Коэффициент мощности тиристорного электропривода постоянного тока.

Коэффициентом мощности в установках переменного тока называется отношение активной мощности, потребляемой установкой к полной.

Для расчета режима работы сети переменного тока, влияния работы тиристорного электропривода на питающую сеть необходимо знать величину полной мощности, потребляемую ТП.

Коэффициент мощности позволяет определить полную мощность, потребляемую преобразователем электрической энергии, если известна активная мощность нагрузки преобразователя и его коэффициент мощности. При определении коэффициента мощности ТП необходимо учитывать несинусоидальность потребляемого им из сети тока.

На рис 60 представлены диаграммы напряжения u₁ питающей сети и тока i₁, потребляемого однофазным мостовым ТП из сети при допущении идеальной сглаженности выпрямленного тока (wL_н = ¥) и мгновенной коммутации.

Из несинусоидального тока i₁ может быть выделена первая гармоника i₁₍₁₎, отстающая от напряжения u₁ на угол j. Соответственно активная мощность P, потребляемая преобразователем, выражается следующей формулой:

P = U₁ I₁₍₁₎ cos j (3-60)

где U₁ - действующее напряжение сети;

I₁₍₁₎ - действующее значение первой гармоники тока, поступающего из сети;

j - угол сдвига первой гармоники тока по отношению к напряжению питающей сети.

Полная мощность, потребляемая выпрямителем, на основании общего определения может быть записана в виде:

(3-61)

где I₁ - действующее значение несинусоидального тока, поступающего из сети;

I_n - действующее значение его n-ой гармоники.

Коэффициент мощности преобразователя:

c - это отношение активной мощности к полной, и в соответствии с формулами (3-60) и (3-61) он может быть выражен следующим соотношением:

(3-62)

Степень несинусоидальности тока в данном случае характеризуется коэффициентом искажения формы первичного тока n, определяемым как отношение действующего значения первой гармоники тока к действующему значению всего тока.

Для несинусоидального тока помимо активной мощности P и реактивной мощности Q вводится понятие мощности искажения T, определяемой как:

(3-63)

Мощность искажения T характеризует степень различия в формах кривых тока и напряжения. Для рассматриваемого случая форма кривой напряжения питающей сети- синусоидальная, а тока - прямоугольная, поэтому мощность T отлична от нуля. Из рис 60 видно, что для идеализированной схемы однофазного выпрямителя (при wL_н = ¥ и угла коммутации g = 0) ток i₁₍₁₎ отстает от напряжения u₁ на угол j, равный углу a. Поэтому коэффициент мощности можно выразить как:

c = n cos a (3-64)

В идеализированных схемах 3-х фазного нулевого и 3-х фазного мостового преобразователей углы a и j также равны друг другу и коэффициент мощности определяется по (3-64).

Коэффициенты искажения формы первичного тока согласно {лит 2} при прямоугольной форме потребляемого тока равны:

n = (2Ö2 / p) - для однофазной мостовой схемы;

n = (3 / p) - для 3-х фазной мостовой схемы.

При синусоидальном первичном напряжении получается, что чем ближе форма первичного тока к синусоиде, тем ближе к единице коэффициент n.

На рис 61 показаны формы первичного тока для различных схем преобразователей, которые получаются при идеальном сглаживании выпрямленного тока I_d. Приведены, так называемые “коммутационные функции” для однофазной мостовой (а), 3-х фазной нулевой (б), 3-х фазной мостовой (в) и для 12-ти пульсной (г) схем выпрямления.

Мы видим, что по мере увеличения пульсности форма первичного тока приближается к синусоиде и, значит, коэффициент искажения n приближается к единице.

Для более точного определения коэффициента мощности необходимо учитывать угол коммутации g. В этом случае коэффициент сдвига (cos j) может быть определен по приближенной формуле:

cos j = cos (a + (g/2)) (3-65)

Угол коммутации g также влияет на коэффициент n, но в большинстве режимов работы, когда g не превосходит 30°, это влияние незначительно.

Из вышеизложенного следует, что коэффициент мощности вентильного преобразователя носит индуктивный характер (преобразователь потребляет из сети реактивную мощность) и в основном определяется углом управления a.

Здесь будет уместным вновь рассмотреть физические процессы, связанные с работой вентильных электроприводов, процессы, связанные с потреблением активной и реактивной мощности, с понятием полной мощности и ее составляющими.

При определении энергетического режима работы силовой установки (тиристорного преобразователя) важно выяснить, когда она является приемником электрической энергии и когда- источником. Для определения этого необходимо воспользоваться известными признаками источника и приемника, что рассмотрено в параграфе 3.3.1. Эти признаки нужно применить к таким объектам энергетического процесса, как питающая сеть и силовая установка (ТП).

Рассмотрим диаграммы напряжения и тока, изображенные на рис 60.

Здесь питающее напряжение u₁ синусоидальное. Ток представлен первой гармоникой в общем несинусоидальном токе i₁₍₁₎ . Из диаграммы видно, что на интервале 0-1 напряжение u₁ и ток i₁₍₁₎ имеют разные знаки, т.е. их направление не совпадают. Это значит, что на интервале 0-1 сеть является приемником электроэнергии, а силовое устройство, подключенное к сети, - источником.

На участке 1-2 знаки напряжения и тока одинаковы. Напряжение и ток по направлению совпадают. Здесь сеть- источник энергии, силовая установка- приемник.

В зависимости от соотношения длительности интервалов времени 0-1 и 1-2 изменяется коэффициент сдвига (cos j). Наибольшее значение он имеет при полной сонаправленности полуволны тока с полуволной напряжения сети, или при полной противонаправленности полуволны (cos j = 1).

Наименьшее значение коэффициент сдвига имеет при отставании синусоиды тока от синусоиды напряжения на угол 90°.

Рассмотрим этот случай подробнее. На протяжении полуволны переменного напряжения энергия, поступает в электротехническое устройство при совпадении направления тока и напряжения и возвращается в сеть, когда эти направления противоположны.

Возникает вопрос- в каком элементе ТП эта энергия накапливается, чтобы со сдвигом в 90° она затем стала поступать обратно в сеть?

Одним из таких элементов является питающий трансформатор тиристорного преобразователя. Вторым- индуктивность в цепи выпрямленного тока. В них накапливается энергия в виде магнитного поля. Затем при размагничивании трансформатора и магнитной цепи постоянного тока эта энергия отдается в сеть. Таким образом по проводам протекает ток, создавая потери мощности в сопротивлениях проводов и не выполняя никакой полезной работы. При этом тиристоры, включаясь с углом управления a = 90° только управляют потоками энергии, но не аккумулируют ее.

Возникает вопрос, что изменится в этом процессе движения энергии, если устранить аккумулирующие устройства- силовой трансформатор, питающий схему преобразователя и индуктивности в цепи выпрямленного тока, т.е. подключить вентили прямо к сети переменного тока?

Необходимо понимать, что сдвинутый относительно напряжения ток в виде большей или меньшей составляющей общего тока энергосистемы, проходит по всей энергетической сети, начиная от генератора электростанции, производящего электрическую энергию. Проходя через все ступени преобразования энергии на подстанциях, и в каждом повышающем или понижающем трансформаторе эта составляющая тока производит намагничивание и размагничивание железа.

Поэтому устранение последнего звена- питающего трансформатора и сглаживающего дросселя тиристорного преобразователя- несущественно. Перемагничивание всех предыдущих звеньев- силовых трансформаторов- остается, а значит остается и потребление реактивной мощности.

3.7.2. Влияние работы тиристорного электропривода на питающую сеть.

Так как в вентильном электроприводе постоянного тока имеет место непосредственная связь нагрузки с сетью, то все процессы, происходящие в цепи нагрузки, оказывают существенное влияние на питающую сеть.

Как правило, это влияние негативно. Этот отрицательный фактор проявляется в виде искажений 3-х фазного синусоидального напряжения питающей сети.

Перечислим виды возможных искажений напряжения и причины, их вызывающие:

Снижение действующего значения переменного напряжения вследствие потребления из сети активной мощности. Этот вид влияния имеет место не только в вентильном электроприводе, он характерен для любого типа электропривода.

Индуктивная составляющая тока сети сдвинута на 90° относительно синусоиды напряжения (механизм этого сдвига был описан выше), вызывает намагничивание железа всех трансформаторов, по обмоткам которых она протекает, и снижает общий коэффициент мощности сети. Намагничивая железо трансформаторов, эта составляющая тока приближает трансформаторы к насыщению, снижая их перегрузочную способность.

Несинусоидальность тока, потребляемого тиристорным преобразователем, а также возможная асимметрия тока в фазах вызывают искажения питающего напряжения, т.е. отклонение формы напряжения от синусоидального и сдвиг фазных, а значит, и линейных синусоид, относительно друг друга.

Коммутационные провалы в кривых синусоид питающего напряжения. Эти провалы вызваны тем обстоятельством, что в интервале коммутации имеет место междуфазовое короткое замыкание коммутируемых фаз. При этом ток в одной фазе сети интенсивно снижается от значения I_d до нуля, а в другой с такой же скоростью увеличивается от нуля до I_d .

Таким образом, изменение тока в индуктивностях сети вызывает появление ЭДС самоиндукции, которая проявляется в виде более или менее глубоких провалов в синусоидах напряжения (рис 62).

Глубина провалов зависит от соотношения мощностей вентильного электропривода и мощности короткого замыкания сети.

Чем выше мощность последней, тем менее глубокими являются провалы напряжения. Эти провалы напряжения не безвредны. Их можно рассматривать как высокочастотные искажения питающего напряжения.

Высшие гармоники вызывают дополнительные потери мощности в стали трансформаторов и электрических машин. “Правила технической эксплуатации электроустановок” ограничивают суммарную мощность всех высокочастотных искажений в сети величиной 5% от номинальной мощности сети.

3.7.3. Улучшение коэффициента мощности тиристорных преобразователей.

С ростом угла управления a увеличивается реактивная мощность Q, потребляемая преобразователем из сети, а его коэффициент мощности согласно (3-62) становится меньше, т.е. ухудшается.

Это явление снижает технико- экономические характеристики электрической сети. Поэтому на практике часто принимают меры по повышению коэффициента мощности вентильных электроприводов. Принятие таких мер тем более целесообразно, чем выше мощность электропривода, т.к. в этом случае даже небольшое повышение коэффициента мощности дает значительный экономический эффект за счет экономии электрической энергии.

Простейшим способом повышения коэффициента мощности является установка источников реактивной мощности, например, конденсаторов на первичной стороне трансформатора, питающего преобразователь. Емкость, включенная на синусоидальное напряжение, обеспечивает опережающий сдвиг тока относительно напряжения, т.е. эти устройства вырабатывают реактивную мощность и, таким образом, компенсируют отставание тока от напряжения, вызванное работой ТП на активно- индуктивную нагрузку.

При установке статических конденсаторов с целью улучшения коэффициента мощности тиристорного электропривода постоянного тока (система ТП-Д) возникает опасность выхода из строя этих конденсаторов из-за высокочастотных искажений синусоидального напряжения сети (коммутационных провалов). Дело в том, что для высших гармоник емкостное сопротивление конденсаторов очень мало и через эти емкости проходят большие токи высокой частоты, которые разогревают емкости и статические конденсаторы взрываются от перегрева. Поэтому в системах ТП-Д повышение коэффициента мощности с помощью статических конденсаторов возможно только в тех случаях, когда мощность короткого замыкания сети не менее, чем на два порядка превышает мощность тиристорного электропривода, и т.о. высокочастотные искажения напряжения незначительны.

Для мощных электроприводов нашли применение преобразовательные установки с последовательным соединением двух преобразователей, каждый из которых состоит из 3-х фазной мостовой схемы с питанием от отдельных трансформаторов или от одного трансформатора с двумя системами вторичных обмоток.

Мосты рассчитываются на половинное напряжение и на полный ток нагрузки, т.е. на половину полной мощности преобразовательной установки.

Такой преобразователь с двумя мостами работает следующим образом.

Если оба моста полностью включены (a₁ =a₂ =0),напряжение преобразователя максимальное. При регулировании напряжения в сторону снижения вначале изменяется угол a₁ и снижается выпрямленное напряжение одного моста, а напряжение второго моста остается постоянным. Когда напряжение первого моста снижается до нуля, результирующее напряжение преобразователя снижается до половинного значения, а при переводе первого моста в инверторный режим (b®b_min) напряжение преобразователя стремится к нулю. Затем увеличивается угол управления a₂ второго моста и напряжение преобразователя стремится к максимальному отрицательному в инверторном режиме.

Таким образом, напряжение преобразователя определяется соотношением:

U_{d å} = U_{d0 å} ((cos a₁ + cos a₂)/2) (3-66)

Описанный способ управления преобразователем называют согласно-встречным управлением.

Одним из достоинств рассмотренной схемы последовательного соединения мостов является значительное уменьшение потребления реактивной мощности и повышение коэффициента мощности.

Это связано с тем, что при регулировании напряжения один из мостов всегда работает с минимальным потреблением реактивной мощности, т.е. этот мост работает в выпрямительном режиме при значении угла a близком к нулю, или в инверторном режиме при угле a₁ близком к 180°.

Потребляемая реактивная мощность всего преобразователя определяется, в основном, реактивной мощностью второго моста. Эта мощность вдвое меньше реактивной мощности одномостового преобразователя, т.к. мощность каждого моста в двухмостовой схеме равна половине полной мощности преобразовательной установки.

Необходимо также отметить, что в рассмотренной схеме преобразователя повышается значение коэффициента искажения формы первичного тока n и, значит повышается значение коэффициента мощности (3-64). Повышение коэффициента n связано с тем, что мост ТП1 питается от вторичной обмотки трансформатора, включенной по схеме “звезда”, а мост ТП2- от обмотки трансформатора, включенной по схеме “треугольник”. Напряжение питания ТП2 сдвинуто от напряжения питания ТП1 на угол 30°. Таким образом в результате получается двенадцатипульсное выпрямление.

Кроме рассмотренных выше способов повышения коэффициента мощности электропривода по системе ТП-Д существует ряд других способов. Одним из них является реализация регулирования напряжения за счет опережающего угла a, при этом реактивная мощность генерируется в сеть.

Однако широкого распространения в практике этот способ не находит из-за его сложности и ненадежности.

4.0.0. Импульсное регулирование напряжения электропривода постоянного тока.