7.3. ИСТОЧНИКИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

В § 7.2 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 с).

Рис. 7.10. Подключение к вентильному преобразователю компенсирующих конденсаторов (а) и векторная диаграмма токов и напряжений (б)

Набор конденсаторов включен параллельно входу преобразователя, поэтому ток i, потребляемый из сети, равен сумме тока преобразователя и компенсирующего тока . На рис. представлена векторная диаграмма токов, где вектор соответствует первой (основной) гармонике тока . Разложим ток на его составляющие , (см. § 7.1). Если ток конденсаторов , ток синфазен питающему напряжению и установка рис. 7.10, а не потребляет из сети реактивную мощность.

Реактивная мощность, потребляемая преобразователем в этом случае, компенсируется за счет реактивной мощности, вырабатываемой конденсаторами.

Ток через каждый конденсатор в схеме . Напряжение на конденсаторе . Таким образом,

При полной компенсации реактивной мощности преобразователя по гармонике

Для защиты конденсаторов от перегрева за счет высших гармоник тока, генерируемых преобразователем, в схему введены небольшие индуктивности (показаны на рис. 7.10, а пунктиром).

Выше указывалось, что вентильный преобразователь потребляет от сети реактивную мощность, которая зависит от угла управления а, 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 возможна 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 фильтрокомпенсирующие устройства. На рис. 7.11 представлена схема такого устройства, содержащего систему многофазных колебательных -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 и т.д. гармоники. Низшие из них наиболее интенсивны.

Резонансная частота контура , для этого контура выполняется соотношение

Рис. 7.11. Схема подключения фильтрокомпенсирующего устройства

В контуре резонанс наступает на частоте , 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 контуров имеет емкостный характер и конденсаторы компенсируют реактивную мощность, потребляемую преобразователем, подобно конденсаторам схемы рис. 7.10, а. За счет этого рассматриваемое фильтрокомпенсирующее 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.

Поддержание коэффициента мощности на максимальном уровне при изменении реактивной мощности, потребляемой преобразователями, возможно при использовании управляемых конденсаторно-тиристорных источников реактивной мощности. Схема такого однофазного устройства приведена на рис. 7.12, а, в трехфазных схемах используются три аналогичные схемы.

Рис. 7.12. Регулируемый источник реактивной мощности (а), временные диаграммы токов и напряжений в регулируемом преобразователе переменного напряжения с индуктивной нагрузкой , в, г) и зависимость реактивной мощности от угла управления (д)

Управляемый источник реактивной мощности состоит из знакомых по схеме рис. 7.11 контуров, настроенных на частоты наиболее интенсивных паразитных гармонических составляющих и регулируемого преобразователя переменного напряжения на двух тиристорах V1 и V2 (см. рис. 6.20,а), имеющего нагрузку в виде индуктивности L и часто называемого индуктивно-тиристорным регулятором. Если тиристоры V1 и V2 не отпираются управляющими импульсами, устройство подавляет гармонические искажения напряжения сети на - гармониках, а конденсаторы генерируют реактивную мощность .

Рассмотрим работу тиристорного преобразователя переменного напряжения на чисто индуктивную нагрузку.

При и широких управляющих импульсах преобразователь работает в режиме непрерывного тока, когда и поочередно открыт то один, то другой тиристор. Через индуктивность протекает синусоидальный ток, равный принужденной составляющей (рис. )

При увеличении а (рис. 7.12, в, г) энергия, накапливаемая на интервале в индуктивности, уменьшается, при этом уменьшается и интервал, на котором индуктивность отдает энергию в сеть.

Кривая тока в индуктивности остается симметричной относительно показанной на рисунке оси, а угол, в течение которого тиристоры проводят ток, . Между импульсами тока возникают разрывы (рис. 7.12, в и г). Первая гармоника тока индуктивности сдвинута относительно напряжения на угол при любом угле управления .

Ток в индуктивности равен сумме принужденной и свободной составляющих процесса:

Учитывая, что при включении тиристора , получим

При разложении этого тока в ряд Фурье найдем 1-ю гармонику:

Реактивная мощность, потребляемая цепью из двух встречно-параллельных тиристоров и индуктивности,

уменьшается с ростом угла управления а (зависимость приведена на рис. 7.12, д). Таким образом, рассматриваемая цепь при изменении угла управления а выполняет роль управляемой индуктивности

Результирующая реактивная мощность схемы на рис. 7.12, а . Если выбрать , реактивная мощность Q всегда будет иметь емкостный характер. Зависимость Q от угла управления а приведена на рис. 7.12, д.

Таким образом, рассмотренный источник реактивной мощности генерирует реактивную мощность и осуществляет ее регулирование, подавляя при этом гармонические искажения в сети. Поэтому такие источники реактивной мощности находят все более широкое применение для повышения коэффициента мощности вентильных преобразователей и других установок.