Учебное пособие Ресурсосбережение

Рис. 1.12. Диаграмма напряжения и, тока i при изменении действующего напряжения на активной нагрузке модуляцией на низкой частоте

Преобразователи частоты с управляемым действующим напряжением на вы­ ходе изготавливаются в виде комплектного оборудования для частотнорегулируемого электропривода, источников питания электротехнологических устано­ вок. Тиристорные преобразователи частоты широко применяются в промыш­ ленности, на транспорте. Действующее напряжение на выходе преобразовате­ лей изменяется широтно-импульсным регулированием, применяется широтноимпульсная, частотно-импульсная модуляция. Иногда регулируется действую­ щее напряжение, подведенное к инвертору, например, с помощью управляемого выпрямителя.

Несмотря на большое разнообразие способов изменения действующего на­ пряжения на выходе (рис. 1.1а, б; рис. 1.2а, б, г) электромагнитных преобразо­ вателей напряжения, выпрямителей, регуляторов напряжения, преобразовате­ лей частоты, импульсных преобразователей, общим свойством является то, что в режиме управления имеется интервал времени непроводящего состояния си­ ловых вентилей и интервал проводящего состояния вентилей. Во время запер­ того состояния силовых вентилей источник энергии, электрическая сеть обычно не соединены с нагрузкой преобразователей и напряжение системы электро­ снабжения не используется для выполнения работ на электроустановке.

Диаграмма действующего напряжения, тока, полной мощности для режима управления преобразователем напряжения представлена на рис.1.13. Действующее напряжение сети во время запертого состояния вентилей преоб­ разователя AU пропорционально незаштрихованной площади, охваченной кри­ вой мгновенных значений напряжения сети (рис. 1.8, рис. 1.11, рис. 1.12). Паде­ ние напряжения на вентилях в прямом направлении во время проводящего со­ стояния обозначено У выпрямителей в течение небольшого интервала вре­ мени вентиль одного плеча остается в проводящем состоянии, а в другом плече отпирается следующий вентиль. Перекрытие времени проводящего состояния вентилей разных плеч выпрямителя вызывает ток

20

I !

Рис. 1.13. Действующее напряжение, ток, полная мощность в электрической цепи с преобразователем напряжения ПН

21

Через шунтирующие и демпфирующие цепочки, предназначенные для вы­ равнивания и ограничения напряжения на вентилях преобразователей, протека­ ет ток, который является составляющей тока У преобразователей частоты, импульсных преобразователей устройства искусственной коммутации вентилей потребляют дополнительный ток Потери мощности в электрической сети, обусловленные током , можно снизить, если сопротивления нагрузки вклю­ чить между источником энергии и преобразователем (рис. 1.10). Таким обра­ зом, основными составляющими полной мощности на входе электроустановок в режиме управления преобразователями напряжения являются полная мощность нагрузки , потери мощности в преобразователе и пассивная мощност!обусловленная неполным использованием напряжения источника энергии и электрических сетей на выполнение работы.

1.4. Вентильные преобразователи сопротивления

Устройства, предназначенные для изменения электрического сопротивления нагрузки с помощью управляемых полупроводниковых приборов называют вен­ тильными преобразователями сопротивления [5]. К ним можно отнести преоб­ разователи частоты, у которых коэффициент преобразования действующего на­ пряжения не изменяется в режиме управления. Управление действующим то­ ком, активной мощностью нагрузки выполняется за счет изменения реактивной составляющей сопротивления электрической цепи путем увеличения или уменьшения частоты напряжения на выходе преобразователя. Примером прак­ тического применения таких устройств является неуправляемый выпрямитель, инвертор тока или резонансный инвертор. Электрическая схема преобразовате­ ля частоты, состоящего из неуправляемого выпрямителя, инвертора тока, на­ грузки представлена на рис. 1.14. Неуправляемый трехфазный выпрямитель со­ бран на диодах VD1...VD6. Реактор обладает сравнительно высокой индук­ тивностью и предназначен для сглаживания тока и ограничения скорости изме­ нения тока в электрической цепи. Инвертор собран на тиристорах VS1... VS4.

Рис. 1.14. Принципиальная электрическая схема преобразователя частоты

22

В каждый момент времени открыты два тиристора в разных плечах. С помощью конденсатора С повышается коэффициент мощности нагрузки и электроуста­ новки в целом. При пропуске выключения одного из тиристоров происходит аварийный режим - опрокидывание инвертора.

Дальнейшее развитие аварии переходит в еще более тяжелый режим. Если импульсы управления продолжают формироваться системой управления, то в одном плече инвертора оказываются в проводящем состоянии два тиристора и выпрямленное напряжение прикладывается к реактору. Через тиристоры инвер­ тора и выпрямитель протекает аварийный ток, близкий к току короткого замы­ кания. Для повышения устойчивой работы инвертора, улучшения условий пуска выходную цепь усложняют. В неразветвленную часть выходной цепи включает­ ся последовательно с нагрузкой конденсаторная батарея, а инвертор тогда на­ зывается последовательно-параллельным. С изменением частоты переключения тиристоров в плечах инвертора изменяется частота напряжения и ток в выход­ ной цепи. Электрические параметры нагрузки и конденсаторов изменяются, благодаря этому обеспечивается управление электрифицированным технологи­ ческим процессом.

Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологи­ ческих установок (индукционные плавильные печи, установки для нагрева под пластическую деформацию и под поверхностную закалку, установки для сварки металлов, плазмотроны и другие) содержат тиристорные выпрямители, которые позволяют с изменением частоты регулировать действующее напряжение на выходе до 50...60% номинального значения. Таким образом преобразователи повышенной частоты можно отнести к преобразователям сопротивления и на­ пряжения одновременно. Серийно изготавливаются тиристорные преобразова­ тели повышенной частоты единичной мощностью от 4 кВт до 3 мВт и с рабочей частотой от 1 кГц до 44 кГц.

Тиристорные коммутаторы секционированной нагрузки [2, 33] обычно изме­ няют конструкцию электрической схемы, соединяя секции нагрузки различным способом (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Принципиальная электрическая схема тиристорного коммутатора

23

Когда вентили VS1, VS2 (рис. 1.15) заперты входное электрическое сопро­ тивление цепи равно Переводом вентилей в проводящее состоя­ ние уменьшается электрическое сопротивление до величины Z2, а мощность электроустановки увеличивается. Из диаграмм (рис. 1.4, рис. 1.13, рис. 1.16) следует, что управлением технологическими процессами с помощью электро­ магнитных и вентильных преобразователей сопротивления можно уменьшить или полностью исключить действующее напряжение AU, пассивную мощность

AS.

Рис. 1.16. Диаграмма действующего напряжения, тока, полной мощности в электрической цепи для режима управления вентильным преобра­ зователем сопротивления ПС: Ub U2 - действующее напряжение на нагрузке

Авторами разработаны вентильные преобразователи сопротивления, позво­ ляющие плавно изменять соединения во времени секционированной нагрузки без конструктивного изменения схемы, а также преобразователи сопротивле­ ния, плавно изменяющие во времени соединения трехфазной нагрузки со "звезды" на "треугольник" и наоборот [3, 22]. Рассмотрим работу преобразова­ теля сопротивления (рис. 1.17) с управлением модуляцией на низкой частоте и углом управления вентилями а = 0°.

В номинальном режиме тиристоры VS1, VS2, VS3, VS4 находятся в прово­ дящем состоянии, сопротивления Z1, Z3 и Z2, Z4 во времени соединены па­ раллельно к источнику энергии. В режиме управления за два периода напряже­ ния на входе электроустановки сопротивление Z1 с помощью тири­ стора VS1 подсоединено к источнику энергии в первый полупериод, Z2 - во

24

второй, Z3 - в третий, Z4 - в четвертый полупериод (рис. 1.18). То есть за пери­ од повторения сопротивления во времени соединены последовательно.

Рис. 1.17. Принципиальная электрическая схема тиристорного преобразова­ теля сопротивления

Рис. 1.18. Временная диаграмма напряжения и время соединения сопротив­ лений с источником энергии

Диаграмма действующего напряжения, тока, полной мощности на участках электрической цепи в режиме управления электроустановкой преобразователем сопротивления подобна диаграмме, представленной на рис. 1.16. Как и у элек­ троустановок с электромагнитными преобразователями сопротивления, полная

коммутацией вентилей потери мощности, в основном, обусловлены падением напряжения на вентилях в прямом направлении, а также потерями мощно­ сти в системе охлаждения и в устройствах защиты вентилей от аварийных ре­ жимов и потерями мощности в системе управления.

Принципиальным отличием управления энергообеспечением электроустано­ вок с помощью преобразователей сопротивления от управления с помощью преобразователей напряжения является отсутствие пассивной мощности на входе электроустановок, что достигается повышением степени использования

25

напряжения источника энергии, электрических сетей на выполнение работы. А за счет полного использования напряжения на входе электроустановок дейст­ вующий ток можно снизить до 50 % или при одинаковой загрузке действующим током системы электроснабжения можно выполнить двукратный объём работы. С решением задач энергосбережения, с уменьшением загрузки электрических сетей действующим током решается и другая важнейшая задача - проблема электромагнитной совместимости вентильных преобразователей с системой электроснабжения. Из осциллограмм (рис. 1.19, рис. 1.20) видно, что при управ­ лении электроустановкой вентильным преобразователем сопротивления нели­ нейные искажения тока i, напряжения и в сети значительно снижаются по сравнению с нелинейными искажениями тока i, напряжения и при управлении электроустановкой серийно изготовляемыми вентильными преобразователями напряжения.

Техническое решение разработано и применяется для управления системой электрообогрева помещений мощностью в 150 кВт без использования преобра­ зовательных трансформаторов, фильтров и компенсирующих устройств [5].

Более значительный технико-экономический эффект может быть достигнут с помощью трехфазных вентильных преобразователей сопротивления, плавно во времени или ступенчато изменяющих соединения трехфазной нагрузки со схе­ мы "треугольник" на схему "звезда" и наоборот [22].

Рис. 1.19. Осциллограммы токов, напряжения при работе вентильного преоб­ разователя сопротивления с управлением модуляцией на низкой частоте, U = 222 В, I = 100 А, Р = 22,2 кВт

26

На практике широкое применение получили устройства, содержащие транс­ форматоры и вентильные преобразователи. В металлургической промышленно­ сти, в электротрансмиссиях тепловозов переменно-постоянного тока получили применение электроприводы с эквивалентными двенадцатифазными мостовыми выпрямителями (А.с. СССР №114549, патент США №3769570).

Рис. 1.20. Осциллограммы тока, напряжения в сети при фазовом управлении вентилями преобразователя напряжения, U = 220 В, I = 100 А,

Р = 12,0 кВт

Первичные обмотки трехфазных преобразовательных трансформаторов со­ единены последовательно, а группы соединения обмоток должны быть разные для фазового сдвига напряжений вторичных обмоток на угол я/6.

Причем фазное напряжение трехфазной обмотки, соединенной по схеме "треугольник", должно быть в раз больше, чем у обмоток , соединенных по схеме " звезда ". На тепловозах и в авиационных синхронных генераторах две секции обмотки якоря смещены на угол 30 электрических градусов друг отно­ сительно друга.

Выпрямитель состоит из двух мостов, соединенных последовательно или па­ раллельно через уравнительный реактор УР (рис. 1.21). Мощность на выходе одного моста в два раза меньше мощности на выходе преобразователя в целом. При последовательном вводе в работу мостовых выпрямителей на всем интер­ вале управления может возникать пассивная мощность, не превышая величину этой мощности на входе одного из мостов. Поэтому коэффициент мощности у электропривода с эквивалентным двенадцатифазным выпрямителем выше, чем

27

у электропривода такой же мощности с обычным управляемым выпрямителем. Из-за снижения уровня пульсации выпрямленного тока рабочие характеристики и эксплуатационные показатели электродвигателя улучшаются, а нелинейные искажения тока в системе электроснабжения электропривода снижаются.

Рис. 1.21. Схемы эквивалентных двенадцатифазных мостовых выпрямителей

На электроподвижном составе железных дорог широкое применение полу­ чили однофазные электромагнитные преобразователи сопротивления в сочета­ нии с вентильными преобразователями напряжения, которые называются вы- гфямительно-инверторными преобразователями (ВИЛ). На электровозах ВЛ80р, ВЛ85 установлены ВИП2 - 2200М, ВИЛ - 4000 единичной мощностью 2,2...4,0 мВт. С помощью тиристоров 8-ми плечевого моста переключается секциониро­ ванная вторичная обмотка тягового трансформатора TV, а также выполняется плавное фазовое управление выпрямленным и инвертируемым напряжением в каждой зоне регулирования. В режиме тяги ВИЛ работает как управляемый вы­ прямитель, позволяющий регулировать выпрямленное напряжение на тяговых двигателях от 0 до номинального значения. В режиме рекуперации ВИЛ рабо­ тает как зависимый инвертор, преобразующий постоянный ток цепи тяговых машин, работающих генераторами, в однофазный переменный ток, протекаю­

- 615 В, а в ВИЛ - 4000 напряжение секции а-1 и 1-2 - 350 В, и 2-х - 700 В (рис. 1.22).

Коэффициент трансформации изменяется с помощью тиристоров в 4 раза на интервале управления, а входное сопротивление электропривода уменьшается в 16 раз при переключении выпрямителя с секции 1-2 на секцию а-х. Управление энергообеспечением электропривода путем изменения его входного электриче­ ского сопротивления обуславливает достаточно высокий коэффициент мощно­ сти. Так для режима тяги в конце каждой зоны регулирования Х= 0,84.

Рис. 1.22. Упрощенная электрическая схема ВИЛ

Пуск электропривода осуществляется путем плавного уменьшения углов управ­ ления тиристорами 3, 4, 5, 6 от 160° до минимального утла 10°. На 1-ой зоне управления выпрямленное напряжение изменяется от 0 до 1/4 номинального значения. На второй зоне управления работают два однофазных моста: малый мост (тиристоры 3, 4, 5, 6 открыты и выпрямляют напряжение секции 1-2) и большой мост (тиристоры 1, 2, 5, 6), угол управления тиристорами 1, 2 плавно уменьшается до минимального значения. В конце 2-ой зоны управления вы­ прямленное напряжение образуется путем преобразования напряжений двух секций вторичных обмоток трансформатора 1-2, а-1 и достигает величины 1/2 от номинального значения (рис. 1.23). Дальнейшее повышение мощности элек­ тропривода достигается в 3-ей зоне управления, в момент перехода переменно­ го напряжения через ноль импульсы управления снимаются с тиристоров 1, 2, 3, 4 и подаются на тиристоры 5, 6, 7, 8 с минимальным углом управления. Напря­ жение на секции 2-х равно напряжению на секции а-2, поэтому выпрямленное напряжение при переключении импульсов управления тиристорами почти не изменяется. На 3-ей зоне управления, так же как и на второй зоне работает од­ нофазный мост на полностью открытых тиристорах 5, 6, 7, 8 и однофазный мост на тиристорах 3, 4, 7, 8. Угол управления тиристорами 3, 4 плавно изменяется от 160° до 10°, а выпрямленное напряжение достигает 3/4 номинального значе­ ния. Повышение мощности электропривода возможно в 4-ой зоне управления. В 4-ой зоне управления до момента отпирания тиристоров 1, 2 работает мост на тиристорах 3, 4, 7, 8, выпрямляя переменное напряжение 1-х величиной 922 В или 1050 В. С момента отпирания тиристоров 1, 2 выпрямляется напряжение вторичной обмотки а-х однофазным мостом 1, 2, 7, 8. Когда угол управления тиристорами достигает минимального значения а=10°, то выпрямленное на­ пряжение равно номинальному значению. Таким образом, переход с одной зо­ ны управления на другую осуществляется ВИЛ, который имеет свойства преоб-

разователя сопротивления, а в пределах каждой зоны управления ВИЛ имеет свойства преобразователя напряжения, осуществляя фазовое управление вы­ прямленным напряжением величиной не более его номинального значения. Во время непроводящего состояния вентилей действующее напряжение AU (пропорционально незаштрихованной площади (рис. 1.23)) не превышает на­ пряжения одной секции вторичной обмотки 307 В или 350 В,

Рис. 1.23. Временная диаграмма выпрямленного напряжения на активном сопротивлении во второй зоне управления

Из-за напряжения в каждой зоне фазового управления возникает пассив­ ная мощность которая ухудшает коэффициент мощности электропривода, поэтому в начале 2, 3, 4 зоны его величина для режима тяги близка к 0,65, а в начале 1-ой зоны коэффициент мощности электровоза равен нулю.

Разработанная и изложенная в следующих разделах теория может послужить основой для разработки технических решений, которые бы позволили повысить коэффициент мощности электровозов на всем интервале управления.

Рис. 1.24. Схема однофазного выпрямителя с несимметричными анодными напряжениями

Однофазный выпрямитель с несимметричными анодными напряжениями (рис. 1.24), разработанный профессором О.А.Маевским [19], как и ВИЛ, можно отнести к устройству, сочетающему свойства электромагнитного преобразова­ теля сопротивления и вентильного преобразователя напряжения.

Сначала выпрямленное напряжение с помощью фазового управления тири­ сторами 1, 2 и 3, 4 изменяется от нудя до значения, определяемого напряжени­ ем Ui в один полупериод и напряжением U3 в другой полупериод. Входное со­ противление электроустановки зависит от величины сопротивления нагрузки 7^ и от коэффициента трансформации, определяемого отношением числа витков первичной обмотки к числу витков секции вторичной обмотки TV, в которой индуцируются напряжения Ui и U3. В конце первой зоны регулирования угол управления тиристорами 1, 2 и 3, 4 близок к нулю. Во 2-ой зоне управления в один полупериод к нагрузке прикладывается напряжение Ui до момента отпи­ рания тиристора 3. Подача импульса управления на тиристор 3 способствует его отпиранию более высоким анодным напряжением, а тиристор 2 автоматически запирается и до момента прохождения напряжения через 0 к нагрузке прикла­ дывается напряжение (Ui + U2) двух секций. В другой полупериод к нагрузке сначала прикладывается напряжение Из, а с момента отпирания тиристора 2 к нагрузке прикладывается напряжение (U-? + U2). Тиристор 3 автоматически за­ пирается, так как на его катоде потенциал выше, чем на аноде. Во второй зоне управления коэффициент трансформации П уменьшается, так как число витков вторичной обмотки увеличивается на число витков средней секции, участвую­ щей в работе в один и в другой полупериоды, а входное сопротивление элек­ троустановки уменьшается пропорционально квадрату коэффициента транс­ формации. Коэффициент мощности электроустановки во время перехода с 1-ой зоны управления на 2-ую и наоборот увеличивается, а также в номинальном режиме становится выше, чем в режимах управления выпрямленным напряже­ нием в каждой зоне, это объясняется отсутствием пассивной мощности на ее входе. Коэффициент мощности электроустановок, управляемых ВИЛ и одно­ фазными выпрямителями с несимметричными анодными напряжениями, выше, чем у электроустановок с преобразователями напряжения, так как пассивная мощность на их входе меньше из-за неполного использования напряжения од­ ной секции обмотки, а не напряжения, прикладываемого к преобразователю на­ пряжения в номинальном режиме.

Свойствами преобразователей сопротивления и преобразователей напряже­ ния обладают трехфазные преобразователи с изменяемой структурой (А.с.

СССР № 272422, Патент ФРГ № 529101, Патент Японии № 51-15201). Они по­ зволяют интервал управления мощности разделить на две зоны. В первой зоне регулирования угол управления анодной группы тиристоров 1, 2, 3 изменяется от 180 до 0 градусов, дополнительный тиристор 7 открыт, а тиристоры катодной группы 4, 5, 6 заперты (рис. 1.25).

Трехфазный однополупериодный выпрямитель с нулевой точкой позволяет преобразовывать фазное напряжение и изменять среднее значение выпрямлен­ ного напряжения. Дальнейшее повышение мощности электроустановки воз­ можно путем перевода структуры трехфазного выпрямителя с нулевой точкой в трехфазный мостовой выпрямитель, предназначенный для преобразования ли­ нейного напряжения.

Рис. 1.25. Схема трехфазного преобразователя с изменяемой структурой

Изменение структуры осуществляется путем запирания дополнительного тири­ стора 7 и путем отпирания тиристоров катодной группы 4, 5, 6. В первой зоне управления выпрямителем с нулевой точкой преобразуется фазное напряжение, поэтому пассивная мощность выше, чем у электроустановки с трехфазным мос­ товым выпрямителем с постоянной структурой. Во второй зоне управления до момента отпирания тиристоров катодной группы работает нулевая схема вы­ прямителя. С момента подачи импульсов управления на тиристоры 4, 5, 6 рабо­ тает мостовая схема выпрямителя. Часть напряжения, подведенного к электро­ установке во время запертого состояния тиристоров катодной группы и не ис­ пользуемого для выполнения работы в нагрузке Z„, равна разнице между ли­ нейным напряжением и фазным напряжением. Так как эта разница напряжений меньше линейного напряжения, поэтому пассивная мощность на входе электро­ установки меньше, а коэффициент мощности во второй зоне управления выше, чем у трехфазного мостового выпрямителя с неизменной структурой. Следует заметить, что работа однополупериодного выпрямителя с нулевой точкой со­ провождается загрузкой трансформатора постоянной составляющей тока и то­ ками четных гармоник, поэтому потери мощности в трансформаторе увеличи­ ваются, а мощность трансформатора снижается.

32

2. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК С ВЕНТИЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Потери мощности в потребителе электрической энергии (1.2) зависят, в основном, от назначения электроустановок, свойств и технических характери­ стик технологического оборудования, способов и законов управления величи­ нами, параметрами потребителей. Так, электротермические установки характе­

Потери тепловой энергии зависят от толщины, теплопроводности ограж­ дающих поверхностей и свойств тепловой изоляции, от разницы наружной и внутренней температур, от формы и размеров электротермических установок. В установках периодического действия теплота, запасенная в ограждающих кон­ струкциях и в дополнительном оборудовании, безвозвратно теряется, что вызы­ вает снижение термического к.п.д. В специальной литературе, посвященной расчету систем электрообогрева, электротермического оборудования, получены необходимые расчетные выражения для определения составляющих потерь те­ пловой энергии.

Для асинхронного двигателя суммарные потери мощности Р„

l'2, R72 - приведенные действующий ток и активное сопротивление обмотки ротора.

Потери мощности в асинхронном двигателе зависят от нагрузки и от спосо­ бов регулирования частоты вращения вала ш. Максимального значения (Т|дв =

0,82...0,95) коэффициент полезного действия асинхронного двигателя достигае! при нагрузке, равной 75% номинальной, при номинальном напряжении и номи­ нальной частоте (рис. 2.1). В режиме управления к.п.д. асинхронного двигателя обычно снижается. Ухудшение к.п.д. асинхронного двигателя зависит от спосо­ ба управления частотой вращения вала. Наиболее высокий к.п.д. у асинхронно­ го двигателя достигается при частотном управлении.

На рис. 2.2 кривая 1 соответствует закону частотного управления, разработан­ ному профессором М.П.Костенко, а кривая 2 - частотному управлению с мини­ мальными потерями. К.п.д. асинхронного двигателя значительно снижается при тиристорном фазовом управлении действующим напряжением на обмотках ста­ тора.

В промышленности и на транспорте широко применяется тиристорный элек­ тропривод постоянного тока. Зависимости к.п.д. электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением от нагрузки и от среднего значения напря­ жения на обмотке якоря представлены на рис.2.3, рис.2.4.

Коэффициент полезного действия источников оптического излучения зави­ сит, в основном, от способа преобразования электрической энергии в оптиче­ ское излучение. К тепловым источникам излучения относятся лампы накалива­ ния, световой к.п.д. которых рассчитывается

(2.2)

где F - световой поток лампы, лм;

683 - максимальная спектральная световая эффективность излучения, лм/Вт;

Рл - мощность, потребляемая лампой, Вт .

Световой к.п.д. ламп накаливания с вольфрамовой нитью составляет 2...4 % при номинальном напряжении.

К разрядным источникам оптического излучения относятся люминесцентные лампы и разрядные лампы высокого давления. Для зажигания и обеспечения работы разрядных источников излучения в номинальном режиме применяются пускорегулирующие аппараты (ПРА). Коэффициент полезного действия раз­ рядных источников Г) зависит от их мощности

(2.3)

где • световой к.п.д. источника излучения;

- к.п.д. пускорегулирующего аппарата.

В таблице 2.2 приведены значения светового кпд . разрядных источников излучения и к.п.д. ПРА в номинальном режиме работы.

Так как рассматриваемые устройства изготавливаются, в основном, с естест­ венной коммутацией вентилей, то потери мощности на коммутацию можно не учитывать.

Общая мощность потерь в вентиле может быть представлена в виде суммы основных и дополнительных потерь. При работе приборов на частоте меньшей 400 Гц, дополнительными потерями можно пренебречь. Мощность основных потерь рассчитывается

(2.5)

-коэффициент формы тока;

-динамическое сопротивление вентиля, Ом (приводится в справочниках

36

В информационных материалах приводятся зависимости амплитудного действующего I и среднего значения тока, коэффициент формы для синусоидальной и прямоугольной форм тока при углах проводимости 120, 90, 30 градусов;а также для постоянного тока. Если угол проводимости в процессе управления остается постоянным, то может изменяться период повто­ рения В данном случае При управлении модуляцией на низкой час­ тоте может быть равен и т.д..

Таблица 2.3

Коэффициенты для оценки искажения формы тока

Если угол проводимости не изменяется в режиме управления и равен а изменяется период повторения то коэффициенты (коэф­ фициент амплитуды) имеют значения, приведенные в таблице 2.4.

Таблица 2.4

Коэффициенты при переменном Тп

Обычно все вентили преобразователя загружены равномерно, поэтому поте­ ри мощности в одном вентиле можно умножить на число одинаково загружен­ ных вентилей и найти мощность потерь в вентилях преобразователя. Потери мощности в вентилях преобразователя зависят от нагрузки и в режиме управле­ ния изменяются. При больших частотах (свыше 400 Тц) необходимо учитывать

37

дополнительные потери: среднюю мощность потерь от прямого тока утечки, среднюю мощность от обратного тока, среднюю мощность потерь в цепи управления, среднюю мощность потерь при включении прибора, среднюю мощность потерь при выключении прибора. Для расчета дополнительных по­ терь мощности в вентиле применяются специальные методы и эксперименталь­ ные зависимости.

Потери мощности на охлаждение вентилей Ро зависят от выбранного спосо­ ба охлаждения. Получили применение три вида охлаждения вентильной части преобразователей: естественное (конвективное), принудительное воздушное, водяное. Естественное охлаждение является наиболее простым и надежным в эксплуатации, а потери мощности на охлаждение отсутствуют (Ро = 0), однако низкая эффективность (коэффициент теплоотдачи 8... 15 Вт/(м2 • °С)) обуславли­ вает допустимый ток тиристора не более 25% предельного тока при температу­ ре охлаждающего воздуха 40°С, что необходимо учитывать при расчете и выбо­ ре тиристоров. Принудительное воздушное охлаждение в настоящее время наи­ более распространено (коэффициент теплоотдачи 60...80 Вт/(м2 • °С)). Если в номинальном режиме ток тиристора будет предельным, то скорость обдува ра­ диатора должна быть: V = 12 м/с. Вентилятор должен иметь производитель­ ность, обеспечивающую расход воздуха

, ' м3/с

где S - площадь поперечного сечения воздушного канала, м2.

Для определения расчетного напора суммируются сопротивления на участ­ ках воздуховода, состоящие из потерь на трение о стенки воздуховодов, о по­ верхности радиаторов, а также из вихревых потерь, возникающих при изгибах каналов или изменении их сечения. По расходу воздуха и напору выбирается вентилятор, электродвигатель и определяется мощность Ро. Так для выпрямите­ ля мощностью 40 кВт с 6...12 тиристорами Ро = 370 Вт.

Водяное охлаждение (коэффициент теплоотдачи 200...3000 Вт/(м2 • °С)) мо­ жет быть проточным и циркуляционным. Чаще применяется циркуляционная система с расходом воды не менее Зл/мин на 1 вентиль. Насос, работающий в системе циркуляционной воды, должен обладать напором, достаточным для преодоления сопротивления протеканию воды в теплообменнике и в охлаж­ дающей системе вентилей (порядка 300 кПа). Для уменьшения блуждающих токов применяется дистиллированная вода, а в трубопроводы встраиваются изоляционные шланги. По напору и расходу охлаждающей воды выбирается насос и электродвигатель, что позволяет определить потери мощности Ро. Так, для водяного охлаждения вентилей однофазного регулятора напряжения РН1 - 250 - УХЛ4 номинальной мощностью 95 кВА требуется Ро = 250 Вт.

Потери мощности на защиту Р3, в основном, состоят из потерь мощности в фильтре защиты от радиопомех (рис. 2.5а) и потерь мощности на защиту венти-

38

лей от перенапряжений (рис. 2.56, в). Параметры фильтра защиты от радиопо­ мех рассчитывают из условия подавления высших гармонических составляю­ щих напряжения (5, 7, 11,13,... гармоник), и они зависят от способа управления вентилями, от мощности преобразователя, от наличия преобразовательного трансформатора и от других факторов. Так, для сварочного выпрямителя с фа­ зовым управлением вентилями мощностью 40 кВА с преобразовательным трансформатором мкФ потери мощно­ сти в фильтре составляют 0,73 Вт.

Рис. 2.5. Принципиальные электрические схемы защиты.

Защиту вентилей от внешних и коммутационных перенапряжений выполня­ ют RC - цепями, включаемыми параллельно вентилям, (рис. 2.56) или через вы­ прямитель (рис. 2.5в), а также кремниевыми ограничителями напряжения или варисторами Рч (рис. 2.56). RC - цепи снижают скорость нарастания напряже­ ния тиристора, которая не должна быть больше допустимой, указанной в паспорте прибора или в справочнике. Параметры таких цепей рассчитываются

39