Глава седьмая. ВЛИЯНИЕ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НА ПИТАЮЩУЮ СЕТЬ

7.1. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ ВЕНТИЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Во многих электрических сетях и системах вентильные преобразователи являются одним из основных видов нагрузки. Преобразователь является для сети нелинейной нагрузкой, и его работа оказывает влияние на режимы работы сети, особенно если мощности преобразователя и сети соизмеримы. Поэтому при проектировании как электрических сетей, так и вентильных преобразователей необходимо учитывать влияние преобразователей на питающую сеть. Только в этом случае создаются установки с высокими технико-экономическими показателями. Данный вопрос привлекает большое внимание как специалистов в области электроэнергетики и электротехники, так и разработчиков преобразовательных устройств и требует их совместной работы.

В общем виде вентильный преобразователь как нагрузка сети может быть охарактеризован коэффициентом мощности:

где — активная мощность, потребляемая преобразователем из сети; — кажущаяся или полная мощность, потребляемая из сети; — действующие значения напряжения сети и потребляемого тока.

Активная мощность , где — активная мощность нагрузки, характеризующая полезный эффект преобразования энергии; — мощность потерь в преобразователе. Иначе можно записать , где г) — КПД преобразователя. Поскольку КПД преобразователя обычно высок, .

Кажущаяся мощность S определяется действующими значениями напряжения и тока в питающей сети. Высокие значения S требуют увеличения установленной мощности сети, в том числе трансформаторного оборудования, увеличения сечения проводов, повышения прочности изоляции. Поэтому при создании вентильных преобразователей ставится задача повышения их коэффициента мощности в пределе до значения .

Все сказанное выше относится не только к вентильным преобразователям, но и к любым другим нагрузочным элементам электрических сетей. Для выявления особенностей вентильных преобразователей как нелинейной нагрузки сети сопоставим процессы энергообмена нагрузки и сети для линейных нагрузок и вентильных преобразователей.

При работе на активную линейную нагрузку (рис. 7.1, а) ток и напряжение синфазпы, их полярность совпадает в любой момент времени и энергия постоянно передается из сети в нагрузку (рис. ). Кривая мгновенной мощности (рис. 7.1, в) однополярна.

Рис. 7.1. Схема и кривые тока, напряжения и мгновенной мощности при работе источника (сети) переменного напряжения на активную нагрузку

Активная мощность по определению, известному из курса

где Т — период повторения, следовательно,

таким образом, , а коэффициент мощности .

При работе на активно-индуктивную нагрузку (рис, 7.2, а) в кривых напряжения и тока h (рис. 7.2, б) можно выделить интервалы , когда полярность напряжения и тока совпадают, энергия передается из сети в нагрузку, значения мгновенной мощности (рис.

7.2, в) на этих интервалах положительны. На интервалах полярности напряжения тока противоположны, нагрузка возвращает энергию в сеть, значения мгновенной мощности на этих интервалах отрицательны (рис. 7.2, в). Активную мощность можно по выражению (7.2) при подстановке , где угол .

Для уяснения физических процессов рассмотрим эту операцию подробнее, для этого представим ток в виде суммы двух составляющих: тока , синфазного напряжению , и тока, отстающего от напряжения на угол (рис. 7.2, г):

Кривая мгновенной мощности также может быть представлена в виде суммы

Кривые приведены на рис. 7.2, д и е. Найдем активную мощность по (7.2) с учетом (7.3):

Рис. 7.2. Схема и кривые тока, напряжения и мгновенной мощности при работе источника (сети) переменного напряжения на активно-индуктивную нагрузку

Рис. 7.3. Схема и кривые тока, напряжения и мгновенной мощности при работе источника (сети) переменного напряжения на неуправляемый выпрямитель

Результат интегрирования второго слагаемого равен нулю, так как кривая не имеет постоянной составляющей и характеризует бесполезный обмен энергией между сетью и нагрузкой. Таким образом,

т. e. передача в нагрузку активной мощности обусловлена только синфазной составляющей тока .

В соответствии С (7.1)

Нагрузка потребляет от сети не только активную, но и реактивную мощность:

Рассмотрим теперь работу сети на нелинейную нагрузку. На рис. показано подключение к сети неуправляемого однофазного выпрямителя с -нагрузкой. Полагаем, что индуктивность в цепи нагрузки выпрямителя велика, пренебрегаем коммутационными процессами в вентильном комплекте. На рис. 7.3, б показаны кривые напряжения сети и потребляемого выпрямителем тока , имеющего форму разнополярных прямоугольных импульсов. Для нахождения активной мощности в этой схеме достаточно воспользоваться выражением (7.2), однако для рассмотрения физических процессов энергообмена между сетью и нагрузкой представим ток U в виде разложения в ряд Фурье:

где — действующее значений k-я гармоники тока .

На рис. 7.3, в показана гармоника тока, потребляемого выпрямителем из сети, , а на рис. 7.3, г — сумма высших гармонических составляющих того же тока .

Кривая мгновенной мощности также может быть разделена на два слагаемых:

Указанные составляющие кривой мгновенной мощности представлены на рис. 7.3, д и е.

Найдем активную мощность по (7.2), учитывая (7.5):

Результат интегрирования второго слагаемого равен нулю, так как кривая не имеет постоянной составляющей и также характеризует бесполезный обмен энергией между сетью и нагрузкой. Таким образом,

где — отношение действующего значения гармоники тока к действующему значению тока Л называется коэффициентом искажения тока .

Коэффициент мощности неуправляемого выпрямителя в соответствии с (7.1)

Таким образом, передача в нагрузку активной мощности обусловлена только гармоникой тока , высшие гармонические составляющие вызывают лишь бесполезный обмен энергией между сетью и нагрузкой. Кажущаяся мощность при работе сети на неуправляемый выпрямитель может быть представлена в виде

где — мощность искажения.

Так же как и реактивная мощность, мощность искажения вызывает снижение , нежелательные результаты этого снижения были перечислены выше. Кроме того, при работе преобразователя от сети соизмеримой мощности возникают дополнительные отрицательные эффекты, вызванные искажением тока, потребляемого вентильными преобразователями. Несинусоидальные токи преобразователей создают на внутреннем сопротивлении сети ограниченной мощности несинусоидальное падение напряжения, вызывая искажение кривой питающего напряжения.

Несинусоидальность напряжения сети оказывает неблагоприятное влияние на работу многих потребителей энергии: увеличиваются потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях, повышается нагрев токоведущих частей и износ изоляции, снижается надежность работы устройств автоматики и релейной защиты, ухудшается работа связи. Поэтому ГОСТ 13109-67 ограничивает возможную несинусоидальность кривой напряжения сети. Способы снижения вредного влияния вентильных преобразователей на качество электрической энергии рассмотрены в § 7.3.

Продолжая рассмотрение коэффициента мощности вентильных преобразователей, обратимся к наиболее общему случаю к рассмотрим работу управляемого вентильного преобразователя с -нагрузкой (по-прежнему полагаем, что индуктивность в цепи нагрузки выпрямителя велика). Схема приведена на рис. 7.4, а, а на рис. 7.4, б представлены кривые напряжения и тока , потребляемого однофазным выпрямителем из сети. Ток U имеет несинусоидальную форму, его гармоника (рис. 7.4, в) сдвинута относительно напряжения на угол , где — угол управления выпрямителя; — угол коммутации. Для нахождения активной мощности, потребляемой преобразователем, воспользуемся (7.2).

Рис. 7.4. Схема и кривые тока и напряжения при работе источника переменного напряжения на управляемый выпрямитель

Ранее мы установили, что активная мощность передается в нагрузку только синфазной составляющей гармоники потребляемого тока:

Следовательно, коэффициент мощности управляемого выпрямителя

где первый сомножитель характеризует несинусоидальность потребляемого тока, а фазовый сдвиг гармоники тока . Кажущаяся мощность

т. е. вентильные преобразователи потребляют из сети наряду с активной мощностью реактивную мощность по 1-й гармонике и мощность искажения.

Рис. 7.5. Зависимость для выпрямителя без нулевого вентиля (1), однофазного выпрямителя с нулевым вентилем и несимметричного двухмостового (2) и четырехмостового (3) выпрямителей

Коэффициент мощности вентильного преобразователя зависит от его схемы, характера нагрузки и режима работы. В наиболее типичном для выпрямителя режиме работы на -нагрузку при непрерывности выходного тока и при любом числе фаз выпрямителя выходное напряжение определяется выражением (6.2)

при выводе которого не учитывались коммутационные процессы . При этом

Зависимость приведена на рис. . Эта зависимость при регулировании выходного напряжения выпрямителя коэффициент мощности выпрямителя сильно снижается, что обусловлено ростом угла управления и реактивной мощности, потребляемой преобразователем. Низкое значение коэффициента мощности и его зависимость от режима работы являются серьезными недостатками выпрямителей с фазовым управлением; возможности устранения этих недостатков рассмотрены в § 7.2, 7.3.

Значение коэффициента мощности преобразователя зависит также от коэффициента несинусоидальиости тока V. В режиме непрерывного тока нагрузки кривые потребляемого тока для различных выпрямительных схем имеют форму, показанную на рис. 6.2, е; 6.9, б; и 6.17. Разложение в ряд Фурье первичного тока выпрямителей с различным числом фаз m позволяет найти значения v для этих выпрямителей. Результаты расчетов, выполненных без учета процессов коммутации, приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1. Коэффициент искажений v первичного тока выпрямителей с различным числом m

При увеличении числа пульсаций на периоде частоты сети в кривой выходного напряжения выпрямителей, равного числу , улучшается гармонический состав потребляемого от сети тока и растет v. Это является преимуществом многофазных преобразователен.

Коэффициент мощности ведомых сетью инверторов может быть найден по (7.7). Поскольку в инверторном режиме , то расчет по (7.7) при подстановке дает отрицательное значение . Это объясняется тем, что активная мощность не потребляется, а отдается вентильным преобразователем в сеть; обычно знак в (7.7) для инверторов не учитывается.

Коэффициент мощности ВП других типов определяется по той же методике, что и для выпрямителей. Для расчета необходимо проанализировать гармонический состав кривой тока, потребляемого от сети, и рассчитать действующее значение его первой гармоники. Это позволяет найти коэффициент искажений v. Фазовый сдвиг гармоники тока относительно напряжения сети позволяет найти .

Определим коэффициент мощности регулируемых преобразователей переменного напряжения, рассмотренных в §6.8. Анализ ограничим случаем активной нагрузки преобразователя. При широтно-импульсном регулировании напряжения их активная мощность нагрузки

где — действующее значение тока, потребляемого от сети и протекающего через цепь нагрузки.

Пренебрегаем активными потерями в преобразователе, тогда и

На рис. 6.20, б представлена форма , форма тока повторяет напряжение. Вследствие активного характера нагрузки фазовый сдвиг тока относительно напряжения сети отсутствует, реактивную мощность преобразователь не потребляет. Потребляемый от сети ток несинусоидален, его кривая содержит гармонические составляющие с частотой ниже частоты сети, низшая из этих гармоник имеет частоту , где Т — период повторения кривой (см. рис. ). Таким образом, мощность искажения при широтном импульсном регулировании обусловлена наличием низкочастотных составляющих б спектре тока Эти искажения кривой тока вызывают снижение коэффициента мощности .

При фазовом управлении преобразователем переменного напряжения активная мощность нагрузки определяется формулой (7.8), а коэффициент мощности при тех же допущениях находится по (7.9). Однако составляющие коэффициента мощности теперь иные. Кривая (см. рис. 6.20, е) сдвинута относительно напряжения на некоторый угол, зависящий от угла управления а, поэтому и преобразовав тель потребляет из сети реактивную мощность. Несинусоидальность тока вызывает потребление мощности искажения, .

Нахождение коэффициента мощности регулируемых преобразователей при работе на активно-индуктивную нагрузку требует проведения более сложных расчетов по методике, изложенной выше.