Учебное пособие Ресурсосбережение
.pdf
где |
удельное электрическое сопротивление проводника, Ом • м; |
|
длина проводника, м; |
|
• площадь поперечного сечения, м2; |
Удельное электрическое сопротивление металлических проводников можно определить
г д л ь н о е сопротивление проводника при 293 К, Ом • м; - температурные коэффициенты сопротивления материала проводни ка,
М93 - превышение температуры проводника над 293 К.
Активное сопротивление металлического проводника цилиндрической фор мы [6] с учетом поверхностного эффекта
где 
- безразмерный коэффициент, зависящий от размеров, поперечно го сечения, удельного электрического сопротивления, магнитной проницаемости материала проводника.
где
радиус цилиндрического проводника, м; частота тока, Гц;
i |
- магнитная постоянная; |
- относительная магнитная проницаемость.
Индуктивное сопротивление металлического проводника цилиндрической формы [6]
где 
7
где
На рис. 4.1 приведены диаграммы мощностей электроустановок с двумя ти
пами преобразователей напряжения и с фазовым управлением вентилями при
80 |
81 |
|
различном характере электрического сопротивления нагрузки. На рис. 4.1 а, в приведена диаграмма мощности нагрузки 
5 управле ние которой выполняется тиристорным регулятором (рис. 3.10) переменного напряжения (ТРН). На рис. 4.1 в приведена диаграмма мощностей электроуста новки с однополупериодными тиристорными выпрямителями (ТВ), выполнен ными по схеме (рис. 1.17) на тиристорах VS1 и VS2. Секции нагрузки Z, и 2а являются той же нагрузкой что и нагрузка для ТРН с = 0,30. Данная на грузка при управлении тиристорными выпрямителями (ТВ) в номинальном ре жиме имеет
= 0,14 из-за уменьшения индуктивного сопротивления и по верхностного эффекта проводников нагревателя. Когда управление выполняет ся ТРН, к секциям электронагревателя прикладывается переменное напряжение, а когда управление выполняется ТВ, к секциям того же электронагревателя прикладывается выпрямленное пульсирующее напряжение.
Из-за нелинейных искажений формы напряжения и тока в проводниках элек тронагревателя для режимов управления характерно приращение реактивной мощности
которое условились называть мощностью искажения.
Таким образом, выбор схемы преобразователя отражается на изменении ко эффициента мощности нагрузки в номинальном режиме и в режимах управле ния. Рациональное схемотехническое решение зачастую не требует оснащения преобразователя дополнительными элементами, что способствует снижению мощности компенсирующих устройств или их полному исключению.
Циркуляция тока внутри потребителя электроэнергии за счет энергии, нако пленной в реактивных элементах электроустановки, может обеспечиваться ши роко распространенным на практике включением обратных диодов параллельно нагрузке или увеличением длительности импульсов управления вентилями пре образователя, формированием для этих целей дополнительных импульсов управления. Последний способ повышения коэффициента мощности нагрузки получил применение в выпрямительно-инверторных преобразователях (ВИЛ) на современных электровозах, упрощенная схема которого представлена на рис.
Исследование данного способа повышения коэффициента мощности нагруз ки выполнено с применением схем (рис. 4.2а, б) при фазовом управлении вен тилями преобразователя. Одна и та же нагрузка R„, XH в номинальном режиме с тиристорным регулятором (ТРН) переменного напряжения (рис. 4.2а) характе ризуется
а с тиристорным выпрямителем (ТВ) и с обратными диода ми (рис. 4.26) - характеризуется 
Из диаграммы мощностей (рис. 4.2в) следует, что коэффициент мощности нагрузки в номинальном режиме и в режимах управления ТВ с обратными дио дами выше, чем коэффициент мощности нагрузки у электроустановки с ТРН.
Ранее отмечалось, что широкое распространение получил фазовый способ управления вентилями, иначе называемый способом синхронной широтноимпульсной модуляции на основной частоте входного напряжения. Анализ
Ю. |
83 |
формы тока преобразователей с фазовым управлением показывает, что несину соидальную кривую мгновенного значения тока можно представить спектром высших гармонических составляющих, кратных основной частоте входного на пряжения. Амплитуда гармонических составляющих обратно пропорциональна частоте [8,12]. Поэтому при фазовом управлении вентилями преобразователя индуктивная составляющая сопротивления нагрузки увеличивается. Рост ин дуктивной составляющей сопротивления нагрузки обуславливает увеличение реактивной мощности нагрузки и снижение коэффициента мощности нагрузки в режиме фазового управления вентилями преобразователя по сравнению с ко эффициентом мощности нагрузки в номинальном режиме (рис. 4.1).
Фазовое управление вентилями преобразователя с активно-емкостным ха рактером сопротивления нагрузки вызывает уменьшение емкостной состав ляющей сопротивления нагрузки. Снижение емкостной составляющей сопро тивления нагрузки вызывает уменьшение реактивной мощности нагрузки и обу славливает повышение коэффициента мощности нагрузки в режиме фазового управления вентилями преобразователя.
Для повышения коэффициента мощности нагрузки с активно-емкостным ха рактером электрического сопротивления можно рекомендовать фазовое управ ление вентилями преобразователя. Уменьшение емкостной составляющей со противления необходимо учитывать при включении конденсаторов в электри ческие цепи с фазовым управлением вентилями преобразователя для исключе ния перегрузки конденсаторов по току, для предотвращения вывода их из строя.
В последние годы заводы начали изготавливать по индивидуальным заказам преобразователи с управлением вентилями модуляцией на низкой частоте (НЧ) или, в соответствии с принятой классификацией, способом управления асин хронной импульсной модуляцией на низкой частоте с углом отпирания и запи рания вентилей при прохождении тока через нуль [4, 8, 20]. Анализ формы тока преобразователей с управлением модуляцией на НЧ показывает, что несину соидальную кривую мгновенного значения тока можно представить спектром низших, дробных гармонических составляющих. Амплитуда гармонических со ставляющих уменьшается в пропорции, обратно пропорциональной квадрату их частоты по отношению к амплитуде основной низкочастотной гармонической составляющей. Работа преобразователя напряжения с управлением вентилями модуляцией на НЧ сопровождается колебаниями напряжения в сети с частотой модуляций. Амплитуда колебания напряжения в сети, приведенная к частоте 10 Гц, ограничена в соответствии с ГОСТом (ГОСТ 13109-87 на показатели каче ства электроэнергии) допустимым размахом колебаний напряжения 8U < 0,4% [10]. При данном способе управления вентилями преобразователя индуктивная составляющая сопротивления нагрузки уменьшается.
Снижение индуктивной составляющей сопротивления нагрузки обуславли вает уменьшение реактивной мощности нагрузки AQ и повышения коэффициен та мощности нагрузки в режиме управления по сравнению с коэффициентом
84 |
85 |
|
мощности нагрузки в номинальном (рис. 4.3), результаты расчета получены в примере 2. Управление вентилями преобразователя модуляцией на низкой час тоте с активно-емкостным характером сопротивления нагрузки вызывает увели чение емкостной составляющей сопротивления нагрузки. Рост емкостной со ставляющей сопротивления нагрузки обуславливает увеличение реактивной мощности нагрузки в режиме управления по сравнению с коэффициентом мощ ности нагрузки в номинальном режиме.
Для повышения коэффициента мощности нагрузки с активно-индуктивным характером электрического сопротивления можно рекомендовать управление нентилями преобразователя модуляцией на низкой частоте. Колебания напря жения в сети ослабляются или устраняются с применением управления модуля цией на НЧ вентилями преобразователей сопротивления (рис. 1.19).
Более высокие результаты в решении задачи повышения коэффициента мощности нагрузки можно получить при одновременном использовании не скольких рассмотренных способов. Так, применением преобразователя для управления мощностью активно-индуктивной нагрузки, выполненного по схеме тиристорного преобразователя сопротивления (ТПС) с выпрямлением тока, с обратными диодами и с управлением вентилями модуляцией на НЧ коэффици ент мощности нагрузки в номинальном режиме, а также в режимах управления (рис. 4.4.) одинаков и становится выше, чем коэффициент мощности нагрузки, управление мощностью которой выполняется другими преобразователями. Диа граммы мощностей (рис. 4.4) получены для одной и той же нагрузки преобразо вателей. Дальнейшее повышение коэффициента мощности нагрузки можно обеспечить применением традиционных компенсирующих устройств. Мощ ность, масса, габаритные размеры компенсирующих устройств и затраты на их применение можно сократить, так как угол ср с помощью рационального ис пользования преобразователей уменьшается с 
3 (рис. 4.4).
4.3. Анализ энергетических характеристик электроустановок с вентильными преобразователями
Важнейшим показателем энергетической эффективности устройств является коэффициент полезного действия. Результатами расчета подтвержден извест ный факт, который заключается в том, что коэффициент полезного действия вентильных преобразователей близок к единице и практически не изменяет к.п.д. электротехнологической установки.
Коэффициент мощности снижается (вплоть до нуля) в режимах управления, что является известным недостатком электроустановок с вентильными преобра зователями напряжения и что еще раз подтверждено выполненными расчетами, экспериментами (рис. 4.5).
Ухудшение коэффициента мощности электроустановок в режимах управ ления технологическими процессами с помощью вентильных преобразователей
86 |
87 |
|
напряжения принято считать происходящим по причине возникновения мощно сти сдвига Qi и мощности искажения Т в составе полной мощности.
Рис. 4.5. Зависимость коэффициента мощности электроустановки от актив ной мощности.
1 - с вентильным преобразователем напряжения,
2-е вентильным преобразователем сопротивлен
3-е вентильным преобразователем сопротивлен
Энергетические характеристики (3.3 ... 3.10) позволяют более подробно изучить явление в электрических цепях во время непроводящего состояния вентилей преобразователя, когда напряжение, вырабатываемое источниками энергии и передаваемое электрическими сетями к электроустановкам, не используется в технологических процессах и на входе возникает пассивная мощность AS. Мощности Q] и Т являются ортогональными составляющими скаляра AS, если нагрузка преобразователя имеет активное сопротивление, или скаляра
, если нагрузка преобразователя имеет активно-реактивное сопро тивление. Мощность сдвига Qi и мощность искажения Т можно уменьшить или полностью устранить компенсирующими устройствами и фильтрами, но коэф фициент мощности электроустановки с компенсатором и с фильтром не повы шается, а зачастую снижается. Вывод о. том, что улучшение коэффициента мощности невозможно достичь за счет применения двукратного включения вентилей, несимметричного и поочередного управления вентильными группа-
88
ми, полученный автором данных технических решений, профессором О.А.Маевским [1,19], подтверждает правомерность результатов, полученных в данной работе. То есть известными техническими решениями не достигается конечная цель повышения коэффициента мощности, направленная на снижение действующего тока на входе электроустановки.
Когда мощность компенсирующих устройств равна реактивной мощности ншрузки (рис. 3.6), действующий ток на входе электроустановки с преобразова телем напряжения имеет минимальное значение. Дальнейшее улучшение коэф фициента мощности электроустановок с вентильными преобразователями мож но достичь уменьшением пассивной мощности AS.
Важнейшими для практики являются следующие положения:
1.При оценке энергетической эффективности электроустановок, управляемых вентильными преобразователями целесообразно ориентироваться на величи ну действующего тока на входе электроустановок, так как коэффициент мощности в режиме управления в значительной мере зависит от величины пассивной мощности, нежели от величины реактивной мощности (таблица
3.2);
2.К перспективным техническим решениям, направленным на повышение энергетических показателей электроустановок, следует отнести разработки, снижающие или полностью исключающие неэффективное использование напряжения на входе электроустановок, причины возникновения пассивной мощности AS в режимах управления.
Суменьшением AS автоматически снижаются мощность сдвига Qi и мощ ность искажения Т. Технические решения, направленные на компенсацию орто гональных составляющих Qi и Т, не снижают пассивную мощность AS и явля ются малоэффективными.
По данным таблицы 3.2, таблицы 4.1 и по результатам экспериментальных исследований построены зависимости коэффициента мощности электроустано вок с различными вентильными преобразователями. Коэффициент мощности электроустановки в режиме управления вентильными преобразователями со противления близок к значению номинального коэффициента мощности, так как AS =0 Повышение коэффициента мощности, достигаемое с помощью пере ключения секционированных обмоток (рис. 1.22), а также с помощью мостовых систем с несимметричными анодными напряжениями (рис. 1.25) обеспечивает ся ограничением мощности AS, напряжением одной секции на четырех или трех зонах плавного регулирования, изменением входного сопротивления электроус тановки при переключении секции обмоток трансформатора в соответствии с выражением (1.6). Эквивалентные двенадцатифазные преобразователи с после довательным соединением трехфазных обмоток позволяют повысить коэффи циент мощности электроустановок за счет снижения AS из-за неполного исполь зования напряжения, прикладываемого к одному из двух выпрямительных мос тов (рис. 1.21а, б). Различные группы соединения трехфазных обмоток преобра-
89
зовательных трансформаторов обеспечивают смещение напряжений и токов во вторичных обмотках трансформаторов по фазе на угол к/6, что способствует уменьшению коэффициента пульсации тока. В вентильных преобразователях с изменяемой структурой (рис. 1.25) при переходе от мостовой трехфазной сис темы к нулевой выходное напряжение снижается в 2 раза, поэтому в двух зонах плавного управления выпрямленным напряжением пассивная мощность снижа ется в 2 раза, а коэффициент мощности электроустановки с данными преобра зователями улучшается.
Двукратное включение вентилей, несимметричное и поочередное, позволяют за счет управления вентильными группами или многомостовыми преобразова телями, соединенными последовательно или параллельно, разделить номиналь ное выходное напряжение преобразователя на напряжения анодной, катодной групп или одного мостового выпрямителя. Так как отдельные составляющие меньше номинального напряжения, то и пассивная мощность при данном управлении меньше, чем при обычном управлении, что обуславливает улучше ние коэффициента мощности электроустановок.
Следует заметить, что двукратное включение вентилей способствует сниже нию пассивной мощности в режиме управления многомостовыми преобразова телями. А несимметричное и поочередное управление вентильными группами в одномостовых преобразователях сопровождается появлением постоянной со ставляющей и спектра четных гармонических составляющих в токе, что отрица тельно сказывается на работе трансформаторов и других электромагнитных ап паратов.
Другим перспективным направлением улучшения коэффициента мощности электроустановок с вентильными преобразователями являются способы повы шения коэффициента мощности нагрузки. Незначительные затраты требуются для повышения коэффициента мощности нагрузки с помощью вентильных пре образователей, применяемых для управления энергообеспечением технологиче ских процессов. Если преобразователь имеет активно-индуктивную нагрузку, то для повышения коэффициента мощности нагрузки целесообразно управлять вентилями преобразователя модуляцией на низкой частоте. Если преобразова тель имеет активно-емкостную нагрузку, то для повышения коэффициента мощности нагрузки целесообразно применять фазовое управление вентилями преобразователя.
Улучшение коэффициента мощности нагрузки, достигаемое рациональным схемотехническим построением электроустановки, направлено на уменьшение внутренней индуктивности, поверхностного эффекта проводников, на снижение реактивной составляющей сопротивления нагрузки. Так для управления элек тронагревателями и другими потребителями энергии целесообразно применять выпрямительные преобразователи.
Повышению коэффициента мощности нагрузки способствует включение об ратного вентиля параллельно нагрузке или применение нулевых вентилей в схемах преобразователей [1].
Расчет и выбор компенсирующих устройств целесообразно производить по реактивной мощности нагрузки Q, которая, в отличие от мощности сдвига Qi (таблица 3.2), убывает монотонно с увеличением глубины регулирования мощ ности Р.
Неоправданные затраты на применение компенсирующих устройств, выби раемые по мощности сдвига Qi, дополняются зачастую повышенными потеря- м и энергии в электрических сетях, источниках энергии, а также снижением их коэффициента использования из-за ухудшения энергетических показателей электроустановки с данным компенсирующим устройством,
90 |
91 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Расчет и анализ энергетических характеристик электрифицированных техно
логических процессов позволяют выявить технические решения, обеспечиваю щие:
1.эффективное использование электрической энергии;
2.рациональный расход материалов на изготовление оборудования.
Кперспективным направлениям ресурсосберегающего преобразования элек трической энергии в иной вид энергии при управлении технологическими про цессами можно отнести преобразователи, позволяющие минимизировать по требляемый из сети ток за счет эффективного использования напряжения сети, за счет компенсации реактивной энергии нелинейных и реактивных элементов.
Разработанные методики расчета энергетических характеристик электроус тановок, оснащенных современными силовыми полупроводниковыми прибора ми, позволяют получить результаты, близкие к результатам экспериментов при сравнительно небольшой трудоемкости расчетов.
92
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Абрамов А.Н., Денисов В .Я. Вентильные преобразователи с улучшен ным коэффициентом мощности. - М.: Информэлекгро, 1980, 4.1, - 73 с.
2.А.с. № 682987 (СССР). Регулируемый тиристорный преобразователь неременного напряжения для двух активных нагревателей и способ управления им / А.А. Яценко и др. Опубл. в Б.И.. № 32. 1979.
3.А.с. № 1676035 (СССР). Способ регулирования электрической мощно сти на п-параллельно включенных нагрузках / А.Д.Родченко. Опубл. в Б.И., № 33, 1991.
. 4. Асинхронный электропривод с тиристорными коммугаторами /Л.П.Петров и др. - М: Энергия, 1970. -127 с.
5.Астраханцев Л.А. Методы и средства ресурсосберегающего управления сельскими электроустановками с преобразователями: - Дис. д-р. техн. наук: 05.20.02.-3ащищена 18.06.93; Утв. 01.10.93;-Челябинск, 1993.
6.Басов А.М., Быков ВТ"., Лаптев А:В., Файн В.Б. Электротехнология. - М: Агропромиздат, 1985. - 256 с.
7.Бородин И.Ф., Недилько Н.М. Автоматизация технологических процес сов. - М: Агропромиздат, 1986. - 368 с.
8.Гельман М.В., Лохов СП. Тиристорные регуляторы переменного на пряжения. -М.: Энергия, 1975. -104 с.
9.Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Энер гоатомиздат, 1988. - 320 с.
10.ГОСТ 13109-87 Электрическая энергия. Требования к качеству элек трической энергии в электрических сетях общего назначения. - М.: Государст венный комитет СССР по стандартам, 1988. - 20 с.
11.Дрехслер Р. Измерение и оценка качества электроэнергии при несим метричной и нелинейной нагрузке. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 113 с.
12.Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промышленных предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 160 с.
13.Зорохович А.Е., Крылов С.С. Основы электроники для локомотивных бригад. - М.: Транспорт, 1983. - 224 с.
14.Зиновьев Г.С. Прямые методы расчета энергетических показателей вентильных преобразователей. - Новосибирск: Изд-во Новосибирского государ ственного университета, 1990. - 219 с.
15.Ильинский Н.Ф., Рожанковский Ю.В., Горнов А.О. Энергосбережение
вэлектроприводе. -М.: Энергоиздат, 1989.
16.Кадомский Д.Е. Активная и реактивная мощности - характеристики средних значений работы и энергии периодического электромагнитного поля в элементах нелинейной цепи// Электричество. 1987. №7. С.39-43.
17.Колкер М И , Полищук Я.А. Бесконтактные регуляторы напряжения для электропечей сопротивления. - М.: Энергия, 1971. - 81 с.
93
18.Маркушевич Н.С. Регулирование напряжения и экономия электриче ской энергии. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 104 с.
19.Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразова телей. - М.: Энергия, 1978. - 320 с.
20.Мишин В.И., Лут Н.Т. Регулируемый асинхронный электропривод с пофазно-импульсным управлением// Техника в сельском хозяйстве. 1985. №2.
С.33-35.
21.Обухов С.Г. Коэффициент мощности импульсных регулирующих уст ройств//Электричество. 1965. №11. С.36 - 38 .
22.Патент № 2030084 (Российская Федерация). Устройство для регулиро вания мощности на ш-фазной нагрузке / Л.А.Астраханцев, Н.МАстраханцева. Опубл. в Б.И.. № 6,1995.
23.Полупроводниковые преобразователи электрической энергии
/А.Крогерис и др. - Рига: Зинатне, 1969. - 531 с.
24.Преобразовательные полупроводниковые устройства подвижного со става / Ю.М.Иньков и др. - М.: Транспорт, 1982. - 263 с.
25.Режимы работы магистральных электровозов / О.АНекрасов, А.Л.Лисицын, ЛА.Мугинштейн, В.И.Рахманинов; Под ред. ОА.Некрасова. - М.: Транспорт, 1983.-231 с.
26.Ривкин Г.А. Преобразовательные устройства. - М.: Энергия, 1970. -
544 с.
27.Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразователь ной техники. - М.: Высшая школа, 1980. - 424 с.
28.Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразователь ных установок. - М: Энергоатомиздат, 1985. -137 с.
29.Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного элек тропривода / Л.П.Петров и др. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 200 с.
30.Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротех нологических установок / Е.И.Беркович и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - 208 с.
31.Чебовский О.Г. и др. Силовые полупроводниковые приборы (справоч ник). - М.: Энергия, 1975. - 512 с.
32.Электроподвижной состав с полупроводниковыми преобразователями
/Б.Н.Тихменев и др. - М.: Транспорт, 1967. - 307 с.
33.Borst D.W., Diebold E.I., Parrish F.W. Регулирование напряжения при помощи силовых тиристоров. - М. : ВНИИЭМ, 1966. - 52 с.
Леонид Алексеевич Астраханцев Надежда Михайловна Астраханцева
характеристик электроустановок
спреобразователями
Учебное пособие
Редактор Л.И. Рубанова
Лицензия Серия ЛР№ 021231 от 23 июля 1997 г. Подписано в печать %Ч. 0€.39
Формат 60 х 84 / 16. Печать офсетная. Усл. печ. л. 6,3. Уч.-изд. л. 6,1. Тираж 500. План 1999г. Позиция плана 37. Заказ £2.2.
Глазковская типография г. Иркутска, г. Иркутск, ул. Гоголя, 53.
94
МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ
ИРКУТСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ИРКУТСК 1999