4.4. Электржетектердің энергетикалық қасиеттері. Статикалық режимдерде механикалық және электромеханикалық түрлендіргіштердің энергетикалық сипаттамалары

Электржетектің элементтерінің энергетикалық көрсеткіштері бірігіп жұмыс істеген кезде, бұл элементтер бір-бірінің режимдерін шарттаған кезде олардың қасиеттерімен анықталады. Бірақ олардың жалпы сипаттамалары туралы түсініктерді түрлендіргіш элементтердің әр түрінің қасиеті негізінде алуға болады.

Механикалық энергияны түрлендіргіштер. Электржетектің механикалық бөлігінде энергия шығынын анықтайтын негізгі факторлар беруші және орындаушы механизмдердің орын ауыстыратын элементтері арасындағы соқтығысуы бар болуымен байланысты.

4.18-сурет. Соқтығу кезінде туындайтын күшті есептеуге.

Соқтығудың екі түрі бар:сырғанау және тербелу.

Сырғанау соқтығуы механизмдердің бір бірінен сырғанайтын элементтердің кедір бұдырлығының әсерлесуімен байланысты. Өзара қозғалуға реакция ретінде туындайтын соқтығу күші өзара әсерлесуші бөлшектердің материалына және әсерлесу күшіне перпендикуляр әсер ететін күшке байланысты. Соқтығудың мұндай түрі сырғанау подшипниктері үшін сипатты, ол бағыттаушы лифтті қондырғыларда туындайды. Сырғанау соққысынан туындайтын соқтығу күші сырғанаудың соқтығуының белгілі коэффициенттері негізінде анықталады.

4.18-сурет. Тербелу кезінде туындайтын күшті есептеу.

Тербелу соқтығуы дөңгелек денелерді олардың өзара деформациясынан бетте тербеу кезінде туындайды. Соқтығудың мұндай түрі шарикті роликті тіреулерде, тербелу подшипниктерінде орын ауыстыру механизмдерінде туындайды. Тербелу кезінде кедергіні сипаттайтын көлем қозғалған дененің айналу осіне қатысты тербелудің соқтығу моменті. Тербелудің соқтығу моментінің мәні өзара әсерлесуші денелердің материалдарын байланысты. Қозғалатын дененің диаметрі бір жағынан тербелудің соқтығуының моментіне әсер етеді,екінші жағынан үлкен диаметр кезінде айналу аз. Сондықтан тербелудің соқтығу моменті бірінші жақындауда өзара әсерлесу денелердің материалдарына және олардың бір-біріне қалыпты қысымына тәуелді. Осыған ұқсас сырғанаудың соқтығу коэффициентіне тербелудің соқтығу коэффициенті беріледі.

мұндағы М_{т к} тербелудің соқтығу моменті.

Соқтығудан туындаған аталған күштер механизмдердің жанасатын бөлшектерінің өзара орын ауыстыруы кезінде энергия шығынын анықтайды, осы кезде қуат шығыны өзара орын ауыстырудың салыстырмалы жылдамдығына байланысты:

немесе

мұндағы , - үйкелетін беттердің салыстырмалы сызықты және бұрыштық жылдамдықтары.

Кез-келген беруші және орындаушы механизмде энергияны беру және түрлендіру болмаған жағдайда да ішкі күштер әер етеді, сондықтан соқтығулар және энергия шығындары механизмдердің бос жүрісі кезінде де туындайды. Энергияны беру және түрлендіру кезінде қалыпты күштер өседі және соқтығудың, шығынның лайық күштері және моменттері ұлғаяды. Сондықтан жалпы түрде соқтығу уақытты келесі түрде жазуғы болады:

(4.28)

мұндағы М_х механизмнің бос жүрісі кезінде соқтығу күштерімен шартталған момент; b- берілген механизм үшін тиімді жүктеме кезінде соқтығуға шығынның ұлғаюын анықтайтын пропорционалдық коэффициенті.

Электромеханикалық түрлендіргіштер. Электрқозғалтқыштардың ПӘК 4.3-сурет. көрсетілгенге ұқсас жүктемелерге тәуелділігі. Бірақ механикалық элементтер үшін келтірілген түрлену жолы электрқозғалтқыштар үшін жарамсыз, себебі олардағы шығындар қиын электрлік, магнитті және механикалық жүктемелер болады.

Сол уақытта элетрқозғалтқышқа мақсатты түрде бағыттаған кезде белгілі бір шектерде білікте жұмыс режимін өзгертпей оның суммалық шығындарын өзгерту мүмкіндігі бар. Энергетикалық тұрғыдан аз шығындармен сипатталатын қозғалтқыштың жұмыс режимі ең тиімді болады. Электр машиналарында шығындарды азайту үшін потенциалды мүмкіндіктер электржетектің жұмыс режиміне байланысты құрайшы шығындарды анализдей отырып шығаруға болады.

Жалпы жағдайда электрқозғалтқыштарда энергия шығынының қуаты шығындар суммасымен және қозғалтқыштарды тиеумен анықталатын шығындардың суммасымен көрсетуге болады.

Қуаттың тұрақты шығындары болаттағы шығыннан , механикалық және қозу тогынан Рв дан тұрады.

Болаттағы шығындар арынның өзгеруінің жиілігіне және амплитудасына байланысты:

=

мұндағы электротехникалық болаттың маркасына байланысты.

Механикалық шығындар қозғалтқыштың бұрыштық жылдамдығымен анықталады:

=

Асинхронды қозғалтқыштарды (АД) магнит ағынын тудыруға арналған арнайы қозу орамы жоқ. АД ағыны магниттеу тогы деп аталатын статор тогыгың реактивті құраушысымен тудырылады. Сондықтан АД үшін қозу тогы үшін шығындар:

мұндағы r₁- стаотор орамының активті кедергісі.айнымалы шығындар АР_v мыстағы шығындармен анықталады, ол жүктеме тогының және орамдардың кедергісінің квадратына пропорционал. Тұрақты ток қозғалтқыштары үшін:

Асинхронды қозғалтқыштар үшін айнымалы шығындар статор және ротор орамдарында шығындардан тұрады. Аз сырғанаулар аумағанда жұмысы кезінде АД ның векторлы диаграмммасынан:

мұндағы I₁- АД статорының тогы; I₂-статорға келтірілген АД ның роторының тогы.

Сол үшін асинхронды қозғалтқыштар үшін:

мұндағы r₂- ротор фазасының статорға келтірілген кедергісі.

Кейінгі анализ үшін айнымалының ағымдық мәнінің номинал мәнге қатнасы ретінде анықталатын салыстырмалы бірліктерге өтуге болады. Салыстырмалы бірліктерде көрсетілген айнымалылар жақын болашақта қосымша символдармен белгілейтін боламыз. Тұрақты ток қозғалтқыштары және асинхронды қозғалтқыштар үшін қатынастар салыстырмалы бірліктерде жалпы болуы үшін тұрақты тоқ қозғалтқышы үшін келеі белгілерді енгіземіз:

Қозғалтқыштық қалыпты жұмыс режимі үшін құраушы шығындардың салыстырмалы мәндерін келесідей белгілейміз:

Жүктеме тогы және біліктегі момент арасындағы байланыс тұрақты ток машиналары үшін келесі түрге ие болады:

Ал синхронды машиналар үшін:

4.5 Электр энергия түрлендіргіштердің энергетикалық ерекшеліктері.

U^var

Электр энергия түрлендіргіштері айнымалы токты тұрақтыға түрлендіреді және керісінше, шығыстық ток немесе кернеуді реттейді немесе тұрақтандырады, айнымалы ток жиілігін өзгертеді. Электр жетекте электр энергия түрлендіргіштердің екі негізгі типі қолданылады: электр машиналық және статикалық. Электр энергияның сапасы мен электр машиналық түрлендіргіштері желі жұмысына әсері көзқарасы статикалықтың алдыңда артықшылыққа ие, бірақ оларды қолдану үлесі үнемі азаюда, өйткені олар статикалық түрлендіргіштерге қарағанда пішіні үлкен және ең жақын ПӘК-ке ие.

U =const

* const

4.19-сурет. Айнымалы ток жиілігін тұрақтыға түрлендіретін электр машиналық түрлендіргіштер сұлбасы.

Шығыстық кернеуді амплитуда және жиілік бойынша электр машиналық сұлбада реттеледі, 4.19-суретте көрсетілген. М3 машинаның жылдамдығы якорь орамындағы кернеу өзгерісімен реттеледі. М3 білігінде М4 синхронды генератор орналасқан, онда статор кернеуінің жиілігі жылдамдыққа пропорционал, ал кернеудің амплитудасы ток орамының М4 қоздырғышымен реттеледі.

Электр энергияны электр машиналық түрлендіргіштердің энергетикалық көрсеткіштерін әр электр машиналарының шығындарын бөлек бағалауға болады, ол үшін лайықты ара қатынас қолдану керек.

Күштік статикалық түрлендіргіштердің ішінде ең көп таралған және перспективалы жартылай өткізгішті түрлендіргіштер (ЖӨТ) базадағы диод, тиристор және транзистор болып табылады. Өзінің энергетикалық қасиеті бойынша электр энергияны статикалық түрлендіргіштер бірқатар ерекшеліктерге ие, оның бастысы электр энергияны беру каналындағы жоғары шығындар мен қоректенуші желідегі кернеудің бұзылуын шақыратын, жоғарғы гармоникалық ток пен кернеудің генерациясы болып табылады.

Жартылай өткізгішті түрлендіргіштердің ең көп таралған сұлбасы 4.20-суретте көрсетілген. Оқырмандар оның жабдығы мен іс-әрекет принципімен таныс деп ойлап ешқандай мәліметтер келтірмейміз. Егер қиыншылықтар кездессе, онда (5)-ке немесе басқа да мүмкін түрлендіргіш техникасы бойынша кітаптарға сүйену қажет.

Электр энергияны түрлендіру мен реттеу процесі кілттік режимдегі жартылай өткізгішті құралдардың жұмысы арқылы түрлендіргіште өңделеді. Оған себеп түрлендіргіштердің кірісі мен шығысында жоғары гармоникалық токтың пайда болуынан туындайды.

ЖӨТ-тің ерекшелігі шығыстағы кернеуді фазалық амалмен реттеуі шарт. Бұл реттеу желілік кернеудің тиристорды қосу моментінің кідіруі қатынасы әсерінен іске асады. Соның әсерінен бірінші гармониканың ток құраушысы желінің жиілігімен анықталатын, желідегі кернеуге қарағанда біршама бұрышқа ығысады. Сондықтан түрлендіргішті фазалық басқаруды реактивтік қуат тек қана жоғары гармоникалық жиілікте емес, сонымен қатар желі жиілігінде қолданылады.

Жоғарыда белгіленген ЖӨТ-тің ерекшеліктері негативті болып табылады, себебі ол электр жетектің күштік каналында шығынның көбеюіне алып келеді және басқа да қажет емес эффекттер (қозғалтқыш орама оқшауламасының жылдам ескіруі, коллеторлық машинаның коммутациясының қиындау және т.б.)

ЖӨТ-дің электр машиналықпен салыстырғанда айтарлықтай оң қасиеті ток құраушы бірінші гармониканың аз шығыны болып табылады.

Бұны біріншіден, электрмашинасымен салыстырғанда түрлендіргіше шығын аз болады (механикалық шығынның, электр машинаны қоздыратын шығынның болмауы) және екіншіден, электр энергияны түрлендірудің аз сан сатысымен. Осы артықшылықтар келесі салыстыруда көрініп тұр.

Автономды инверторлар /-const U*const

Фильтр түзеткіш

			)2			г-
	) 2
				, i	г-— ■	О

4.21 - сурет. Жартылай өткізгішті түрлендіргіштердің күштік сұлбасы. ж)

а) – үш фазалы көпірлі сұлба бойынша тұрқты ток; б) – үш фазалы нөлді сұлба бойынша тұрақты ток; в) – ШИМ әдісімен кернеуді реттеу үшін транзисторлық кілті бар тұрақты ток; г) – тұрақты жиілік кезінде кернеуді реттеу үшін айнымалы ток; д) – тікелей байланысы бар жиілік; е) – буыны бар тұрақты ток жиілік; ж) – транзисторлы автономды жиілік; я) – электр машиналық және жартылай өткізгіштік түрлендіргіш жиілігі тиристорлық автономды инвертор. 4.20.-суретте келтірілген сұлбада энергияны түрлендіру төрт еседе жүргізіледі, ал жиілікті жартылай өткізгішті түрлендіргіштерде бао болғаны бір немесе екі түрлендіру сатысы бар. Қазіргі заманғы жартылайөткізгішті түрлендіргіштердің номиналды ПӘК – і жеткілікті жоғары және мыналарды құрайды: түзеткіштер үшін – 0,95 – 0,98, ал жиілікті түрлендіргіштер үшін – 0,9 – 0,95, электромеханикалық түлендіргішердің ПӘК – і айтарлықтай төмен. Жуықтап алғанда ПӘК – ң жүктемеден тәуледілігін ескермегенде номиналды режимде оны деп санауға болады

,

мұндағы - жетектік қозғалтқыштың номиналды ПӘК; к – энергияның түрленуінің сатысының саны.

Сондықтан қазіргі заманғы орташа қуатты электр машиналарының ПӘК – і 0,85 – 0,9, онда екі еселенген энергияны түрлендірген кезде 0,7 – 0,8 – ден, ал үш еселенген түрлендіру кезінде 0,5 – 0,65 – тен аспайды.

Жартылайөткізгішті түрлендіргіші бар электржетектің энергетикалық көрсеткішін бағалай отырып, мыналарға көңіл бөлу қажет:

-түрлендіргіштегі токтың бірінші гармоникасының шығындарына;

-күштік каналдағы токтың жоғарғы гармоникасының шығындарына;

-түрлендіргіштің қуат коэффициентіне.

Әдетте токтың бірінші гармоникасының шығындары түрлендіргіш байланысатын қозғалтқыш орамасының тізбегіндегі активті кедергісін лайықты арттыру жолымен анықтайды. Түрлендіргіштің ішкі кедергісі оның кірісіне (трансформаторларға, желілік реакторларға), шығысына және жартылайөткізгіштік аспаптардың өзіне қосылған күштік элементтердегі шығындарды ескереді.

Түрлендіргіштің ішкі кедергісінің бағдарлық бағалануын номиналды мәліметтері бойыншы шығаруға болады:

,

мұндағы ,I_П.Н. – номиналды қуат және түрлендіргіштің шығысындағы ток; - түрлендіргіштің нрминалды ПӘК – і.Қуат коэффициенті былай анықталады:

(4.29)

мұндағы токтың бірінші және жоғарғы гармоникаларының қатынасымен анықталатын сырғу (искажения) коффициенті; φ – кернеу мен токтың негізгі гармоникаларының арасындағы жылжу бұрышы.

Сонымен табиғи коммутациялы түрлендіргіштерде, мысалы айнымалы басқарылатын (ТПН) және айнымалы кернеуді тұрақтыға түрлендіретін тиристролы түрлендіргіштерде (ТП) φ бұрышы α басқару брышына тәуелді болады. ТП – дағы жылжу бұрышы

мұндағы γ – жартылайөткізгішті вентильдердің коммутация бұрышы.

ТПН – дағы φ бұрышы тек α – ға ғана емес, сонымен қатар ТПН – ның шығысына қосылған тұтынушылардың электр энергиясының кернеуі мен тогының арасындағы φ₁ бұрышынада тәуелді болады. φ, α және φ₁ – дің арасындағы байланыс 4.22 - суретте көрсетілген. Әдетте ТПН асинхронды машиналардың кернеулерін реттеу үшін пайдаланылады, бұл кезде φ₁ бұрышы орынбасу сұлбасының параметрлерімен анықталады.

Сырғу коэффициенті ν желіден тұтынылатын токтың гармоникаларымен анықталады. Түрлендіргіштің тогының гармоникасының құраушыларының реттік санын k > 1 кезінде былай анықталады:

мұндағы k = 1,2,3,...; m – түрлендіргіштің фаза (токтың) саны.

30 60 80 100 ,град

4.22 – сурет. ТПН – ң φ жылжу бұрышының басқару бұрышы α – дан және φ жүктемеден тәуелділігі.

φ

Токтың гармоникасының құраушыларының амплитудасы басқару бұрышына α тәуелді, сондықтан сырғу коэффициенті ν α функциясы болып табылады. Бұл сұрақпен анығырақ танысуға болады; өрескел бағалау үшін m = Q кезінде басқарылатын түрлендіргіштер үшін ν 0,95, ал басқарылмайтындар үшін ν =1жиі қолданылады. Токтың жоғарғы гармоникалары сырғу коэффициентінің ν көмегімен ескерілетін желідегі қосымша шығынан басқа қозғалтқыштардағы қосымша шығындарды тудырады.

Тұрақты ток қозғалтқыштарында бұл шығындар түзетілген токтың жоғарғы гармоникаларынан туындайды Id(n). Егер түрлендіргіш ток көзі болатын режимінде жұмыс істесе, онда токтың жоғарғы гармоникаларын түзетілген токты Фурье қатарына жіктеу жолымен анықтайды. Егер түрлендіргіш кернеу көзі болып табылатын режимінде жұмыс істесе, онда токтың жоғарғы гармоникалары якорь орамасының кедергісі мен түзетілген кернеуінің жоғарғы гармоникасының амплитудасына тәуелді болады. 4.23 а) - суретте тұрақты ток қозғалтқышының орынбасу сұлбасы және U_d түзетілген кернеуідің якорь орамасындағы активті және индуктивті кедергілердегі кернеудің түсуі мен Е_я ЭҚК – ң теңестірілуінің сәйкестігі көрсетілген.

4.23 - сурет. Тұрақты ток қозғалтқышының орынбасу сұлбасы: a)-түзетілген токтың тұрақты құраушылары үшін; б)-тұрақты токтың гармоникалық құраушылары үшін.

Якорьдің ЭҚК-і Е_я = kФω жоғары гармоникалардан құралмайды, өйткені түзетілген токтың жоғарғы жиілікті лүпілдері практикада қозғалтқыштың бұрыштық жылдамдығына әсер етпейді. Сондықтан токтың жоғарғы гармоникалары үшін орынбасу сұлбасы 4.23 - сурет (б)көрсетілген түрге ие болады. Бұл сұлбадан мынаны шығаруға болады

.

Сонымен, асинхронды қозғалтқыштың орамасындағы токтың гармоникаларының құраушылары келесідей анықталады:

(4.30)

Яғни, қысқа тұйықталудың индуктивтік кедергісіне тәуелді болады . Жоғарғы құраушылардың қосымша шығындары тұрақты ток электр жетегіндегідей тек қана ең аз еселікті гармоникалық құраушылармен анықталады. Айнымалы кернеулі және жиілікті ең көп тараған алты фазалы түрлендіргіштер үшін кернеудің 5 –ші және 7 – ші гармоникасының құраушыларының шектік мәні:

Қозғалтқыштардағы шығындарды төмендету үшін қолайлы шарттар әсіресе кең – импулсті модуляциялы (ШИМ) түрлендіргішті пайдаланған кезде туындайды. Тиристорлы түрлендіргіштерде ШИМ 0,4 – 1 кГц жиіліктерде, ал транзисторлыларда 1 – 3 кГц жиіліктерде іске асырылады. Мұндай жиілікті жоғарғы гармоникалар қозғалтқыш орамасындағы индуктивті кедегілермен жақсы демпфирленеді, бірақ жиіліктің өсуімен түрлендіргіштегі шығындарда өседі, өйткені ол ШИМ жиілігімен анықталатын 1 секундтағы коммутация санына пропорционалды болады. Практикада бұл жиілікті инвертордағы шығынның өсуі қозғалтқыштағы оның төмендеу есебінен компенсацияланатындай етіп таңдалады. Сондықтан қарапайым түрлендіргіштегі және ШИМ тиристорлы электр жетектегі токтың жоғарғы гармоникаларының қосымша шығындарын бірдей деп қабылдауға болады.