Раздел 10. Бытовой электропривод
Особенности бытовых условий применительно к электромеханическим системам
- наличие источника электроэнергии с определенными параметрами;
- малая мощность потребителей;
- важность таких частных показателей качества, как безопасность, стоимость, малая масса, надежность.
Следствия:
а) В быту из электромеханических систем находят применение в основном электродвигатели (электропривод) - преобразователи электрической энергии в механическую. Потребности в генераторах в электрифицированных квартирах и домах нет.
О случаях применения ветроэнергетических установок малой мощности в огородах в данном разделе речь идти не будет.
б) Бытовые электромеханические системы, как правило, не содержат сложных преобразователей электроэнергии.
Параметры источника питания
Вид напряжения: переменное.
Число фаз: m =1.
Действующее значение фазного напряжения: U =220 В или 230 В (в России).
Частота напряжения: f =50 Гц (в России).
Вид напряжения
В качестве отступления
Борьба за вид напряжения, используемого в быту, шла во второй половине 1880-х годов и вошла в историю электротехники как "битва токов".
Сторону постоянного тока возглавлял самый выдающийся изобретатель всех времен и народов Томас Эдисон, ставший в то время, в силу своего авторитета, тормозом в развитии техники переменного тока и прогресса в целом. Это стало следствием того, что он возглавлял крупнейшую электротехническую фирму, специализирующуюся на производстве и монтаже установок постоянного тока [5].
Главный тезис сторонников постоянного тока: постоянный ток менее опасен.
Положение о меньшей опасности постоянного тока по сравнению с переменным справедливо при напряжениях до 400 В. В диапазоне 400...600 В опасности постоянного и переменного тока частотой 50 Гц практически одинаковы, а с дальнейшим увеличением напряжения относительная опасность постоянного тока увеличивается. Это объясняется физиологическими процессами действия на живую клетку [32].
Грязные методы борьбы: провели решение использовать в США в качестве нового орудия казни электрический стул, работавший именно на переменном токе.
На стороне переменного напряжения выступал промышленник, рыцарь капиталистической эпохи, американец Джордж Вестингауз и изобретатель асинхронного двигателя, серб Никола Тесла, получивший в 1891 году американское гражданство.
Главный тезис сторонников переменного тока: переменный ток проще передавать на расстояние. Этот фактор и привел к победе переменного тока и его распространению, несмотря на имевшие место смертельные случаи в нагромождении проводов, застилавших небо в городах того времени.
Простота передачи переменного тока связана с тем, что экономичнее передавать электроэнергию высокого напряжения, а преобразователи переменного тока, изменяющие уровень напряжения, более просты (трансформатор много проще преобразователей постоянного тока). Отметим, что собственно передавать более выгодно энергию постоянного тока (меньше потери, переменный ток преодолевает также реактивное сопротивление). Для передачи электроэнергии на сверхдальние расстояния в настоящее время используют постоянный ток
Конец отступления
Имеющийся вид напряжения обуславливает использование электродвигателей переменного тока.
Если же захотелось использовать электродвигатель постоянного тока, то потребуется ввести в систему дополнительные элементы: выпрямитель и фильтр.
Число фаз
Кажущееся несоответствие: число фаз – одна, а отверстий в (обычной "советской") розетке – два.
Второе отверстие служит для обеспечения контакта с рабочим нулевым проводом (в современных розетках есть и третий контакт – с защитным нулевым проводом).
В бытовой розетке фаза должна быть слева (в левом отверстии). Однако, при том беспорядке, который творится в электрохозяйстве жилых домов, это правило зачастую не выполняется.
Кстати о розетках. После появления в СССР заграничных электроприборов возникла проблема совместимости зарубежных штепселей и советских розеток. "Евровилки" (электроразъемы типа Schuko) при одинаковом расстоянии между продольными осями контактов вилки (19 мм) имели диаметры этих контактов на 0,8 мм больше и не влезали в наши розетки [2].
Число фаз источника питания обуславливает использование однофазных электродвигателей.
Если же захотелось использовать трехфазный двигатель, то потребуется ввести в систему дополнительные элементы: выпрямитель, фильтр, инвертор.
Напряжение
Первичными источниками электроэнергии являются мощные турбо- и гидрогенераторы (Разделы 2 и 3), выходное напряжение которых составляет десятки киловольт. С целью снижения потерь это напряжение повышают с помощью трансформаторов (вплоть до сотен киловольт, в зависимости от дальности передачи электроэнергии) и передают по высоковольтным линиям электропередачи (рис. 1).
Рис. 1. Цепочка передачи электроэнергии, используемой в быту
При фиксированной передаваемой мощности электроэнергии (UI): чем выше напряжение U, тем ниже уровень тока I и ниже потери в меди I 2 R. После доставки электроэнергии к месту потребления напряжение понижается рядом последовательных трансформаторов на районных и местных подстанциях (последние из них представляют собой трансформаторные будки, которые вы могли видеть непосредственно во дворах).
220 вольт окончательно стало стандартом бытового напряжения в СССР в 1974 году.
До этого имело распространение напряжение 127 В, более подходящее во времена, когда сложнее решались вопросы безопасности и хорошей изоляции [5].
Впервые 220 вольт в качестве стандартного значения бытового напряжения было принято в Германии путем умножения на 2 эдисоновского стандарта XIX века в 110 вольт, при которых устойчиво горели дуговые лампы. Повышение напряжения позволяло экономить в толщине проводов при фиксированной мощности [5].
В настоящее время напряжение бытовой сети в большинстве европейских стран: 230 В. Напряжение бытовой сети в Северной, Центральной и частично Южной Америке: 120 В [4].
Частота
В отличие от "бытовых" 50 Гц, в системе электрооборудования на летательных аппаратах (ЛА) принята частота 400 Гц. Почему? Важным для ЛА является требование по массе и габаритам электрооборудования. Повышенная частота снижает массу не только электродвигателей, но и дросселей, трансформаторов и других устройств.
Почему тогда и в быту не сделать частоту напряжения 400 Гц? Это приведет к большим потерям в длинных линиях при передаче электроэнергии.
В ряде зарубежных стран частота бытовой сети составляет 60 Гц.
У Японии есть электрические сети на 60 Гц и на 50 Гц [3].
Континентальная Северная Америка работает на частоте 60 Гц [3].
Бразилия и Парагвай, которые совместно используют одну и ту же гидроэлектростанцию Итайпу, имеют электрические сети с разными частотами: 60 Гц и 50 Гц соответственно [3].
На острове Рождества (Индийский океан) частота напряжения 40 Гц
Карта с указанием стандартных показателей бытовой электросети приведена на рис.2, [35].
Рис.2. Карта с указанием стандартных показателей бытовой электросети
Мощность
Максимальная суммарная мощность потребителей P макс, допускаемых для подключения к электросети в обычной квартире, должна ограничиваться из-за температурного ограничения изоляции проводов. Температура проводов ограничивается путем ограничения тока I макс= P макс/(U* cosφ).
При превышении током, потребляемым всеми электроприборами квартиры, максимального значения срабатывает предохранитель (одноразовый – пробки, многоразовый – автомат), и квартира отключается от источника электроснабжения.
В настоящее время нормативно-техническими документами установлена расчетная нагрузка на одну квартиру в многоквартирных жилых домах не менее 4,5 кВт (~20 А), для квартир с электроплитами 10 кВт (~43 А), для квартир повышенной комфортности 14 кВт (~61 А), для летних домиков на участках садовых товариществ – 4 кВт (~17 А) [33].
Типы двигателей
1) Однофазный асинхронный двигатель (АД) (Раздел 13.1.6).
Проблемы:
а) Без дополнительных пусковых элементов однофазный АД не развивает пусковой момент, а значит, после подключения к однофазной сети не начнет вращаться.
б) При использовании асинхронного двигателя максимальная достижимая частота вращения n < n 0=60 f / p =3000 об/мин (при p =1). Этого в ряде случаев бывает недостаточно.
2) Универсальный коллекторный двигатель (Раздел 13.4.6).
Недостаток: наличие щеточно-контактного узла.
Кондиционеры
Назначение: охлаждение воздуха (об этом пойдет речь в этом разделе) или обогрев, осушение, очистка воздуха.
Кондиционеры названы так исходя из своих функций: они доводят воздух до нужного состояния (кондиций).
Устройство.
Подавляющее большинство современных кондиционеров представляют собой Сплит-системы (рис. 3, [36], [1],[6]).
| 
|
| Рис. 3. Устройство кондиционера |
Краткий принцип действия
Во внутреннем блоке созданы условия, при которых хладагент в трубке испаряется, что приводит к охлаждению поверхности трубки. За счет обдува этой части трубки холодный воздух поступает в охлаждаемое помещение.
Во внешнем блоке хладагент конденсируется (переходит из газообразного состояния в жидкое) и отдает тепло, отведенное им из внутреннего блока, на поверхность трубки. Выделенное тепло за счет обдува выводится наружу.
Электромеханические системы в составе кондиционера.
а) Электропривод компрессора внешнего блока.
б) Электропривод вентиляторов внешнего и внутреннего блока.
Компрессор
Назначение компрессора: сжатие хладагента (это, как правило, фреон) и осуществление его циркуляции по замкнутому трубопроводу. По сути, он выполняет функцию насоса и создает в определенных участках трубопровода требуемое давление.
Для работы компрессора необходимо вращать его вал. Эту функцию выполняет электродвигатель. В простых кондиционерах электродвигатель получает электропитание непосредственно от бытовой сети (розетки). В современных кондиционерах между бытовой сетью и электродвигателем в структуре ЭМС используется преобразователь частоты (Раздел 14.4).
Выпрямитель в составе преобразователя частоты преобразует переменное напряжение сети в постоянное, затем оно снова преобразуется в переменное напряжение, но уже требуемой частоты. Величина напряжения изменяется либо регулятором напряжения, установленным между выпрямителем и инвертором, либо в самом инверторе.
Как следствие: изменяется частота вращения электродвигателя компрессора при его оптимальной работе и интенсивность охлаждения воздуха.
Обычные кондиционеры работают в релейном (импульсном) режиме. Если, например, необходимо держать в помещении 22 градуса - конденсатор охлаждает воздух до этой температуры и отключается (как холодильник). Температура снова повышается и, например, через десять минут достигает 23 градусов. Кондиционер снова включается. Включение-выключение кондиционера для ЭМС и для электросети связаны с повышенными нагрузками (разгон массы хладагента, недостаточная смазка, стекшая во время останова). Всех этих неудобств позволяет избежать инвертор.
Кондиционер с инвертором от момента включения до достижения заданной температуры работает на повышенной мощности (которая превышает мощность аналогичной модели обычного кондиционера) и быстрее охлаждает или нагревает воздух в помещении (примерно на 15%). Потом переходит в оптимальный режим пониженной мощности (работая на низкой частоте вращения).
Инверторная система быстрее достигает требуемой температуры и точнее ее контролирует (для обычных систем колебание достигает ±1,5 градусов, у инверторных ±0,2 градуса) [1001].
Инверторная система работает постоянно, но с разной мощностью, что способствует экономии электроэнергии (до 35%) в сравнении с кондиционерами обычного типа.
Ресурс работы инверторного компрессора увеличивается на 30-50% [1000].
Меньше уровень шума [1000].
Стоимость такой системы выше.
Показатели
Мощность: достигает порядка 700 Вт [1001], в мощных кондиционерах может достигать 18400 Вт.
Частота вращения электродвигателя: 0,5-50000 об/мин.
Уровень шума: внутренний блок: 22–35 дБ, наружный блок: 38–54 дБ [34].
В моделях высокого качества 20 дБ (в моделях Panasonic и Hitachi); 19 дБ (LGE и Mitsubishi Electric). В реальных городских условиях эти значения находятся даже ниже привычного нашему уху предела слышимости [1002].
Вентиляторы
Назначение: создать поток воздуха, обдувающего испаритель и конденсатор. Они используются для более интенсивного теплообмена с окружающим воздухом.
Вентилятор внешнего блока в недорогих моделях имеет только одну скорость вращения. Кондиционер с таким вентилятором может стабильно работать в небольшом диапазоне температур наружного воздуха. В моделях более высокого класса, рассчитанных на широкий температурный диапазон, а также во всех полупромышленных кондиционерах, вентилятор имеет 2 - 3 фиксированные скорости вращения или же плавную регулировку [1005].
Вентилятор внутреннего блока имеет 3 - 4 скорости вращения [1005].
Внешний вид электродвигателей вентиляторов, применяемых на ряже кондиционеров, приведен на рис.4.
А) б)
Рис. 4. Внешний вид электродвигателей вентиляторов