 |
Действующее значение сетевого тока
|
|
|
|
Полная мощность
S = E · I0 = E·Id· 
.
Коэффициент мощности
Сравнив это выражение с коэффициентом мощности выпрямителя с фазовым регулированием, мы видим, что коэффициент мощности увеличивается (в знаменателе появляется член, меньший 1). Фазовый сдвиг тока i 0 отсутствует и реактивной мощности сдвига преобразователь не потребляет. Полная мощность помимо активной мощности включает только мощность искажения и коэффициент искажения тока равен
n = c = 
.
Зависимости коэффициента мощности и угла a от отношения мощности в нагрузке к максимальной мощности нагрузки приведены на рис. 2.11. Обратим внимание на то, что коэффициент мощности в рассматриваемом преобразователе заметно выше его значения в схеме с фазовым управлением. Однако при заметном повышении коэффициента мощности в преобразователе с широтным управлением заметно увеличивается мощность искажения.
Рис. 2.11
2.4. Способы компенсации мощности искажения
В § 1.3 было отмечено негативное влияние реактивной мощности сдвига на питающую сеть и работу сетевого оборудования. Все отмеченные недостатки присущи и мощности искажения. Однако имеются и дополнительные факторы:
1. Нагрев изоляции, вызванный протеканием высших гармоник, значительно выше, чем при протекании тока основной частоты, так как мощность потерь за счет тангенса диэлектрических потерь растет с ростом частоты. Это приводит к снижению срока службы изоляции и может быть причиной аварий.
2. Наличие высших гармоник вызывает повышение мощности потерь конденсаторов, в частности конденсаторов компенсаторов реактивной мощности (КРМ), что приводит к их преждевременному старению, а нередко к пробою.
|
|
|
3. Высшие гармоники в трансформаторах и электрических машинах вызывают увеличение потерь в стали и меди.
4. Несинусоидальность сети оказывает негативное влияние на работу устройств защиты, вызывая ложные отключения.
5. Несинусоидальность сети ухудшает работу устройств связи, автоматики, вычислительной техники, связанных с сетью или питающихся от нее.
В связи с этим в последнее десятилетие принят ряд международных и государственных стандартов, ограничивающих допустимые значения высших гармоник в сетевом токе различных преобразовательных установок.
Решение задачи снижения или компенсации мощности искажения связана с бóльшими техническими проблемами по сравнению с компенсацией реактивной мощности сдвига. Эта задача решается двумя путями:
· Создание преобразователей, которые потребляют из сети ток, форма которого близка к синусоидальной;
· Создание компенсаторов мощности искажения, которые устанавливаются на входе преобразователя.
Возможны технические решения, сочетающие оба способа.
Компенсаторы мощности искажения часто одновременно являются компенсаторами реактивной мощности сдвига и поэтому могут быть названы компенсаторами неактивных составляющих полной мощности.
В трехфазных выпрямителях коэффициент мощности выше, чем в однофазных (см. § 2.2), мощность искажения уменьшается за счет исключения в сетевом токе гармоник, кратных трех. В преобразователях большой мощности за счет применения фазорасщепляющих трансформаторов созданы выпрямители, в сетевом токе которых исключены также 5-я и 7-я гармоники, а коэффициент искажений сетевого тока ν = 0,9886 [ 3, 5 ].
В простейших однофазных выпрямителях коэффициент искажений ν ≤ 0.9, поэтому выпускаемые в последние годы современные выпрямители для питания радиоэлектронной аппаратуры снабжаются полупроводниковыми преобразователями с высокой частотой коммутации - корректорами коэффициента мощности [ 6 ], благодаря чему форма сетевого тока максимально приближается к синусоидальной.
|
|
|
Широкое применение находят и компенсаторы мощности искажения. Рассмотрим основные их типы.
1. Пассивные компенсаторы мощности искажения. Среди пассивных компенсаторов мощности искажений распространение получили параллельные компенсаторы на базе резонансных последовательных контуров, настроенных на частоту наиболее интенсивных гармоник входного тока выпрямителей. В трехфазных выпрямителях это в первую очередь 5-я и 7-я, а также 11-я и 13-я гармоники. На рис. 2.12,а представлена схема одной фазы трехфазного компенсатора 5-й и 7-й гармоник искажения.
|
Рис. 2.12
Сопротивление компенсатора на частотах резонанса равно сопротивлению потерь в колебательном контуре, т.е. очень мало. Если входной ток преобразователя i 0, представленный на рис. 2.12.б, содержит 5-ю и 7-ю гармоники, то они замнутся через соответствующие контуры L 5 – C 5 и L 7 – C 7, и будут отсутствовать в сетевом токе i c, форма которого также показана на рис. 2.11,б.
На частоте сети индуктивное сопротивление реакторов L 5 и L 7 мало и цепь компенсатора работает как компенсатор реактивной мощности сдвига, генерируя реактивную мощность сдвига.
Несмотря на простоту схемы подобных компенсаторов им присущи серьезные недостатки. Во-первых, достаточно велика их стоимость, она нередко соизмерима со стоимостью преобразовательной установки. Во-вторых, емкостные и, особенно, индуктивные элементы не являются стабильными, поэтому возможна неточная настройка контуров на частоты устраняемых гармоник, эффективность их фильтрации при этом заметно снижается. В-третьих, в схеме возможно возникновение параллельных резонансов на частотах лежащих ниже меньшей резонансной частоты и между резонансными частотами последовательных контуров. Возникающий при этом сложный контур включает в свой состав и индуктивность сети. На рис. 2.13 в качестве примера приведена зависимость коэффициента передачи K = U/E цепи, показанной на рис. 2.12.
Рис. 2.12
Такого рода передаточная характеристика неприемлема в сети, в которой возможно появление интенсивных неканонических гармоник. Сложность заключается в том, что характер передаточной характеристики цепи зависит не только от параметров компенсатора, но и от параметров сети, которые могут меняться во время работы и носят вероятностный характер.
|
|
|
Пассивные компенсаторы не могут подавлять широкий спектр гармоник, а неканонические гармоники могут усилить. Этот недостаток преодолевается в активных компенсаторах мощности искажения.
2. Активные компенсаторы мощности искажения, называемые также активными фильтрами. Несмотря на то, что идея создания таких компенсаторов родилась более тридцати лет назад, их реализация стала возможной только с появлением мощных силовых транзисторов. Наиболее распространенной схемой является параллельный компенсатор, называемый нередко кондиционером сети и подключаемый параллельно входу преобразователя, однофазная схема компенсатора приведена на рис. 2.14. Компенсатор потребляет ток i к такой формы, что сумма i к и тока нелинейной нагрузки (например, преобразователя) i 0 представляет собой практически синусоидальную кривую с частотой сети. Таким образом, система, состоящая из нелинейной нагрузки и компенсатора, потребляет из сети ток i c = i 0 + i к, форма которого максимально близка к синусоидальной.
 |
Рис. 2.14
Мостовой компенсатор собран на ключах 1 - 4. При работе компенсатора напряжение на конденсаторе должно быть практически постоянно и больше амплитуды напряжения сети 
Тогда поочередно включая пары ключей 1 – 2 либо 3 – 4, можно изменять напряжение, приложенное к дросселю L:
при проводящем состоянии пары ключей 1 – 2 и
при работе пары ключей 3 – 4.
Как известно
Поэтому при работе ключей 1 – 2 ток компенсатора будет уменьшаться, а при работе ключей 3 – 4 – увеличиваться. Чередуя нарастание и спад тока с высокой частотой можно добить формирования тока i к любой требуемой формы.
В качестве примера рассмотрим компенсацию мощности искажения управляемого однофазного выпрямителя с RL-нагрузкой (см. § 2.3). Потребляемый от сети ток выпрямителя i 0 и напряжение сети e представлены на рис.2.15,а. На рис.2.15,б представлен ток компенсатора неактивной мощности, который сформирован таким образом, то ток сети i c = i 0 + i к был максимально близок к синусоидальной форме.
|
|
|
б)
Рис.2.15
Выбор частоты коммутации ключей активного фильтра диктуется двумя соображениями:
1. При низкой частоте коммутации кривая тока сети отслеживает скачки тока нелинейной нагрузки с запаздыванием (см. рис.2.14,б), что определяет неполную компенсацию мощности искажения
2. Повышение частоты коммутации ограничивается увеличение потерь в ключах 1 – 4.
При частоте сети 50 Гц частота коммутации выбирается порядка 10 ÷ 12 кГц.
Реактивная мощность сдвига может быть скомпенсирована применением емкостного параллельного компенсатора, рассмотренного в § 1.3. Однако эту функцию можно также возложить на компенсатор рис. 2.14. В этом случае формируемый компенсатором ток, должен обеспечивать не только синусоидальность тока сети, но и его синфазность питающему напряжению. Выбор между двумя вариантами диктуется технико-экономическими соображениями.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В НЕСИНУСОИДАЛЬНОЙ СЕТИ
3.1. Сеть ограниченной мощности
Электрическая энергия на пути от электростанции к потребителю проходит многократную трансформацию, при этом все трансформаторы обладают потерями и имеют индуктивности рассеяния и намагничивания. Линии электропередач и сети также имеют потери и обладают внутренней индуктивностью, поэтому упрощенная схема замещения сети, от которой получает питание потребитель, имеет вид, показанный на рис. 3.1.
Рис. 3.1
|
|
|
