Коэффициент мощности и основные технико-экономические показатели вентильного электропривода

Вследствие специфики режима работы вентилей происходит искажение формы кривой тока, потребляемого ТП из сети, а при регулировании выходного напряжения преобразователя возникает дополнительное искажение формы кривой тока и сдвиг по фазе между напряжением и током, т.к. ток через вентили начинает проходить позднее, чем при отсутствии регулирования. Отключение вентилей, т.е. прекращение тока, также происходит соответственно позднее. При достаточной индуктивности якорной цепи ток через вентили продолжает протекать в том же направлении даже при изменении знака напряжения.

Важнейшим энергетическим показателем вентильного преобразователя и вентильного электропривода, является коэффициент мощности, который характеризует использование питающей системы. При синусоидальном U и I он равен косинусу угла сдвига по фазе между током и напряжением. В вентильных установках напряжение по форме кривой близко к синусоиде (в действительности кривая первичного напряжения несинусоидальна, что является следствием несинусоидальности потребляемого из сети тока). Кривая же тока резко искажена в/r. Поскольку в/r напряжения , созданные вентильным преобразователем в питающей системе, опережают по фазе на 90° создавшие их в/r тока, активная мощность этих гармоник равна 0. Активная мощность передается основной гармоникой напряжения, основной гармоникой тока, а также высшими гармониками активного тока вентильного преобразователя и в/r напряжения питающей системы, которые созданы другими источниками (другими ТП, дуговыми печами и т.п. ).

Активная мощность в/r не совершает полезной работы в вентильном электроприводе, а рассеивается в виде потерь, ухудшая КПД электропривода. Полезную работу совершает часть активной энергии основной гармоники , другая часть этой энергии также рассеивается в преобразователе и двигателе. Вследствие относительной малости активной мощности в/r токов и напряжений принято определять активную мощность (и энергию) по основным гармоникам токов и напряжений. Полная мощность определяется с учетом всех гармоник.

Отношение активной мощности к полной характеризует использование питающей энергосистемы и называется коэффициентом мощности вентильного электропривода.

Полная мощность, потребляемая преобразователем из сети первичного тока.

, где N – мощность искажения.

Т.к. ; , то

, где

n_u , n_I – коэффициенты искажения напряжения и тока, а n - коэффициент искажения мощности или просто коэффициент искажения.

В бестрансформаторных схемах при достаточной индуктивности в цепи выпрямленного тока

a=j₁ и cosj₁=cosa

В трансформаторных схемах

С достаточным приближением можно считать, что

т.к напряжению U_d соответствует скорость w при данном угле регулирования, а напряжению U_do – скорость идеального холостого хода при этом угле.

Отсюда следует, что коэффициент мощности вентильного электропривода зависит от скорости при регулировании и нагрузки на валу, т.е. он пропорционален степени снижения скорости. Снижение w и соответственно увеличение угла a, а также увеличение тока нагрузки приводит к уменьшению c. На графике приведена зависимость c от w при номинальной нагрузке на валу. Пунктиром показана зависимость коэффициента мощности системы ГД (cosj АД от w). Видно, что коэффициент мощности системы ТП-Д уступает системе ГД. С целью повышения значения c применяются методы искусственной коммутации вентилей и специальные резонансные фильтры, обеспечивающие резонанс напряжений на соответствующей гармонике и малое сопротивление для этой гармоники на входе преобразователя.

КПД системы ТП – Д

Для режима непрерывного тока

т.о.

Учитывая, что числитель этого выражения ºw, можно написать

Анализ этого выражения и значения h показывает, что КПД системы ТП- Д зависит как от нагрузки двигателя на валу, так и от скорости при регулировании. В случае M_c=const со снижением w КПД уменьшается. Сравнение приведенных на графике зависимостей h от w при номинальной нагрузке на валу двигателя показывает, что он выше, чем в системе ГД.

Основные достоинства системы ТП-Д:

1. Высокое быстродействие преобразователя, т.к. T_П=0,01 с

2. Более высокий КПД по сравнению с системой ГД

3. Незначительная мощность управления

4. Большой срок службы

5. Малые габариты и вес преобразователя

6. Простота осуществления резервирования и взаимозаменяемости блоков и узлов ТП

7. При использовании нереверсивного преобразователя установленная мощность системы составляет ~ 2 P_двиг, т.е. меньше, чем в системе ГД. При использовании реверсивного ТП она ~ равна мощности в системе ГД

Недостатки сиcтемы:

1. Уменьшение коэффициента мощности преобразователя при уменьшении скорости

2. Значительное искажение кривой тока, потребляемого преобразователем из сети

3. Неминуемые при регулировании угла a колебания реактивной мощности, особенно при большой мощности электропривода, приводящие к колебаниям напряжения в питающей сети