Efektywność energetyczna przekształtnikowego układu napędowego z silnikiem indukcyjnym średniego napięcia do pomp obiegowych w inteligentnej sieci ciepłowniczej

Efektywność energetyczna przekształtnikowego układu napędowego jest najczęściej rozumiana jako sprawność energetyczna tego urządzenia. Bardziej ogólne podejście mówi, że pojęcie to dotyczy jakości przetwarzania energii elektrycznej w mechaniczną w układzie napędowym. Opis ilościowy jakości przetwarzania powinien uwzględniać najważniejsze zjawiska energetyczne w samym przekształtnikowym układzie napędowym jak też w systemach na które oddziałuje. Dotyczy to systemu zasilania energią elektryczną (wejście) i systemu mechanicznego napędzanej maszyny roboczej (wyjście - w tym przypadku pompy obiegowej). Efekty energetyczne z wytwarzaniem pola elektromagnetycznego układu napędowego można w tym przypadku pominąć (pole elektromagnetyczne generowane przez przekształtnikowy układ napędowy traktowane jest jako zakłócenie środowiska elektrycznego i minimalizowane jest konstrukcyjnie). Pompy obiegowe napędzane przez przekształtnikowe układy napędowe stanowią elementy wykonawcze pompowni wody gorącej w inteligentnej sieci ciepłowniczej. Prace koncepcyjne nad inteligentną siecią ciepłowniczą są już na tyle zaawansowane, że w najbliższych kilku latach będzie ona realizowana przynajmniej w jednej dużej aglomeracji krajowej (w Warszawie). Systemy sterowania inteligentną siecią ciepłowniczą są koncepcyjne opracowywane ale brak jest sposobów postępowania w wyborze przekształtnikowego układu napędowego po względem jego efektywności energetycznej. Dotychczasowe doświadczenia teoretyczne i praktyczne wskazują, że powinien być to napęd z silnikiem indukcyjnym klatkowym zasilanym z przemiennika częstotliwości. Zarówno silnik jak i przemiennik częstotliwości powinny być urządzeniami średniego napięcia. Przemiennik częstotliwości powinien mieć funkcję transferu synchronicznego dwustronnego (funkcja taka umożliwia pracę silnika zasilanego bezpośrednio z sieci energetycznej w przypadku pracy pomp w punkcie znamionowym) oraz możliwość zasilania z rezerwowego źródła zasilania. Duża pewność działania pompowni wymaga bezpośredniego rozruchu silnika na wypadek awarii przemiennika częstotliwości. Obecny stan techniki przemienników częstotliwości średniego napięcia pozwala spełniać te wymagania (istnieją topologie przemienników w aplikacjach przemysłowych). Brak jest spójnej teorii mocy elektrycznej przy przebiegach odkształconych prądu i napięcia, które pozwalałyby na jednoznacznej rozwiązanie dwóch problemów:

1. Dobór mocy, liczby i topologii przekształtników i silników do pomp obiegowych realizujących technologiczne funkcje pompowni inteligentnej sieci cieplnej przy minimalnym zużyciu energii elektrycznej.
2. Określenie liczby pracujących przekształtnikowych układów napędowych z dobraną prędkością obrotową o takich wartościach aby jednostkowe zużycie energii elektrycznej było minimalne w danych warunkach technologicznych.

Te dwa problemy mogą być rozwiązane, jeżeli uwzględni się następujące zjawiska związane z przetwarzaniem energii elektrycznej na mechaniczną w przekształtnikowych układach napędowych:

• straty mocy czynnej w przekształtniku energoelektronicznym i silniku przy odkształconych przebiegach prądu i napięć
• odkształcony przebieg prądu pobieranego z sieci zasilającej
• pobór mocy biernej przy przebiegach odkształconych
• wpływ asymetrii prądu zasilającego
• pulsacje momentu silnika zasilanego z przekształtnika

W projekcie planuje się budowę modelu matematycznego efektywności energetycznej przekształtnikowego układu napędowego pompy obiegowej, przy pomocy współczynników opisujących liczbowo przedstawione wyżej zjawiska. Sprawdzenie poprawności powyższego modelu w przypadkach na podstawie wartości rzeczywistych wybranych układów napędowych umożliwi zbudowanie funkcji opisującej zużycie energii i przeprowadzenie optymalizacji tej funkcji pod względem minimalnego zużycia energii.