|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Рис. 7.1. Схема и кривые тока, напряжения и мгновенной мощности при работе источника (сети) переменного напряжения на активную нагрузку
Рис. 7.2. Схема и кривые тока, напряжения и мгновенной мощности при работе источника (сети) переменного напряжения на активно-индуктивную нагрузку
Рис. 7.3. Схема и кривые тока, напряжения и мгновенной мощности при работе источника (сети) переменного напряжения на неуправляемый выпрямитель
Рис. 7.4. Схема и кривые тока и напряжения при работе источника переменного напряжения на управляемый выпрямитель
Рис. 7.5
Рис. 7.6. Однофазный выпрямитель с нулевым вентилем: а - схема; б, в - временные диаграммы напряжений и токов
Рис. 7.7. Двухмостовой несимметричный выпрямитель: а - схема; б-г - временные диаграммы токов, потребляемых из сети
Pис. 7.8. Четырехмостовой несимметричный выпрямитель
Рис. 7.9. Выпрямитель с искусственной коммутацией вентилей: а - упрощенная схема; б, в - временные диаграммы токов и напряжений
Рис. 7.10. Подключение к вентильному преобразователю компенсирующих конденсаторов (а) и векторная диаграмма токов и напряжений (б)
Рис. 7.11. Схема подключения фильтрокомпенсирующего устройства
Рис. 7.12. Регулируемый источник реактивной мощности (а), временные диаграммы токов и напряжении в регулируемом преобразователе переменного напряжения с индуктивной нагрузкой (б, в, г) и зависимость реактивной мощности от угла управления (д)
7.
Влияние вентильных преобразователей на питающую сеть
7.1.
Коэффициент мощности вентильных преобразователей
Во многих электрических сетях и системах вентильные преобразователи являются одним из основных видов нагрузки. Преобразователь является для сети нелинейной нагрузкой, и его работа оказывает влияние на режимы работы сети, особенно если мощности преобразователя и сети соизмеримы. Поэтому при проектировании как электрических сетей, так и вентильных преобразователей необходимо учитывать влияние преобразователей на питающую сеть. Только в этом случае создаются установки с высокими технико-экономическими показателями. Данный вопрос привлекает большое внимание как специалистов в области электроэнергетики и электротехники, так и разработчиков преобразовательных устройств и требует их совместной работы. В общем виде вентильный преобразователь как нагрузка сети может быть охарактеризован коэффициентом мощности:
где Р - активная мощность, потребляемая преобразователем из сети; Активная мощность Кажущаяся мощность S определяется действующими значениями напряжения и тока в питающей сети. Высокие значения S требуют увеличения установленной мощности сети, в том числе трансформаторного оборудования, увеличения сечения проводов, повышения прочности изоляции. Поэтому при создании вентильных преобразователей ставится задача повышения их коэффициента мощности в пределе до значения Все сказанное выше относится не только к вентильным преобразователям, но и к любым другим нагрузочным элементам электрических сетей. Для выявления особенностей вентильных преобразователей как нелинейной нагрузки сети сопоставим процессы энергообмена нагрузки и сети для линейных нагрузок и вентильных преобразователей. При работе на активную линейную нагрузку (рис. 7.1, а Активная мощность по определению, известному из курса ТОЭ,
где Е - период повторения, следовательно,
таким образом, Р = S, а коэффициент мощности При работе на активно-индуктивную нагрузку (рис. 7.2, а Для уяснения физических процессов рассмотрим эту операцию подробнее, для этого представим ток
Кривая мгновенной мощности
Кривые Найдем активную мощность по (7,2) с учетом (7.3):
Результат интегрирования второго слагаемого равен нулю, так как кривая
т.е. передача в нагрузку активной мощности обусловлена только синфазной составляющей тока
Нагрузка потребляет от сети не только активную, но и реактивную мощность:
Рассмотрим теперь работу сети на нелинейную нагрузку. На рис. 7.3, а
где На рис. 7.3, в показана 1-я гармоника тока, потребляемого выпрямителем из сети,
Указанные составляющие кривой мгновенной мощности представлены на рис. 7.3, д и е. Найдем активную мощность по (7.2), учитывая (7.5):
Результат интегрирования второго слагаемого равен нулю, так как кривая
где Коэффициент мощности неуправляемого выпрямителя в соответствии с (7.1)
Таким образом, передача в нагрузку активной мощности обусловлена только 1-й гармоникой тока
где Так же как и реактивная мощность, мощность искажения вызывает снижение Несинусоидальность напряжения сети оказывает неблагоприятное влияние на работу многих потребителей энергии: увеличиваются потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях, повышается нагрев токоведущих частей и износ изоляции, снижается надежность работы устройств автоматики и релейной защиты, ухудшается работа связи. Поэтому ГОСТ 13109-67 ограничивает возможную несинусоидальность кривой напряжения сети. Способы снижения вредного влияния вентильных преобразователей на качество электрической энергии рассмотрены в § 7.3. Продолжая рассмотрение коэффициента мощности вентильных преобразователей, обратимся к наиболее общему случаю и рассмотрим работу управляемого вентильного преобразователя с RL-нагрузкой (по-прежнему полагаем, что индуктивность в цепи нагрузки выпрямителя велика). Схема приведена на рис. 7.4, а
Следовательно, коэффициент мощности управляемого выпрямителя
где первый сомножитель характеризует несинусоидальность потребляемого тока, а второй - фазовый сдвиг 1-й гармоники тока
т.е. вентильные преобразователи потребляют из сети наряду с активной мощностью реактивную мощность по 1-й гармонике и мощность искажения. Коэффициент мощности вентильного преобразователя зависит от его схемы, характера нагрузки и режима работы. В наиболее типичном для выпрямителя режиме работы на RL-нагрузку при непрерывности выходного тока и при любом числе фаз выпрямителя m выходное напряжение определяется выражением (6.2)
при выводе которого не учитывались коммутационные процессы (
Зависимость Значение коэффициента мощности преобразователя зависит также от коэффициента несинусоидалыюсти тока v. В режиме непрерывного тока нагрузки кривые потребляемого тока для различных выпрямительных схем имеют форму, показанную на рис. 6.2, в; 6.9, б; 6.11, б; 6.15, б и 6.17. Разложение в ряд Фурье первичного тока выпрямителей с различным числом фаз m позволяет найти значения v для этих выпрямителей. Результаты расчетов, выполненных без учета процессов коммутации, приведены в табл. 7.1.
При увеличении числа пульсации на периоде частоты сети в кривой выходного напряжения выпрямителей, равного числу m, улучшается гармонический состав потребляемого от сети тока и растет v. Это является преимуществом многофазных преобразователей. Коэффициент мощности ведомых сетью инверторов может быть найден по (7.7). Поскольку в инверторном режиме Коэффициент мощности ВП других типов определяется по тон же методике, что и для выпрямителей. Для расчета необходимо проанализировать гармонический состав кривой тока, потребляемого от сети, и рассчитать действующее значение его первой гармоники. Это позволяет найти коэффициент искажений v. Фазовый сдвиг 1-й гармоники тока относительно напряжения сети позволяет найти Определим коэффициент мощности регулируемых преобразователей переменного напряжения, рассмотренных в § 6.8. Анализ ограничим случаем активной нагрузки преобразователя. При широтно-импульсном регулировании напряжения
где Пренебрегаем активными потерями в преобразователе, тогда
На рис. 6.20, б представлена форма При фазовом управлении преобразователем переменного напряжения активная мощность нагрузки определяется формулой (7.8), а коэффициент мощности при тех же допущениях находится по (7-9). Однако составляющие коэффициента мощности теперь иные. Кривая Нахождение коэффициента мощности регулируемых преобразователей при работе на активно-индуктивную нагрузку требует проведения более сложных расчетов по методике, изложенной выше. 7.2.
Вентильные преобразователи с повышенным коэффициентом мощности
В § 7.1 установлено, что управляемые вентильные преобразователи известных нам типов обладают весьма низкими значениями коэффициента мощности, особенно при глубоком регулировании выходного напряжения. Стремление к устранению этого недостатка привело к разработке большого числа преобразователей с повышенным коэффициентом мощности. Для того чтобы достичь предельного значения
Из числа преобразователей с естественной коммутацией вентилей рассмотрим выпрямитель с нулевым вентилем В момент Таким образом, первичный ток Кривая выходного напряжения выпрямителя
что соответствует (6.1). Зависимость В многофазных схемах выпрямления повышение Первый из вентильных комплектов BK1 собран на тиристоpax, второй ВК2 - на диодах. Выходное напряжение выпрямителя является суммой выходных ЭДС ВК1 и ВК2; его среднее значение с учетом (6.2) равно
где Потребляемый из сети ток На рис. 7.8
Ток, потребляемый преобразователем из сети, состоит из суммы токов, потребляемых четырьмя вентильными комплектами, при этом токи, потребляемые ВК2 и ВК4, не имеют фазового сдвига относительно напряжения, а токи ВК1 и ВКЗ сдвинуты на углы При
При На рис. 7.5 (кривая 3) представлена зависимость Повышение коэффициента мощности с помощью многомостовых несимметричных выпрямителей широко применяется при использовании преобразователей большой мощности, где оправдано использование составных схем выпрямления (см. § 6.6). Разработано большое число подобных преобразователей и режимов управления ими. Достоинством подобных способов повышения коэффициента мощности является то, что силовые схемы преобразователей при этом не содержат дополнительных элементов и капитальные затраты на создание таких преобразователей не увеличиваются по сравнению с симметричными преобразователями той же мощности. Однако в вентильных преобразователях с естественной коммутацией вентилей недостижима полная синфазность основной гармоники потребляемого из сети тока и питающего напряжения, поэтому значения cos Возможность получения cos Выходное напряжение выпрямителя рис. 7.9, а
Таким образом, выпрямители с искусственной коммутацией позволяют повышать коэффициент мощности до высоких значений за счет полного исключения потребления преобразователем реактивной мощности по 1-й гармонике. Это является большим достоинством таких преобразователей, вызвавших к ним повышенный интерес. Большую роль в развитии подобных устройств сыграли работы советских ученых, в том числе работы проф. И.Л. Каганова и И.М. Чиженко, Однако вентильным преобразователям с искусственной коммутацией присущи серьезные недостатки: введение дополнительных элементов значительно увеличивает стоимость и массогабаритные показатели. Создание надежных схем искусственной коммутации на уровне больших мощностей представляет большие трудности. Кроме того, схемы с искусственной коммутацией не обеспечивают синусоидальности потребляемого тока, в связи с чем нельзя достигнуть предельных значений 7.3.
Источники реактивной мощности
В § 7.2 были отмечены трудности, возникающие при создании вентильных преобразователей с высоким коэффициентом мощности. Другим способом повышения коэффициента мощности является применение источников реактивной мощности и фильтрокомпенсирующих устройств, подключение которых ко входу преобразователя позволяет повысить коэффициент мощности схемы. Источники реактивной мощности позволяют повысить коэффициент мощности любых цепей, однако их использование вместе с вентильными преобразователями имеет свою специфику, обусловленную нелинейным характером входного сопротивления и несинусоидальностью входного тока преобразователя, потребляемого из сети. Источники реактивной мощности могут выполняться различными способами, наибольшее распространение в преобразовательной технике получили конденсаторные (неуправляемые) и тиристорно-конденсаторные (управляемые) источники реактивной мощности. Рассмотрим возможность повышения коэффициента мощности с помощью источника реактивной мощности, состоящего из так называемых косинусных конденсаторов (рис. 7.10, а Ток через каждый конденсатор в схеме
При полной компенсации реактивной мощности преобразователя по 1-й гармонике
Для защиты конденсаторов от перегрева за счет высших гармоник тока, генерируемых преобразователем, в схему введены небольшие индуктивности (показаны на рис. 7.10, а пунктиром). Выше указывалось, что вентильный преобразователь потребляет от сети реактивную мощность, которая зависит от угла управления С целью снижения уровня высших гармонических составляющих в сети при работе вентильных преобразователей к сети подключают фильтрокомпенсирующие устройства. На рис. 7.11
Резонансная частота контура
В контуре
При резонансе входное сопротивление каждого из контуров равно нулю (если пренебречь потерями в L и С) и через них замыкаются гармонические составляющие токов, генерируемые преобразователем, минуя питающую сеть. В результате искажения кривой сетевого напряжения резко снижаются. На частоте сети Поддержание коэффициента мощности на максимальном уровне при изменении реактивной мощности, потребляемой преобразователями, возможно при использовании управляемых конденсаторно-тиристорных, источников реактивной мощности. Схема такого однофазного устройства приведена на рис. 7.12, а Управляемый источник реактивной мощности состоит из знакомых по схеме рис. 7.11 контуров, настроенных на частоты наиболее интенсивных паразитных гармонических составляющих и регулируемого преобразователя переменного напряжения на двух тиристорах V1 и V2 (см. рис. 6.20, а), имеющего нагрузку в виде индуктивности L и часто называемого индуктивно-тиристорным регулятором. Если тиристоры V1 и V2 не отпираются управляющими импульсами, устройство подавляет гармонические искажения напряжения сети на 5-й и 7-й гармониках, а конденсаторы Рассмотрим работу тиристорного преобразователя переменного напряжения на чисто индуктивную нагрузку. При
При увеличении Ток в индуктивности равен сумме принужденной и свободной составляющих процесса:
Учитывая, что при включении тиристора
При разложении этого тока в ряд Фурье найдем 1-ю гармонику:
Реактивная мощность, потребляемая цепью из двух встречно-параллельных тиристоров и индуктивности,
уменьшается с ростом угла управления
Результирующая реактивная мощность схемы на рис. 7.12, а Таким образом, рассмотренный источник реактивной мощности генерирует реактивную мощность и осуществляет се регулирование, подавляя при этом гармонические искажения в сети. Поэтому такие источники реактивной мощности находят все более широкое применение для повышения коэффициента мощности вентильных преобразователей и других установок. 7.4.
Контрольные вопросы и задачи
7.1. Что такое коэффициент мощности? К каким издержкам приводит работа с низким коэффициентом мощности? 7.2. Какой вид имеют временные диаграммы мгновенной мощности при потреблении активной мощности, реактивной мощности, мощности искажения? 7.3. Трехфазный мостовой управляемый выпрямитель работает при 7.4. В каких режимах и какие вентильные преобразователи потребляют от сети только активную мощность? Какие вентильные преобразователи не потребляют реактивную мощность; мощность искажения? 7.5. Как зависит реактивная мощность и мощность искажения на входе выпрямителя от характера нагрузки, угла управления, фазности вентильного преобразователя? 7.6. Объяснить работу однофазного выпрямителя с нулевым вентилем. Почему введение нулевого вентиля повышает коэффициент мощности? 7.7. Построить зависимость 7.8. Объяснить причины отрицательного влияния вентильных преобразователей на качество электрической энергии в сетях соизмеримой мощности, перечислить экономические издержки при ухудшении качества электрической энергии. 7.9. Объяснить принцип действия сетевых фильтрокомпенсирующих устройств и источников реактивной мощности. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
© Центр дистанционного образования МГУП |