Московский государственный университет печати

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; - кажущаяся или полная мощность, потребляемая из сети; - действующие значения напряжения сети и потребляемого тока.

Активная мощность - активная мощность нагрузки, характеризующая полезный эффект преобразования энергии; - мощность потерь в преобразователе. Иначе можно записать - КПД преобразователя. Поскольку КПД преобразователя обычно высок,

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 = 1.

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 ) ток и напряжение синфазны, их полярность совпадает в любой момент времени и энергия постоянно передается из сети в нагрузку (рис. 7.1, б). Кривая мгновенной мощности (рис. 7.1, в) однополярна.

Активная мощность по определению, известному из курса ТОЭ,

где Е - период повторения, следовательно,

таким образом, Р = S, а коэффициент мощности = 1.

При работе на активно-индуктивную нагрузку (рис. 7.2, а ) в кривых напряжения и тока (рис. 7.2, б) можно выделить интервалы когда полярность напряжения и тока совпадают, энергия передается из сети в нагрузку, значения мгновенной мощности (рис. 7.2, в) на этих интервалах положительны. На интервалах полярности напряжения тока противоположны, нагрузка возвращает энергию в сеть, значения мгновенной мощности на этих интервалах отрицательны (рис. 7.2, б). Активную мощность можно определить по выражению (7.2) при подстановке

Для уяснения физических процессов рассмотрим эту операцию подробнее, для этого представим ток в виде суммы двух составляющих: тока , синфазного напряжению , и тока, отстающего от напряжения на угол (рис. 7.2, г):

Кривая мгновенной мощности также может быть представлена в виде суммы

Кривые приведены на рис. 7.2, д и е.

Найдем активную мощность по (7,2) с учетом (7.3):

Результат интегрирования второго слагаемого равен нулю, так как кривая не имеет постоянной составляющей и характеризует бесполезный обмен энергией межу сетью и нагрузкой. Таким образом,

т.е. передача в нагрузку активной мощности обусловлена только синфазной составляющей тока . В соответствии с (7.1)

Нагрузка потребляет от сети не только активную, но и реактивную мощность:

Рассмотрим теперь работу сети на нелинейную нагрузку. На рис. 7.3, а показано подключение к сети неуправляемого однофазного выпрямителя с RL-нагрузкой. Полагаем, что индуктивность в цепи нагрузки выпрямителя велика, пренебрегаем коммутационными процессами в вентильном комплекте. На рис. 7.3, б показаны кривые напряжения сети и потребляемого выпрямителем тока , имеющего форму разнополярных прямоугольных импульсов. Для нахождения активной мощности в этой схеме достаточно воспользоваться выражением (7.2), однако для рассмотрения физических процессов энергообмена между сетью и нагрузкой, представим ток в виде разложения в ряд Фурье:

где - действующее значений k-й гармоники тока .

На рис. 7.3, в показана 1-я гармоника тока, потребляемого выпрямителем из сети, а на рис. 7.3, г - сумма высших гармонических составляющих того же тока Кривая мгновенной мощности также может быть разделена на два слагаемых:

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 не имеет постоянной составляющей и также характеризует бесполезный обмен энергией между сетью и нагрузкой. Таким образом,

где - отношение действующего значения 1-й гармоники тока к действующему значению тока называется коэффициентом искажения тока.

Коэффициент мощности неуправляемого выпрямителя в соответствии с (7.1)

Таким образом, передача в нагрузку активной мощности обусловлена только 1-й гармоникой тока , высшие гармонические составляющие вызывают лишь бесполезный об мен энергией между сетью и нагрузкой. Кажущаяся мощность при работе сети на неуправляемый выпрямитель может быть представлена в виде

где - мощность искажения.

Так же как и реактивная мощность, мощность искажения вызывает снижение , нежелательные результаты этого снижения были перечислены выше. Кроме того, при работе преобразователя от сети соизмеримой мощности возникают дополнительные отрицательные эффекты, вызванные искажением тока, потребляемого вентильными преобразователями. Несинусоидальные токи преобразователей создают на внутреннем сопротивлении сети ограниченно) мощности несинусоидальное падение напряжения, вызывая искажение кривой питающего напряжения.

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 , а на рис. 7.4, б представлены кривые напряжения и тока , потребляемого однофазным выпрямителем из сети. Ток имеет несинусоидальную форму, его 1-я гармоника (рис. 7.4, б) сдвинута относительно напряжения на угол - угол управления выпрямителя; - угол коммутации. Для нахождения активной мощности, потребляемой преобразователем, воспользуемся (7.2). Ранее мы установили, что активная мощность передается в нагрузку только синфазной составляющей 1-й гармоники потребляемого тока:

Следовательно, коэффициент мощности управляемого выпрямителя

где первый сомножитель характеризует несинусоидальность потребляемого тока, а второй - фазовый сдвиг 1-й гармоники тока . Кажущаяся мощность

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 ( = 0). При этом

Зависимость приведена на рис. 7.5 (кривая 1) (Зависимость для выпрямителя без нулевого вентиля (1), однофазного выпрямителя с нулевым вентилем и несимметричного двухмостового (2) и четырехмостового (3) выпрямителей). Эта зависимость показывает, что при регулировании выходного напряжения выпрямителя коэффициент мощности выпрямителя сильно снижается, что обусловлено ростом угла управления и реактивной мощности, потребляемой преобразователем. Низкое значение коэффициента мощности и его зависимость от режима работы являются серьезными недостатками выпрямителей с фазовым управлением: возможности устранения этих недостатков рассмотрены в § 7.2, 7.3.

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 то расчет по (7.7) при подстановке дает отрицательное значение . Это объясняется тем, что активная мощность не потребляется, а отдается вентильным преобразователем в сеть; обычно знак "-" в (7.7) для инверторов не учитывается.

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 активная мощность нагрузки

где - действующее значение тока, потребляемого от сети и протекающего через цепь нагрузки.

Пренебрегаем активными потерями в преобразователе, тогда и

На рис. 6.20, б представлена форма , форма тока повторяет напряжение. Вследствие активного характера нагрузки фазовый сдвиг тока относительно напряжения сети отсутствует, реактивную мощность преобразователь не потребляет. Потребляемый от сети ток несинусоидален, его кривая содержит гармонические составляющие с частотой ниже частоты сети, низшая из этих гармоник имеет частоту f = 1/T, где Т - период повторения кривой (см. рис. 6.20, б). Таким образом, мощность искажения при широтном импульсном регулировании обусловлена наличием низкочастотных составляющих в спектре тока . Эти искажения кривой тока вызывают снижение коэффициента мощности v = .

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 (t) (см. рис. 6.20, в) сдвинута относительно напряжения на некоторый угол, зависящий от угла управления , поэтому и преобразователь потребляет из сети реактивную мощность. Несинусоидальность тока вызывает потребление мощности искажения,

Нахождение коэффициента мощности регулируемых преобразователей при работе на активно-индуктивную нагрузку требует проведения более сложных расчетов по методике, изложенной выше.

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 = 1, необходимо создать вентильный преобразователь, потребляющий от сети ток синусоидальной формы, синфазный с напряжением сети. В полном виде такая задача до настоящего времени неразрешима, однако ряд современных разработок обеспечивает получение весьма высоких значений коэффициента мощности. Существующие преобразователи с повышенным коэффициентом мощности можно разделить на два класса:

1. с естественной коммутацией вентилей;
2. на полностью управляемых вентилях или с искусственной коммутацией однооперационных тиристоров.

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 ). Набор конденсаторов включен параллельно входу преобразователя, поэтому ток i, потребляемый из сети, равен сумме тока преобразователя и компенсирующего тока . На рис. 7.10, б представлена векторная диаграмма токов, где вектор соответствует первой (основной) гармонике тока . Разложим ток на его составляющие (см. § 7.1). Если ток конденсаторов ток i синфазен питающему напряжению и установка рис. 7.10, а не потребляет из сети реактивную мощность. Реактивная мощность, потребляемая преобразователем в этом случае, компенсируется за счет реактивной мощности, вырабатываемой конденсаторами.

Ток через каждый конденсатор в схеме Напряжение на конденсаторе Таким образом,

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 , величины и характера нагрузки. Поскольку реактивная мощность преобразователя изменяется в процессе работы, полная компенсация реактивной мощности в схеме возможна лишь в одном из режимов. В других режимах возможна неполная компенсация реактивной мощности либо генерация в сеть избыточной реактивной мощности. Выбор емкости конденсаторов при этом определяется режимами работы преобразователя и сети, а также экономическими соображениями, поскольку увеличение емкости конденсатора повышает стоимость установки.

С целью снижения уровня высших гармонических составляющих в сети при работе вентильных преобразователей к сети подключают фильтрокомпенсирующие устройства. На рис. 7.11 представлена схема такого устройства, содержащего систему многофазных колебательных LC-контуров с резонансом напряжений. Частота резонанса в каждом из этих контуров соответствует частотам наиболее интенсивных высших гармонических составляющих напряжения сети, обусловленных работой преобразователя (или другой нелинейной нагрузки). В трехфазных системах гармоники, кратные трем, обычно в силу симметрии отсутствуют, и гармоническими составляющими напряжения в сети бывают 5, 7, 11, 13-я и т.д. гармоники. Низшие из них наиболее интенсивны.

Резонансная частота контура для этого контура выполняется соотношение

В контуре резонанс наступает на частоте поэтому

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 сопротивление контуров имеет емкостный характер и конденсаторы компенсируют реактивную мощность, потребляемую преобразователем, подобно конденсаторам схемы рис. 7.10, а. За счет этого рассматриваемое фильтрокомпенсирующее устройство не только позволяет снизить искажения формы питающего напряжения в сети, но и уменьшить потребление реактивной мощности по основной гармонике, поэтому это устройство можно считать также источником реактивной мощности.

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 , в трехфазных схемах используются три аналогичные схемы.

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 генерируют реактивную мощность .

Рассмотрим работу тиристорного преобразователя переменного напряжения на чисто индуктивную нагрузку.

При и широких управляющих импульсах преобразователь работает в режиме непрерывного тока, когда и поочередно открыт то один, то другой тиристор. Через индуктивность протекает синусоидальный ток, равный принужденной составляющей (рис. 7.12, б)

При увеличении (рис. 7.12, в, г) энергия, накапливаемая на интервале в индуктивности, уменьшается, при этом уменьшается и интервал, на котором индуктивность отдает энергию в сеть. Кривая тока в индуктивности остается симметричной относительно показанной на рисунке оси, а угол, в течение которого тиристоры проводят ток, Между импульсами тока возникают разрывы (рис. 7.12, в и г). Первая гармоника тока индуктивности сдвинута относительно напряжения на угол при любом угле управления

Ток в индуктивности равен сумме принужденной и свободной составляющих процесса:

Учитывая, что при включении тиристора получим

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 (зависимость приведена на рис. 7.12, д). Таким образом, рассматриваемая цепь при изменении угла управления выполняет роль управляемой индуктивности

Результирующая реактивная мощность схемы на рис. 7.12, а Если выбрать реактивная мощность Q всегда будет иметь емкостный характер. Зависимость Q от угла управления приведена на рис. 7.12, д.

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.

7.1. 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 = const на RL-нагрузку в режиме непрерывного тока. Как изменится costp и реактивная мощность, потребляемая преобразователем, если последовательно нагрузке включить сглаживающий дроссель?

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 для однофазного выпрямителя без нулевого вентиля и с нулевым вентилем (RL-нагрузка, индуктивность L велика).

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.