Теория и средства компенсации неактивных составляющих мощности силовой электронной аппаратуры

План лекции:

1. Неуправляемые компенсаторы неактивных составляющих мощности.

2. Управляемые компенсаторы неактивных составляющих мощности.

1. Неуправляемые компенсаторы неактивных составляющих мощности

В предыдущей лекции были отмечены трудности, возникающие при создании вентильных преобразователей с высоким коэффициен­том мощности. Другим способом повышения коэффициента мощно­сти является применение источников реактивной мощности и фильтрокомпенсирующих устройств, подключение которых ко входу преобразователя позволяет повысить коэффициент мощности схемы. Источники реактивной мощности позволяют повысить ко­эффициент мощности любых цепей, однако их использование вме­сте с вентильными преобразователями имеет свою специфику, обу­словленную нелинейным характером входного сопротивления и не­синусоидальностью входного тока преобразователя, потребляемого из сети.

Источники реактивной мощности могут выполняться различны­ми способами, наибольшее распространение в преобразовательной технике получили конденсаторные (неуправляемые) и тиристорно-конденсаторные (управляемые) источники реактивной мощности. Рассмотрим возможность повышения коэффициента мощности с помощью источника реактивной мощности, состоящего из так назы­ваемых косинусных конденсаторов (рис.1, а). Набор конденсаторов включен параллельно входу преобразователя, поэтому ток i, потреб­ляемый из сети, равен сумме тока преобразователя i₁ и компенси­рующего тока i_k. На рис.1, б представлена векторная диаграмма то­ков, где вектор I_1,1 соответствует первой (основной) гармонике тока i₁. Разложим ток I_i,i на его составляющие 1_1,1,0 и I_1,1,. Если ток кон­денсаторов I_K= I_1,1 sin_, ток i синфазен питающему напряжению и ус­тановка (рис.1, а) не потребляет из сети реактивную мощность. Реак­тивная мощность, потребляемая преобразователем в этом случае, компенсируется за счет реактивной мощности, вырабатываемой конденсаторами.

Рис.1. Подключение к вентильному преобразователю компенсирующих конденсаторов (а) и векторная диаграмма токов и напряжений (б)

Ток через каждый конденсатор в схеме I_c = I_k /.Напряжение на конденсаторе U_c= U_1Л = U₁,. Таким образом,

C = I_c/U_c=I_k/3U_l.

При полной компенсации реактивной мощности преобразователя по 1-й гармонике

C = vI_lsin/(3U_l).

Для защиты конденсаторов от перегрева за счет высших гармоник тока, генерируемых преобразователем, в схему введены небольшие индуктивности (показаны на рис.1, а пунктиром).

Выше указывалось, что вентильный преобразователь потребляет от сети реактивную мощность, которая зависит от угла управления, величины и характера нагрузки. Поскольку реактивная мощность преобразователя изменяется в процессе работы, полная компенсация реактивной мощности в схеме возможна лишь в одном из режимов. В других режимах возможны либо неполная компенсация реактивной мощности, либо генерация в сеть избыточной реактивной мощности. Выбор емкости конденсаторов при этом определяется режимами ра­боты преобразователя и сети, а также экономическими соображе­ниями, поскольку увеличение емкости конденсатора повышает стоимость установки.

С целью снижения уровня высших гармонических составляющих в сети при работе вентильных преобразователей к сети подключают филътрокомпенсирующие устройства. На (рис.2) представлена схема такого устройства, содержащего систему многофазных колебатель­ных LC-контуров с резонансом напряжений. Частота резонанса в каждом из этих контуров соответствует частотам наиболее интен­сивных высших гармонических составляющих напряжения сети, обусловленных работой преобразователя (или другой нелинейной нагрузки). В трехфазных системах гармоники, кратные трем, обычно в силу симметрии отсутствуют, и гармоническими составляющими напряжения в сети бывают 5, 7, 11, 13-я и т.д. гармоники. Низшие из них наиболее интенсивны.

Резонансная частота контура L₅C_{5 p5} = 5, для этого контура вы­полняется соотношение

.

В контуре L₇C₇ резонанс наступает при частоте _Р7 = 7,поэтому

.

При резонансе входное сопротивление каждого из контуров равно нулю (если пренебречь потерями в L и С) и через них замыкаются гармонические составляющие токов, генерируемые преобразовате­лем, минуя питающую сеть. В результате искажения кривой сетево­го напряжения резко снижаются. На частоте сети сопротивление контуровL₅C₅ и L₇C₇ имеет ем­костной характер, и конденсаторы С5 и С7 компенсируют реактив­ную мощность, потребляемую преобразователем, подобно конденса­торам схемы (рис.1, а). За счет этого рассматриваемое фильтро-компенсирующее устройство не только позволяет снизить искажения формы питающего напряжения в сети, но и уменьшить потребление реактивной мощности по основной гармонике, поэтому это устрой­ство можно считать также источником реактивной мощности.

Рис.2 Схема подключения фильтрокомпенсирующего устройства.