Лекция No 11 Взаимодействие преобразователя с сетью и нагрузкой

 

 

1. Энергетические показатели в сети

 

В электрических цепях с несинусоидальной формой тока можно выделить следующие составляющие мощности [1, 2]:

• активную мощность , определяемую синусоидальным напряжением и синусоидальной составляющей тока, находящейся в фазе с кривой напряжения;

• реактивную мощность , определяемую синусоидальным напряжением и синусоидальной составляющей тока, сдвинутой относительно кривой напряжения;

• мощность искажения , определяемую синусоидальным напряжением и высшими гармониками тока;

• полную мощность .

Понятие коэффициента мощности связано с цепями переменного тока. В линейных цепях переменного тока, питаемых синусоидальным напряжением, коэффициент мощности определяется как , где - угол сдвига фаз между синусоидальной кривой напряжения питания и синусоидальной кривой тока. Причины, приводящие к тому, что коэффициент мощности становится меньше единицы, обусловлены явлением накопления энергии и искажением кривой тока по сравнению с кривой напряжения питания.

В цепях, питаемых переменным синусоидальным напряжением, в которых появляются периодические токи несинусоидальной формы, выделяют две составляющие коэффициента : коэффициент, обусловленный сдвигом фаз между первой гармоникой тока и напряжением ( ), и коэффициент, обусловленный искажением кривой тока по отношению к кривой напряжения ( ). Коэффициент фазового сдвига определяется по выражению

,

коэффициент искажения - по выражению

,

где - действующее значение первой гармоники тока;

- действующее значение тока цепи;

,

где - действующее значение напряжения питания.

В общем виде коэффициент мощности можно найти из выражения

.

От значения коэффициента мощности приемников, подключенных к питающей сети, зависит степень использования устройств, вырабатывающих и передающих электроэнергию. Уменьшение коэффициента мощности должно сопровождаться ограничением активной мощности, потребляемой этим устройством, что ведет к ухудшению использования питающей сети, трансформаторов, распределительных аппаратов и генераторов электрической энергии.

Рис.1. Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности однополупериодного выпрямителя от угла регулирования и фазового угла нагрузки

 

Рис.2. Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности двухполупериодного выпрямителя от угла регулирования и фазового угла нагрузки

 

Рис.3. Трехпульсный (нулевой) выпрямитель. Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности трехфазного выпрямителя от угла открытия и фазового угла нагрузки

 

Рис.4. Зависимости составляющих полной мощности и коэффициента мощности трехфазного мостового выпрямителя от и

 

Коэффициент сдвига при точном учете процесса коммутации вычисляется следующим образом:

,

где угол коммутации равен

.

При линейной аппроксимации тока на интервалах коммутации формула для коэффициента сдвига упрощается:

.

По найденным коэффициенту искажения и коэффициенту сдвига определяется коэффициент мощности как произведение .

Работа любого преобразователя сопровождается потерями электрической энергии в различных элементах схемы на их активных сопротивлениях. Величина этих потерь характеризуется коэффициентом полезного действия, который зависит от режима работы преобразователя.

Найдем зависимость коэффициента полезного действия от среднего значения выпрямленного тока при постоянстве угла регулирования. Коэффициент полезного действия определяется отношением полезной активной мощности на выходе вентильного преобразователя к активной мощности на входе. Тогда при работе преобразователя в выпрямительном режиме по определению

,

а при работе в инверторном режиме

,

где - КПД;

– активная мощность в звене постоянного тока (в пренебрежении пульсациями тока);

– суммарные потери активной мощности – в трансформаторе ( ), в вентилях ( ), фильтре ( ), на вспомогательные нужды ( );

– активная мощность в первичной обмотке трансформатора.

Указанные активные мощности определяются следующим образом:

,

где и - мощность потерь в стали трансформатора и примерно равная ей мощность потерь в режиме холостого хода;

и - мощность потерь в меди трансформатора и примерно равная ей приведенная с коэффициентом мощность потерь в режиме короткого замыкания:

,

где - число вентилей в преобразователе,

.

Так как все рассмотренные мощности зависят от выпрямленного тока, то и КПД будет функцией тока нагрузки. В режиме номинального тока при максимальном выпрямленном напряжении значения КПД лежат в пределах 0,9...0,96.