Б) Ёмкость как фильтр.

Преимущественное применение находит при больших значениях нагрузочного сопротивления и в установках высокого напряжения. Ёмкость подключается параллельно нагрузке (рис.2.21).

Рис. 2.21. Схема емкостного фильтра

В этом случае постоянная составляющая тока нагрузки протекает через сопротивление нагрузки Rd. Переменная составляющая напряжения выпрямителя

Переменная составляющая тока, протекающая через ёмкость, обратно-пропорциональна сопротивлению

Ток, протекающий через ёмкость будет значительно больше тока, протекающего через сопротивление нагрузкиRd.

Коэффициент сглаживания ёмкостного фильтра

(2.62)

где С в микрофарадах.

(2.63)

в) Г- образный фильтр.

Эффект от действия параллельно включенной ёмкости значительно повышается, если до ёмкости включить индуктивное сопротивление (рис.2.22).

Рис. 2.22. Схема Г-образного фильтра

Гармонические тока, обусловленные параллельно включенной ёмкостью, проходят в таком фильтре через последовательное звено, вызывая в нём падение напряжения, и, поэтому, напряжение на зажимах нагрузки получается более сглаженным. Коэффициент сглаживания Г- образного фильтра получается как произведение коэффициентов сглаживания индуктивного L-фильтра и ёмкостного С- фильтра

. (2.64)

Отсюда . (2.65)

Г) Фильтр с резонансными параллельными ветвями

Ещё большую степень сглаживания можно получить, если вместо параллельной ёмкости, как в Г- образном фильтре, после последовательного индуктивного звена включить резонансную ветвь или ряд ветвей, как это показано на рис.2.23. В каждой из ветвей подбором включаемых в неё индуктивности и ёмкости согласно равенству:

(2.66)

создаётся резонанс напряжений гармонической определённой кратности к (к берётся равным 1,2,3 и т.д.). В состоянии резонанса результирующее сопротивление ветви складывается из активных сопротивлений.

Рис. 2.23. Схема резонансного параллельного фильтра

Д) Фильтр с резонансными последовательными ветвями

В этом случае мы приходим к фильтру с последовательно включёнными резонансными контурами тока (рис.2.24). Каждый такой контур настраивается на резонанс тока на определённую частоту. Каждое из звеньев фильтра-пробки по отношению к резонансной гармонической тока проявляет себя как активное сопротивление .

Рис. 2.24. Схема резонансного последовательного фильтра

Коэффициент сглаживания определяется из равенства

(2.67)

2.5. Энергетические показатели управляемых преобразователей переменного тока в постоянный ток

Кроме характеристики экономичности преобразования потребляемой электроприводом энергии значение имеет анализ экономичности потребления энергии от сети или автономного источника питания, т.е. характеристика электропривода как приемника электрической энергии.

Экономичность передачи электроэнергии от источника электроприводу зависит как от типа и технических характеристик элементов электропривода, так и от режимов его работы. Электрический преобразователь преобразует переменные, которые характеризуют поступившую на его вход электроэнергию к виду, необходимому для последующего преобразования ее в механическую работу электромеханическим преобразователем (ЭМП).

В зависимости от выбранного варианта преобразователя переменного тока в постоянный, система управляемого электропривода будет иметь определенные показатели. Далее преобразованная электроэнергия из системы переменного тока передается в систему постоянного тока, а от управляемого выпрямителя поступает на электродвигатель. Для приемников с нелинейными характеристиками и повышенным потреблением реактивной мощности (например, вентильные преобразователи переменного тока в постоянный для мощных электроприводов) характерным является искажение синусоидального напряжения и протекание в системе электроснабжения высших гармоник.

Основными энергетическими показателями управляемых выпрямителей являются коэффициент мощности К_м и коэффициент полезного действия (КПД) . Управляемый выпрямитель потребляет из электрической сети активную, реактивную мощности и мощность искажения. Основная часть активной мощности через выпрямитель передаётся нагрузке, а небольшая часть теряется в виде потерь. Наличие реактивной мощности обусловлено тем, что при регулировании с помощью вентилей происходит сдвиг между напряжением сети и током, потребляемым выпрямителем. Включение вентилей при управлении происходит позднее, чем при отсутствии управления, на угол . Прекращение тока через проводящий вентиль происходит соответственно позднее за счёт катодной индуктивности X_d. При достаточной индуктивности ток в вентиле продолжает протекать в том же направлении при изменении знака приложенного напряжения. В пределе при X_d= ток прямоугольной формы будет протекать в течение (180 при однофазных и 120 при трёхфазных выпрямителях). Вследствие специфики работы вентилей, ток, потребляемый из сети, не синусоидален.

Потребление реактивной мощности и наличие в кривых тока и напряжения высших гармонических приводят к увеличению действующего значения тока сети и росту потерь при передаче энергии к управляемому выпрямителю.

Полная мощность, потребляемая из сети выпрямителем m-фазного тока

, (2.68)

где – действующее значение фазного напряжения сети;

– действующее значение фазного тока; и– соответственно действующие значения напряжения и тока.

При питании от мощной энергосистемы и когда X_d=можно полагать, с небольшой погрешностью,синусоидальным. При таком допущении

. (2.69)

Полагая, что полное значение тока состоит из активной и реактивной составляющих

(2.70)

Определим составляющие полной мощности, потребляемой из сети:

- активная мощность

, (2.71)

Реактивная мощность

(2.72)

Мощность искажения

(2.73)

где – сдвиг по фазе между основными гармониками первичного напряжения и первичного тока.

Выражение (2.69) для полной мощности, потребляемой из сети можно записать в новой форме

Среднее за период значение произведения мгновенных значений синусоид различных частот равно нулю. Поэтому активная мощность токами высших гармонических при синусоидальном напряжении сети не создаётся.

Коэффициент мощности выпрямителя

, (2.74)

где – коэффициент искажения формы потребляемого тока.

Полагая, что отношение амплитуды i-ой гармоники к амплитуде основной гармоники тока находятся в соотношении уравнение (2.74) перепишется

. (2.75)

Угол сдвига по фазе между основными гармониками первичного тока и напряжения следует брать без учёта коммутации и при учёте коммутации

, (2.76) где  – угол коммутации.

На рис. 2.25 приведены графики изменения S, P, Q, T в функции углов управления .

В наиболее распространенных схемах управляемых вентильных преобразователей (УВП) потребление реактивной мощности происходит в размерах, пропорциональных степени регулирования выходного напряжения. В результате работа мощного вентильного преобразователя зачастую сопровождается посадками напряжения в питающей сети, нарушающими режим энергоснабжения предприятий [146,147]. Компенсация реактивной мощности, потребляемой УВП, затруднительна и часто малоэффективна, ввиду сравнительно высокого быстродействия этих устройств [148].

Рис.2. 25. Графики потребляемой мощности управляемым выпрямителем

при естественной коммутации

Из анализа работы управляемого выпрямителя при естественной коммутации следует, что при изменении углов управления с целью изменения выходного напряжения:

– потребляемая полезная мощность изменяется по закону косинусоидальной функции, при =0 Р максимальна, при=/2 Р минимальна;

– реактивная мощность изменяется по синусоидальной зависимости, при =0Q=0, при=/2Qмаксимальна;

– полная мощность при измененииот 0 до/2 практически не изменяется;

– спектральный состав тока – только нечетные гармоники, относительная величина I_j/I₍₁₎с увеличениемрастет, в результате влияние высших гармоник на питающую сеть растет с увеличение углов управления;

– по мере увеличения углов управления реактивная мощность возрастает и вызывает повышенные потери активной мощности в питающей сети;

– для уменьшения влияния на питающую сеть необходимо устанавливать компенсирующие устройства.

С точки зрения энергосбережения необходимо коренное изменение технологии преобразования переменного тока в постоянный. Такие преобразователи рассмотрены в главе 3.