, они являются наиболее значительным средством для оптимизации. Таким образом, 10% мощности (около 17 ТВтч в год) могут быть тут же сэкономлены энергосберегающими двигателями.
Гвидо Эге
Так как многие двигатели работают на высоких скоростях, есть возможность проводить последующую оптимизацию путем электронного регулирования скорости. Экономический потенциал составляет около 30 процентов, или 50 ТВт-ч. Но частотные преобразователи для регулирования скорости также потребляют энергию, так как они работают с постоянным током, который генерируется путем преобразования переменного тока. Это приводит к потерям вследствие конверсии и эффекту обратного действия из-за гармонических колебаний, которые делают сеть неустойчивой.
Сеть c постоянным током для устройств с электроприводом
Альтернатива: двигатели могут быть подключены к сети с постоянным током (DC), вместо использования преобразователя переменного тока. Идеально для этой цели подошла бы сеть с постоянным напряжением в 380 вольт, так как напряжение промежуточной цепи постоянного тока обычно составляет от 350 до 400 вольт.
Преимущества очевидны:
- снижение потерь при преобразовании переменного тока в постоянный ток с помощью центрального преобразователя;
- устойчивость сети вследствие уменьшения гармонических колебаний;
- экономия в отношении компонентов и снижение требований к пространству;
- простое включение возобновляемых и децентрализованных источников энергии, таких как фотоэлектрические установки;
- восстановление энергии, с помощью применения «энергии торможения» и аккумуляторов для хранения.
Учитывая все это, технология постоянного тока позволяет значительно сэкономить средства, что делает переход на нее более привлекательным.
Исследовательские проекты — двигатель прогресса
Подобные сценарии являются предметом исследовательского проекта «DC Industrie», который продвигается в 6-й программе исследования энергетики Федерального министерства экономики и энергетики Германии; общий бюджет составляет около десяти миллионов евро.
К участию были привлечены 15 партнеров из разных отраслей, такие как Siemens, Bosch Rexroth и Daimler, а также исследовательские организации, такие как Fraunhofer IPA, и еще одиннадцать партнеров из электротехнической отрасли, включая LAPP.
Цель проекта — «создание интеллектуальной открытой сети постоянного напряжения (DC) для высокоэффективных системных решений с электроприводами в промышленной отрасли».
Испытания будут проводиться при помощи системы управления сетью с привлечением различных производителей и потребителей, после чего и будет дан ответ на вопрос о том, можно ли достичь запланированных целей экономии энергии в двузначном процентном диапазоне.
Компания LAPP предоставляет кабели, которые подходят для применения в сетях с постоянным током. «Участвуя в данном проекте, мы хотим добиться наилучшего понимания требований, предъявляемых к кабелям и линиям для постоянного тока», — объясняет Гвидо Эге, руководитель отдела управления продуктами и их разработки в компании LAPP.
Необходимость стандартизации
Тема постоянного тока для низкого напряжения также обсуждается органами стандартизации. В дополнение к этому, Ассоциация Электрических Технологий разработала план стандартизации, содержащий многочисленные рекомендации к действиям:
- стандарты продукции с устройствами защиты от утечки токов и короткого замыкания;
- применение гармонизированных стандартов электромагнитной совместимости для оборудования с постоянным напряжением;
- отдельная установка силовых цепей переменного и постоянного тока;
- цветовой код для кабелей постоянного тока;
- спецификация уровней напряжения;
- инструкции по установке.
Например, до сих пор не было стандартов для штепсельных разъемов. Эксперты по стандартизации должны рассматривать здесь исключительно практические требования. Пользователь должен иметь возможность вытаскивать штекерный разъем из гнезда, когда он находится под нагрузкой, то есть когда устройство работает с ним.
С обычными штепсельными разъемами переменного тока все очевидно, но при работе с постоянным током необходимо сделать так, чтобы розетка имела нулевой потенциал при отключении и чтобы световая дуга гасла. В случае переменного тока физика позаботилась об этом; для постоянного тока требуется техническое оборудование.
Кабели для постоянного напряжения
В компании LAPP разработчики уже думают о том, какие требования будут касаться систем подключения и как они могут быть преобразованы в стандарты. В принципе, кабели для переменного напряжения также подходят и для постоянного. Но существующие знания о старении кабелей, особенно в отношении изоляционного материала, могут не полностью соответствовать реальности в случае постоянным напряжением. Лабораторные тесты профессора Франка Бергера в TU Ильменау в сотрудничестве с LAPP показывают, что при постоянном токе электрические поля оказывают совсем другое физико-химическое воздействие на пластикат, изолирующий кабель переменного тока.
Это, скорее всего, состарит изоляцию кабеля быстрее, так что разработчики должны будут найти новые решения. Более того, стало очевидно, что при постоянном токе эффективность изоляционного материала также изменяется при воздействии разных температур.
Органы стандартизации также обязаны проводить испытания кабелей на прочность без применения напряжения. При постоянном токе, возможно, что эта процедура преуменьшит истинный процесс старения. Сейчас другие тесты должны дать информацию о том, какие факторы, помимо температуры, могут повлиять на свойства оболочки. Например, окружающая среда или механические воздействия. И не менее интересно, каким образом будет выглядеть тестовая установка, которая воспроизводит эти факторы наиболее реалистично.
Первый опыт работы с продуктами
Кабели для применения с постоянным напряжением не являются чем-то новым для LAPP. Компания предлагает множество сложных решений для применения в этой области. Одним из примеров является ассортимент продукции ÖLFLEX® SOLAR, кабели для применения в фотогальванических установках.
В качестве другого примера можно еще привести системы зарядки для электрических и гибридных автомобилей от Lapp Systems, такие как LAPP HELIX, спиральные зарядные кабели, которые способны скручиваются — это экономит до 40% веса. Решения для электромобилей относятся к числу наиболее быстрорастущих областей в LAPP.
Компания LAPP также работает над новыми направлениями — производство органических фотогальванических модулей с использованием тонких кабелей, создающих постоянный ток. А также у LAPP есть новый кабель, разработанный специально для применения с постоянным напряжением до 600 вольт – ÖLFLEX® DC 130H. Желтый цвет оболочки и цвета изоляции жил разработаны в соответствии с предварительным вариантом нового стандарта VDE.
20.06.2022 16:24
Технологии БПЛА для электросетевого комплекса
22.03.
2021 10:29
Глобальная окупаемость инвестиций в возобновляемые источники энергии в 7 раз выше, чем в ископаемое топливо
17.02.2021 17:49
Энергосистемы высокого напряжения постоянного тока в сравнении с энергосистемами высокого напряжения переменного тока
Как блоки питания превращают переменный ток в постоянный в электронных схемах
Задача преобразования переменного тока в постоянный называется выпрямлением, , а электронная схема, выполняющая эту работу, называется выпрямителем . Наиболее распространенным способом преобразования переменного тока в постоянный является использование одного или нескольких диодов , тех удобных электронных компонентов, которые позволяют току проходить в одном направлении, но не в другом.
Хотя выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный, результирующий постоянный ток не является постоянным напряжением. Правильнее было бы назвать его «пульсирующим постоянным током».
Хотя пульсирующий постоянный ток всегда движется в одном и том же направлении, уровень напряжения имеет отчетливую пульсацию, немного повышаясь и понижаясь синхронно с формой волны переменного напряжения, подаваемого на выпрямитель.
Для многих цепей постоянного тока значительная пульсация в источнике питания может привести к неисправности цепи. Следовательно, требуется дополнительная фильтрация, чтобы «сгладить» пульсирующий постоянный ток, поступающий от выпрямителя, для устранения пульсаций.
Существует три различных типа схем выпрямителей, которые вы можете построить: однополупериодные, двухполупериодные и мостовые. Далее описывается каждый из этих трех типов выпрямителей.
Однополупериодный выпрямитель
Самый простой тип выпрямителя состоит из одного диода. Этот тип выпрямителя называется 9.0003 однополупериодный выпрямитель , потому что он передает только половину входного переменного напряжения на выход.
Когда переменное напряжение положительное на катодной стороне диода, диод пропускает ток на выход.
Но когда переменный ток меняет направление и становится отрицательным на катодной стороне диода, диод блокирует ток, так что на выходе не появляется напряжение.
Однополупериодные выпрямители достаточно просты в изготовлении, но не очень эффективны. Это связано с тем, что весь отрицательный цикл входного переменного тока блокируется однополупериодным выпрямителем. В результате выходное напряжение равно нулю в половине случаев. Это приводит к тому, что среднее напряжение на выходе составляет половину входного напряжения.
Обратите внимание на резистор с маркировкой R L . Этот резистор на самом деле не является частью схемы выпрямителя. Вместо этого он представляет собой сопротивление нагрузки, которая в конечном итоге будет помещена в цепь, когда источник питания будет использоваться.
Двухполупериодный выпрямитель
Двухполупериодный выпрямитель использует два диода, что позволяет ему пропускать как положительную, так и отрицательную сторону входного переменного тока.
Диоды подключены к трансформатору.
Обратите внимание, что двухполупериодный выпрямитель требует использования трансформатора с отводом от средней точки. Диоды подключены к двум внешним отводам, а центральный отвод используется в качестве общей земли для выпрямленного постоянного напряжения. Двухполупериодный выпрямитель преобразует обе половины синусоидальной волны переменного тока в постоянный ток с положительным напряжением.
Результатом является постоянное напряжение, частота импульсов которого в два раза превышает частоту входного переменного напряжения. Другими словами, если предположить, что на вход подается бытовой ток с частотой 60 Гц, на выходе будет пульсирующий постоянный ток с частотой 120 Гц.
Мостовой выпрямитель
Проблема с двухполупериодным выпрямителем заключается в том, что для него требуется трансформатор с отводом от средней точки, поэтому он вырабатывает постоянный ток, равный половине общего выходного напряжения трансформатора.
Мостовой выпрямитель преодолевает это ограничение за счет использования четырех диодов вместо двух. Диоды расположены в виде ромба, так что на каждой половине фазы синусоиды переменного тока два диода пропускают ток к положительной и отрицательной сторонам выхода, а два других диода блокируют ток. Мостовой выпрямитель не требует трансформатора с отводом от середины.
Выход мостового выпрямителя имеет импульсный постоянный ток, как и выход двухполупериодного выпрямителя. Однако используется полное напряжение вторичной обмотки трансформатора.
Вы можете построить мостовой выпрямитель, используя четыре диода, или вы можете использовать мостовой выпрямитель IC, который содержит четыре диода в правильном расположении. ИС мостового выпрямителя имеет четыре контакта: два для входа переменного тока и два для выхода постоянного тока.
Об этом артикуле
Этот артикул можно найти в категории:
- Схема,
Переключение между входом переменного и постоянного тока
спросил
Изменено 7 лет, 5 месяцев назад
Просмотрено 7к раз
\$\начало группы\$
Допустим, мне нужно запитать 9-вольтовое устройство с входным источником питания переменного или постоянного тока, который меняется почти случайным образом.
Есть ли способ определить в цепи, когда переменный ток меняется на постоянный или наоборот, и включить сам переключатель цепи? В идеале я хотел бы иметь возможность спроектировать две схемы, которые постоянно поддерживали бы питание устройства независимо от типа входа и напряжения.
Могу ли я использовать какую-то волшебную схему, которая будет псевдо-переключателем, или это невозможно?
Я больше разбираюсь в программном обеспечении, но хотел бы узнать немного больше об оборудовании, отсюда и почти нубский вопрос.
- постоянный ток
- переменный ток
- переменный-постоянный ток
\$\конечная группа\$
2
\$\начало группы\$
Волшебство заключается в использовании последовательно соединенных диодов, чтобы иметь возможность подключать источники питания постоянного тока параллельно, не повреждая их из-за (даже незначительной) разницы в напряжении, как показано на следующей схеме.
Затем вы можете заменить второй источник питания на выпрямитель, который преобразует переменный ток (с соответствующей амплитудой напряжения, в противном случае используйте трансформаторы на входе или преобразователи постоянного тока на выходе) в постоянный. Обратите внимание, что в этой схеме D2 не нужен, так как выпрямитель уже препятствует прохождению тока вверх по течению.
Для пояснения, диоды являются аналоговыми вентилями ИЛИ: тот, у кого более высокое приложенное напряжение, переводит диод в проводимость, а другой предотвращает протекание тока в другом источнике питания.
Предупреждение: для того, чтобы это работало, по крайней мере один из источников питания должен иметь плавающее заземление (быть изолированным друг от друга) или иметь точно такое же заземление, в противном случае они будут навязывать друг другу разные потенциалы и в результате в коротких замыканиях.
Наконец, вы можете захотеть разместить регулятор напряжения после двух источников питания из-за выпрямителя (что позволит вам сразу разместить батарею как PS1).
Однако, почему бы не использовать сетевые адаптеры постоянного тока, которые лежат поблизости, чтобы позаботиться о преобразовании переменного тока в постоянный, и просто убедиться, что ваша батарея + регулятор и этот адаптер подключены параллельно с диодами?
\$\конечная группа\$
2
\$\начало группы\$
Если у вас есть переменный ток, подайте его через диод для преобразования в постоянный. Вы можете сделать то же самое с DC. Если вы используете двухполупериодные выпрямители, будут работать как переменный ток, так и постоянный ток «любой полярности». Их можно объединить в одну цепь, и тот источник питания, который выдает большее напряжение, будет подавать питание на ваше 9-вольтовое устройство. Также учтите, что вам может понадобиться регулятор напряжения.
Если два источника питания независимы и гальванически развязаны, все просто.
