Учебное пособие Ресурсосбережение

Активная мощность одной фазы электроустановки рассчитывается

Рассчитываются промежуточные величины, позволяющие определить реактив­ ную мощность одной фазы нагрузки:

Полная мощност

Рассчитываютс

где Uo = 1,3 В - пороговое напряжение тиристора Т500;

60

-среднее значение тока во время проводящего состояния вентиля;

=1,87 - коэффициент формы тока (таблица 2.3);

=50 • 10"5 - динамическое сопротивление вентиля [32];

=2 - число вентилей преобразователя на одну фазу;

=250 Вт - потери мощности на охлаждение;

=0,1 Вт - потери мощности на защиту;

=3,0 Вт - потери мощности на управление.

Действующее фазное напряжение на нагрузке можно определить

Действующее напряжение одной фазы сети во время запертого состояния вен­ тилей преобразователя

потребляемого тока позволило бы получить дополнительную тепловую энер­ гию, которая характеризуется активной мощностью одной фазы

Приращение активной мощности составляет:

Если для выполнения технологического процесса необходима только мощ­ ность Р = 10,97 кВт, то в данном режиме управления электронагревательной установкой за счет полного использования напряжения сети можно было бы снизить величину действующего потребляемого тока с I = 70,4 А до величины

61

Снижение величины

По мере снижения напряжения на электронагревателях в процессе управле­ ния их мощностью с помощью известных преобразователей напряжения энерге­ тическая эффективность электроустановки ухудшается.

Рассчитывается баланс мощностей

Погрешность расчетов составляет

Коэффициент, учитывающий изменение полной мощности в преобразовате­ ле из-за неполного использования напряжения на входе электроустановки, можно определить

Коэффициент мощности нагрузки

Определяется коэффициент мощности электроустановки

Результаты расчета величин, характеризующих работу электроустановки в режиме управления, сведены в таблицу 3.2.

62

Соответствие результатов расчета реальным физическим явлениям оценива­ ется сравнением величин, полученных расчетом и опытным путем. В таблице 3.3 приведены результаты экспериментальных исследований электроустановки. Расхождение результатов расчета и экспериментальных исследований находит­ ся в пределах, допустимых для инженерных методов (не более 5%) на большей части интервала управления.

Таблица 3.3 Показания измерительных приборов при экспериментальных исследованиях электронагревательной установки

ля напряжения. С ростом пассивной мощности уменьшается мощность на вы­

лем напряжения в режиме управления.

Форма тока и напряжение на выходе преобразователя искажаются в режиме управления по сравнению с формой тока и напряжением на выходе преобразо­ вателя в номинальном режиме, что вызывает приращение реактивной мощности

ме управления из-за искажения формы тока можно назвать мощностью искаже­ ния. Из результатов расчета энергетических характеристик следует, что фазовое управление вентилями преобразователя с активно-индуктивной нагрузкой ха­ рактеризуется увеличением реактивной мощности нагрузки. Коэффициент мощности электронагревательных элементов в номинальном режиме составляет К„ = 0,955 и снижается до Кн = 0,909 в режиме управления из-за мощности ис­ кажения.

Таким образом, коэффициент мощности электронагревательной установки в номинальном режиме равен А, = 0,955 и снижается в режиме управления до ну­ ля, в основном, из-за преобразователя напряжения, из-за ухудшения использо­ вания напряжения на входе электроустановки для выполнения работы, для цир­ куляции реактивной энергии в электрической цепи, что вызывает появление пассивной мощности в электрической сети и учитывается в расчетах энергети­ ческих характеристик коэффициентом Кп .

С помощью фильтров можно снизить отрицательное воздействие тиристорного преобразователя напряжения на электрическую сеть, на потребители элек­ трической энергии и уменьшить коэффициент нелинейных искажений напря­ жения на входе электроустановки Кн.с (таблица 3.3) до значения К н с < 5%, до­ пустимого ГОСТ 13109-87 на показатели качества электроэнергии [10].

Нелинейные искажения напряжения и тока в электрической сети снижаются с применением вентильных преобразователей сопротивления вместо вентиль­ ных преобразователей напряжения (рис. 1.19, рис. 1.20) для управления техно­ логическими процессами.

64

4.КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК С ВЕНТИЛЬНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ СОПРОТИВЛЕНИЯ

Из выражений 3.10, 3.11 следует, что кроме активной мощности Р состав­ ляющими полной мощности на входе электроустановок являются реактивная мощность Q и пассивная мощность AS. В учебной, научно - технической лите­ ратуре подробно рассмотрены традиционные мероприятия, методы, способы и устройства, позволяющие повысить коэффициент мощности электроустановок. Для уменьшения действующего тока на входе электроустановок применяются известные технические решения, направленные на компенсацию реактивной мощности Q и на снижение нелинейных искажений напряжения, тока.

Из примера, рассмотренного в разделе 3.3, следует, что в ряде случаев коэф­ фициент мощности электроустановок с преобразователями напряжения в боль­ шей мере снижается в режиме управления из-за пассивной мощности AS, неже­ ли из-за реактивной мощности нагрузки Q. Традиционными техническими ре­ шениями, применяемыми для компенсации реактивной мощности, не удается уменьшить пассивную мощность. Так как мощность AS характеризует ту часть электрической энергии в системе электроснабжения, которая не использована на выполнение работы в нагрузке, то методы для ее снижения (вплоть до нуля) должны быть направлены на устранение причин ее возникновения. За критерий оценки степени уменьшения AS можно принять величину действующего значе­ ния тока на входе электроустановок. При устранении пассивной мощности AS, так же как и при компенсации реактивной мощности Q, и при одном и том же значении активной мощности Р, достигается минимальное значение действую­ щего тока на входе электроустановок. Косвенно можно считать, что пассивная мощность AS снижена, если напряжение на входе электроустановки наиболее полно использовано на выполнение работы, на циркуляцию реактивной энергии в электрической цепи. Из разделов 1.2 и 1.4 следует, что напряжение на входе электроустановок эффективнее используется в электрифицированных техноло­ гических процессах, управляемых преобразователями сопротивления. Полное использование напряжения на входе электроустановок, предназначенное для выполнения работы, сопровождается уменьшением пассивной мощности AS, повышением коэффициента Кп, повышением коэффициента мощности электро­ установок X и снижением действующего тока в системе электроснабжения.

Известно, что работа вентильных преобразователей напряжения вызывает нелинейные искажения напряжения в сети. Способы управления, направленные на полное использование напряжения сети для выполнения электрифицирован­ ных технологических процессов в режиме управления (способы снижения пас­ сивной мощности), позволяют уменьшить или устранить мощность сдвига Qi и нелинейные искажения напряжения в сети автоматически. В разделе 1.2 и 1.4 изложены способы снижения пассивной мощности AS на примере конкретных технических решений.

65

4.1.Расчет энергетических характеристик электроустановок с вентильными преобразователями сопротивления

Скаляр полной мощности на входе электроустановок SBX в соответствии с выражением (3.10) определяется ортогональными составляющими в трехмер­ ном пространстве. Если одна из составляющих полной мощности (пассивная мощность AS) полностью устраняется с помощью преобразователей сопротив­ ления, то расчет энергетических характеристик электроустановок с вентильны­ ми преобразователями сопротивления можно выполнять на плоскости с осями координат Р и Q, а решение задачи упрощается. За базисный режим принимает­ ся номинальный режим электроустановок. Переменные величины и параметры отнесены к соответствующим значениям в номинальном режиме работы элек­ троустановок:

Задаваясь значениями SBX» через выбранный шаг расчета, определяются другие переменные величины и параметры в режиме управления электроустановкой. Составляющими напряжения на входе электроустановки U являются U„ и Un (рис. 1.11, 1.12). Напряжения 11и и Un с помощью вентилей преобразователя со­ противления прикладываются к нагрузке. Если управление вентилями преобра­ зователя сопротивления выполняется фазовым способом с отстающим и с опе­ режающим углом а, то гармонические составляющие, отличные от основной гармоники, взаимнокомпенсируются. Форма мгновенного значения тока на входе преобразователя для режима управления такая же, как и для номинально­ го режима электроустановки. Если управление преобразователем осуществляет­ ся модуляцией на низкой частоте с углом управления вентилями а = 0°, то ре­ активная составляющая электрического сопротивления всей нагрузки преобра­ зователя такая же, как и для номинального режима электроустановки. Следова­ тельно, скаляр полной мощности на входе электроустановки SBX (отрезок ОС на рис. 3.9) обусловлен активной мощностью Рс и реактивной мощностью Qc.

Действующее фазное напряжение на нагрузке можно определить

Коэффициент мощности электроустановки

66

На отдельных интервалах для плавного управления мощностью электроуста­ новок возникает необходимость перевода вентильных преобразователей сопро­ тивления в режим работы преобразователя напряжения. Для расчета энергети­ ческих характеристик электроустановки на данных интервалах управления мо­ жет быть использована методика расчета, изложенная в разделе 3.2. На перво­ начальном от номинального режима интервале управления мощностью с помо­ щью преобразователя напряжения за базисный режим принимается номиналь­ ный режим работы электроустановки. На последующих интервалах управления мощностью преобразователем напряжения за базисные режимы принимаются режимы работы электроустановки с преобразователем сопротивления.

Пример 2. Рассчитать энергетические характеристики, электрические вели­ чины и параметры электронагревательной установки с тиристорным преобразо­ вателем сопротивления (рис. 1.17) в режиме управления. Установленная мощ­ ность составляет 11,50 кВА. Управление вентилями преобразователя выполня­ ется модуляцией на низкой частоте с ос = 0°. Электроустановка в номинальном режиме характеризуется следующими параметрами:

Нагрузочная характеристика электрической сети дана в таблице 3.1, там же да­ на зависимость активной составляющей сопротивления электронагревателей от тока в относительных единицах.

Решение

1. Рассчитываются величины и параметры, характеризующие электроуста­ новку в номинальном режиме.

Полное сопротивление электроустановки

Действующий ток в номинальном режиме определяется

Полная мощность электроустановки в номинальном режиме

Активную мощность электроустановки можно рассчитать

67

Реактивная мощность электроустановки

Угол сдвига кривой мгновенного значения тока i„ относительно напряжения U в номинальном режиме можно определить

Потери мощности в вентилях преобразователя для номинального режима рав­ ны:

где и0 = 1,3 В - пороговое напряжение тиристора Т-500;

• среднее значение тока во время проводя­ щего состояния вентиля;

=1,57 - коэффициент формы тока (таблица 2.4);

=50 • 10"5 Ом - динамическое сопротивление вентиля [32];

=4 - число вентилей преобразователя.

Определяются потери напряжения на вентилях преобразователя

Рассчитывается напряжение на нагревательных элементах

Коэффициент мощности электроустановки в номинальном режиме

В режимах управления работу секций 1, 2 нагрузки целесообразно рассмат­ ривать отдельно от работы секций 3, 4. Для рассматриваемого режима их время

68

работы смещено друг относительно друга и секции подключены к системе электроснабжения во времени последовательно. Так как параметры нагрузки секций одинаковы, то их работа за период повторения одинакова. Определение относительного значения напряжения U* можно рекомендовать определять по действующему току в цепи за период напряжения в сети, а определение относи­ тельного значения активного сопротивления R, можно выполнить по дейст­ вующему току за период повторения Тп с помощью таблицы 3.1.

В первом приближении полное сопротивление электроустановки для рас­ сматриваемого режима управления определяется полным сопротивлением од­ ной секции нагрузки

Действующий ток одной секции электроустановки за время tH приближенно ра­ вен:

По таблице 3.1 находится Действующий ток одной секции электроустановки за период повторения можно

опреде™ -^

По таблице 3.1 находится R»: R,=l,058.

Во втором приближении полное сопротивление одной секции нагрузки

Действующий ток одной секции электроустановки за время tи

По таблице 3.1 находится U»: Ш=1,112 .

Действующий ток одной секции электроустановки за период повторения

По таблице 3.1 определяется Уточненное действующее значение тока одной секции электроустановки за

время tи

69

Так как во время t"H к сети с помощью тиристоров включена вторая секция нагрузки и ее режим работы такой же как у первой секции нагрузки, то дейст­ вующий ток второй секции нагрузки за время t и равен I = 31,12 А, поэтому дей­ ствующий ток электроустановки за период повторения равен действующему току за период напряжения сети, то есть I = 31,12 А.

Активная мощность нагрузки одной фазы рассчитывается

Рассчитываются промежуточные величины, позволяющие определить реактив­ ную мощность нагрузки одной фазы: м i-il * # "Ц 5- a» ffA

Реактивная мощность нагрузки одной фазы •>,

Рассчитываются потери мощности в вентилях преобразователя:

среднее значение тока в тиристоре во время

проводящего состояния;

коэффициент формы тока (таблица 2.4);

динамическое сопротивление тиристора [32];

N = 4 число вентилей преобразователя на одну фазу. К.п.д. преобразователя

Полная мощность нагрузки одной фазы

Полная мощность на входе электроустановки одной Фазы

Действующее напряжение на нагрузке одной фазы электроустановки можно определить по формуле Z/ff?- - , -

Баланс мощности электроустановки можно определить

Коэффициент Кп, учитывающий изменение полной мощности из-за неполно­ го использования напряжения сети для энергообеспечения технологического процесса равен 6-Л'^

Коэффициент мощностинагрузки можно рассчитать

71

Коэффициент мощности электроустановки с ^ы „

*7ГГ; 3. Величины и параметры, характеризующие электроустановку в режиме управления вентильным преобразователем модуляцией на низкой частоте с а=0° на интервале управления активной мощностью от Р« = 0,73 до Р, = 0,45. {ffi

Требуемые величины и параметры, характеризующие электроустановку, можно рассчитать, используя принцип наложения. Первая секция электроуста­ новки работает так же , как и в номинальном режиме, поэтому R» = 1,0. Режим работы второй секции нагрузки подобен режиму ее работы, рассмотренному в пункте 2.

Полное сопротивление первой секции электроустановки

В первом приближении действующий ток первой секции электроустановки за время t„ можно рассчитать

По таблице 3.1 определяется Во втором приближении действующий ток первой секции электроустановки за время tи в режиме управления

По таблице 3.1 уточняется U. : U» = 1,11.

Уточненное действующее значение тока первой секции электроустановки за

время t и в режиме

Активная мощност

Действующее напряжение на входе электроустановки

Полная мощность первой секции электроустановки

Реактивная мощность первой секции нагрузки может быть определена

В первом приближении действующий ток второй секции электроустановки за период повторения можно рассчитать

По таблице 3.1 определяется R»: R,= 1,058.

Во втором приближении действующий ток второй секции электроустановки за период повторения

л

По таблице 3.1 уточняется R.»: R* = 1,067.

Уточненный действующий ток второй секции электроустановки за период повторения Тп

Активную мощность второй секции электроустановки можно рассчитать

Рассчитываются промежуточные величины, позволяющие определить реак­ тивную мощность второй секции нагрузки:

73

Реактивная мощность второй секции нагрузки Полная мощность второй секции нагрузки

Полная мощность на входе второй секции электроустановки

Пассивную мощность на входе электроустановки можно найти из выражения

Активная мощность одной фазы электроустановки

Реактивная мощность одной фазы электроустановки

Полная мощность одной фазы нагрузки

Действующий ток второй секции электроустановки за время t и

74

Действующий ток электроустановки в режиме управления

Полная мощность одной фазы на входе электроустановки

Баланс мощности электроустановки можно проверить по формуле

Погрешность расчетов составляет 3,43%.

Коэффициент учитывающий изменения полной мощности из-за неполно­ го использования напряжения сети для энергообеспечения технологического процесса будет рассчитываться:

Коэффициент мощности нагрузки К„ можно рассчитать

Коэффициент мощности электроустановки

4. Величины и параметры, характеризующие электроустановку в режиме управления вентильным преобразователем модуляцией на низкой частоте с а=0° на интервале управления активной мощностью от

Ориентировочно можно принять полное сопротивление одной секции элек­ троустановки

В первом приближении действующий ток одной секции электроустановки за время! и

По таблице 3.1 находится U*: U» = 1,12.

Действующий ток одной секции электроустановки за период повторения

75

Баланс мощности электроустановки можно определить по формуле

Коэффициент Кп, учитывающий изменение полной мощности преобразова­ телем, равен

Коэффициент мощности нагрузки Ки в режиме управления

Коэффициент мощности электроустановки X в режиме управления

Величины, полученные расчетным путем, можно сравнить с данными экспе­ риментальных исследований, которые приведены в таблице 4.1. В рассмотрен­ ном примере полное использование напряжения на входе электроустановки (режим управления, рассчитанный в п. 3) для получения тепловой энергии по­ зволяет устранить пассивную мощность и получить энергетические показатели выше, чем в номинальном режиме (режим 1).

Таблица 4.1 Электрические величины, характеризующие электроустановку в номинальном режиме и в режимах управления

78

Пассивная мощность AS возникает в электрической сети, когда управление электроустановкой осуществляется преобразователем напряжения (режим 2, 4) из-за неполного использования напряжения сети, необходимого для получения тепловой энергии. Коэффициент мощности нагрузки Кн с активноиндуктивным характером электрического сопротивления в режимах управления модуляцией на низкой частоте с а = 0° выше, чем в номинальном режиме из-за снижения частоты напряжения, тока в секциях электронагревателей в 2...4 раза по сравнению с частотой напряжения в сети. В режимах управления преобразо­ вателями из-за снижения частоты напряжения и тока может уменьшаться ин­ дуктивная составляющая сопротивления и реактивная мощность нагрузки Q. Перевод преобразователя сопротивления в режим работы преобразователя на­ пряжения (режим 2, 4) вызывает снижение коэффициента Кп из-за образования пассивной мощности, и, несмотря на повышение коэффициента мощности на­ грузки Ка, сопровождается уменьшением коэффициента мощности электроус­ тановки к по сравнению с коэффициентом мощности электроустановки в но­ минальном режиме (режим 1) и в режиме управления преобразователем сопро­ тивления (режим 3).

4.2.Способы повышения коэффициента мощности нагрузки с помощью вентильных преобразователей

Решение задачи повышения коэффициента мощности нагрузки вентильными преобразователями, которые применяются для управления мощностью нагруз­ ки, способствует: снижению потерь энергии в электрических сетях; повышению коэффициента использования сетей, источников энергии и элементов преобра­ зователя; снижению затрат на компенсирующие устройства, снижению их мас­ сы и габаритов; улучшению показателей качества электроэнергии во время ра­ боты преобразователей.

Повышение коэффициента мощности нагрузки с помощью преобразователей можно обеспечить: уменьшением реактивной составляющей сопротивления на­ грузки X в номинальном режиме и в режиме управления; обеспечением цирку­ ляции тока внутри потребителя электроэнергии; компенсацией реактивной мощности нагрузки реактивными элементами преобразователей.

Поставленная задача может быть решена выбором схемы преобразователей и способами управления вентилями, применением дополнительных элементов в силовой части схемы.

Для потребителей электроэнергии, не критичных к роду и к форме напряже­ ния, тока (электронагреватели, некоторые источники излучения, отдельные ви­ ды электропривода, аккумуляторы, электролизеры и т.п.) целесообразно приме­ нять выпрямленный ток, так как внутренняя индуктивность и поверхностный эффект, например, металлических-проводников при этом снижаются. Так, элек­ трическое сопротивление металлического проводника постоянному току

79