Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агенТство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова»

А.В. Абрамов в. П. Терехов

Источники питания

Электротехнологических

Установок

Лабораторный практикум

Чебоксары 2007

УДК 621.365:621.311.6

А16

Рецензенты:

кафедра управления и информатики

в технических системах

Чебоксарского института (филиала)

Московского государственного открытого университета,

(зав.кафедрой профессор О.Н.Зайцев);

канд.техн.наук, зам. генерального директора

ЗАО «ВОЛМАГ» Н.И.Атаманюк

Абрамов А.В.

А16 Источники питания электротехнологических установок:

лаб. практикум / А.В.Абрамов, В. П. Терехов. ‑ Чебоксары:

Изд-во Чуваш. ун-та, 2007. ‑ 178 с.

Содержит лабораторные работы по основным разделам дисциплины «Источники питания электротехнологических установок». Изложены теоретические сведения по каждой теме лабораторного занятия, приводятся описания лабораторных стендов, программы работ, методика их выполнения, типовые вопросы для самоконтроля.

Для студентов IV курса, обучающихся по направлению "Электротехника, электромеханика и электротехнологии", специальности 140605 "Электротехнологические установки и системы".

Утверждено редакционно-издательским советом университета

Отв. редактор: канд.техн.наук, доцент А.Н. Ильгачев

УДК 621.365:621.311.6

© А.В. Абрамов,

В.П. Терехов, 2007

Лабораторная работа 41

источники питания электрических

печей сопротивления

1. Цель работы

Изучение работы тиристорных регуляторов переменного напряжения (ТРПН) промышленной частоты с различными способами регулирования напряжения. Полученные экспериментальные данные сравниваются с результатами предварительных расчетов.

2. Необходимые теоретические сведения

Регулирование электрического режима нагрузки является одной из наиболее распространенных задач в области преобразования электрической энергии и может осуществляться двумя способами.

Сущность первого способа состоит в том, что при нерегулируемом питающем напряжении параметры нагрузки устанавливаются в соответствии с требуемым режимом. При этом осуществляется изменение свойств нагрузки (переключение схемы соединения нагревателей с треугольника на звезду), комбинирование последовательного и параллельного соединений секций (переключение секций нагревателей с последовательного соединения на параллельное). С энергетической точки зрения такой способ достаточно эффективен, так как при нем отсутствует вредное влияние на питающую сеть. Однако большая дискретность регулирования не позволяет его широко использовать.

Второй метод характеризуется тем, что параметры нагрузки не регулируются, а управление осуществляется изменением параметров подводимого к нагрузке напряжения.

2.1. Современные способы регулирования напряжения на нагрузке

Регулирование напряжения можно осуществлять несколькими способами:

1. Использование потенциал-регуляторов, трансформаторов с плавным бесконтактным регулированием под нагрузкой и автотрансформаторов связано со значительными капитальными затратами, наличием дополнительных потерь и потреблением реактивной мощности. Поэтому такое управление мощностью при непрерывном регулировании температуры применяется редко.

Несколько проще и дешевле трансформаторы и автотрансформаторы с переключателем ступеней напряжения, однако с их помощью можно осуществить лишь ступенчатое регулирование напряжения.

2. Непрерывное регулирование может быть обеспечено включением между сетью и потребителем устройства, содержащего регулируемое сопротивление. По соображениям более высокого КПД почти всегда используются реактивные (обычно индуктивные) сопротивления. При этом обеспечивается плавность управления, но применение его связано с потреблением реактивной мощности.

3. Импульсное регулирование, реализуемое подключением нагрузки к сети через устройство, содержащее ключевой элемент. Периодичность работы ключевого элемента, в качестве которого могут быть использованы тиристоры, выбирается в зависимости от инерционности потребителей энергии. Благодаря силовым тиристорам, импульсные регуляторы находят все более широкое применение. С каждым годом растет мощность разрабатываемых тиристорных устройств для преобразования и регулирования электрической энергии. Их внедрение дает большой экономический эффект вследствие высокого КПД, малых масс и объема установок по отношению к регуляторам с дросселями насыщения. Можно выделить три основных способа импульсного регулирования мощности, потребляемой от сети переменного тока.

Импульсное регулирование при частоте коммутации (где – частота питающего напряжения) с изменением момента замыкания ключа принято называть фазо-импульсными или просто фазовым регулированием (рис.41.1), где .

Импульсное регулирование с пониженной частотой коммутации, когда в одном периоде коммутирующей частотысодержится несколько интервалов(рис.41.2), где– число фаз питающей сети (широтно-импульсное регулирование).

Рис.41.1. Фазо-импульсное регулирование переменного напряжения

Рис.41.2. Широтно-импульсное регулирование

переменного напряжения

Изменение параметров электрической энергии при использовании последнего способа может быть достигнуто следующими путями:

а) изменением длительности включенного состояния ключа при постоянной частоте его переключения (широтно-импульное регулирование ШИР);

б) изменением частоты переключения ключа при постоянной продолжительности включенного состояния его (частотно-импульсное регулирование ЧИР);

в) изменением частоты и продолжительности включенного состояния при сохранении неизменной амплитуды пульсаций тока, напряжения или мощности нагрузки (релейно-импульсное РИР или позиционное регулирование).

На основании совместного использования двух или трех таких способов возможно получение комбинированных способов.

Первые два способа регулирования (ШИР и ЧИР) могут использоваться как в разомкнутой системе регулирования, так и в замкнутой, в то время как РИР можно осуществить только в замкнутой системе регулирования.

Выбор способа регулирования играет важную роль при удовлетворении зачастую противоречивых требований, предъявляемых к регулирующим устройствам: высокий КПД, заданная глубина регулирования, обеспечение малых пульсаций регулируемой величины, сложность системы управления, влияние на питающую сеть.

Применение тиристорных ключей обеспечивает достаточно высокий КПД, одинаковый для всех способов.

Пульсации регулируемой величины зависят от периода регулирования для ЧИР и от относительной продолжительности включенного состояния для ШИР. Уменьшение напряжения на нагрузке для ЧИР возможно только путем уменьшенияТ_р, а для ШИР – , поэтому на нижнем пределе растут пульсации. У релейно-импульсного регулятора (РИР) с уменьшением среднего уровня регулируемой величины растут относительные пульсации.

Следовательно, с точки зрения размера пульсаций все способы эквивалентны. Системы управления для различных способов обладают разной степенью сложности. Наиболее простая система управления у РИР (необходим только релейный элемент), в то время как у ШИР и ЧИР необходимы генераторы низкочастотных импульсов либо с изменяющимся коэффициентом заполнения , либо с изменяющейся частотой.

Известно, что наибольшее влияние на человека оказывают колебания напряжения осветительной сети в диапазоне частот от 2 до 8 Гц. Поэтому частоту регулирования необходимо выбирать так, чтобы содержание указанных гармоник было минимальным. С этой точки зрения способ частотно-импульсного регулирования неудобен, так как при нем возможна устойчивая работа именно на этих частотах. Для ШИР и РИР частоты 2 – 8 Гц могут быть соответствующим образом сведены к минимуму.

Некоторые преимущества ШИР перед РИР сказываются при групповой работе установок.

В дальнейшем будем анализировать только широтно-импульсные регуляторы. Это не накладывает ограничения на общность выводов, относящихся к одиночным регуляторам при любых способах регулирования.

Для оценки энергетической эффективности импульсных регуляторов могут использоваться различные показатели. Коэффициент полезного действия определяет потери энергии в самом преобразователе и равен отношению активной мощности, потребляемой нагрузкой, к активной мощности, потребляемой преобразователем. Однако КПД не учитывает потерь, возникающих в генерирующей и потребляющей системах. Поэтому в системах переменного тока для оценки рациональности использования электрической энергии широко применяются также следующие показатели.

Коэффициент сдвига , характеризующий сдвиг по фазе между первой гармоникой тока и напряжения, которое обычно принимается синусоидальным:

, (41.1)

где – активная составляющая первой гармоники тока нагрузки; – реактивная составляющая тока нагрузки.

Коэффициент искажения тока или напряжения ν, показывающий содержание гармонических составляющих и равный отношению действующих значений первой гармоники к полному значению тока или напряжения составит

, (41.2)

где I₁ – действующее значение потребляемого тока; I₁₍₁₎ – первая гармоника тока I₁.

Коэффициент мощности , показывающий, какая доля от наибольшей мощности, которую можно получить от источника питания при заданных действующих значениях напряжения и тока, используется нагрузкой. В однофазных и симметричных трехфазных системах коэффициент мощности равен произведению коэффициента сдвига и коэффициента искажения.

Как видно из выражений для и, работа импульсных регуляторов сопровождается потреблением реактивной мощности и появлением гармонических составляющих в кривой потребляемого тока.

Передача реактивной мощности по линиям приводит к возникновению дополнительных активных потерь во всех элементах системы.

Наличие высших гармонических составляющих потребляемого тока вызывает в питающей сети ряд вредных явлений: дополнительные потери в магнитопроводах и обмотках трансформаторов и генераторов, а также в распределительной сети; различные резонансные явления.

Проблема повышения энергетической эффективности импульсных регуляторов становится особенно острой, когда рост производства и совершенствование технологических процессов на предприятиях приводит к тому, что потребляемая регуляторами электрическая энергия начинает составлять значительную часть общей энергии, выработанной генерирующей энергосистемой. Работа статических преобразователей при этом оказывает заметное влияние на экономическую эффективность генерирующих и трансформирующих устройств.

Рассмотрим возможные способы увеличения коэффициента мощности импульсных регуляторов.

1. Компенсацию реактивной мощности можно осуществить включением в сеть (на первичной стороне трансформатора) статического или синхронного компенсатора (при больших мощностях). Оба способа требуют весьма больших капитальных затрат. Установка синхронных компенсаторов может оказаться целесообразной лишь при компенсации реактивной мощности группы преобразователей.

Секционирование конденсаторных батарей позволяет осуществить грубую регулировку отдаваемой ими реактивной мощности. Однако для объектов с часто изменяющейся нагрузкой и регулированием в широком диапазоне полная компенсация практически невозможна. Полная установленная мощность компенсаторов для обеспечения высокого велика: при диапазоне регулирования 2÷2,5 : 1 она достигает 0,87 – 0,93 установленной мощности нагрузки.

2. Ступенчатое регулирование напряжения можно осуществить с помощью трансформатора с отпайками на первичной или вторичной обмотке. Регулирование с высоким значением обеспечивается за счет включения в работу дополнительных вентилей, подключающих нагрузку к отпайкам трансформатора с пониженным напряжением. Недостаток этого способа заключается в увеличении установленной мощности силового оборудования. Однако для одиночного регулятора он достаточно эффективен.

3. Одним из эффективных способов повышения коэффициента сдвига является искусственная коммутация анодных токов, когда с помощью дополнительно включенных в схему источников ЭДС или реактивных элементов (конденсаторов) создаются условия для перехода тока от анода с более высоким потенциалом к аноду с более низким потенциалом. Таким образом, становится возможным отпирание очередного вентиля раньше момента естественного отпирания, при этом кривая анодного тока сдвигается по отношению к синусоиде фазового напряжения в сторону опережения.