Контрольные вопросы и задачи

1. Что такое инвертирование?

2. Что является формальным признаком источника и потребителя электрической энергии?

3. От чего зависит мощность, передаваемая инвертором в сеть, и как её можно регулировать?

4. Чем обусловлен растущий характер входной характеристики зависимого инвертора?

5. Что такое «время восстановления управляющих свойств тиристора» в зависимом инверторе?

6. Что такое ограничительная характеристика?

7. Что такое _min ?

7. Энергетические показатели выпрямителей

К ним относятся: коэффициент полезного действия (к.п.д.)  и коэффициент мощности .

Первый  определяет отношение активной мощности Р_d [Вт], отдаваемой в нагрузку, к полной активной мощности Р_вх [Вт], потребляемой выпрямителем из питающей сети:

 = Р_d/Р = Р_d/(Р_d + Р_)  1, (7-1)

где Р_ -[Вт], суммарные электрические потери мощности в элементах преобразователя.

Второй  определяет отношение, потребляемой активной мощности Р_вх [], к полной «кажущейся» мощности S [Ва], потребляемой преобразователем из сети, т.е.

 = Р_вх/S = (Р_d + Р_)/UI, (7-2)

где S = UI – [Ва], потребляемая из сети «кажущаяся» мощность;

U – [В], действующее значение синусоидального

напряжения сети на входе выпрямителя;

I –[A], действующее значение тока, потребляемого из сети.

7.1 КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ( η ).

Рассчитывается обычно для режима, когда выходное напряжение U_d и ток в цепи нагрузки I_d равны их номинальным значениям, т.е. когда P_d = U_н I_н = Р_н, а потребляемая выпрями-телем активная мощность в этом режиме Р_вх = Р_н + Р_.

Мощность суммарных электрических потерь Р_ складывается из потерь в силовом согласующем трансформаторе Р_тр, в вентилях Р_В, в сглаживающем дросселе Р_ДР, а также в устройствах управления, сигнализации и охлаждения Р_У, т.е.

Р_ = Р_тр +Р_В +Р_ДР +Р_У. (7-3)

Потери в согласующем трансформаторе Р_тр состоят из потерь в меди его обмоток и потерь в стали, на вихревые токи и на перемагничивание сердечника. Потери «в меди» составляют основную долю (до 80%) электрических потерь в трансформаторе, обозначаются как мощность потерь короткого замыкания и вычисляются по выражению

Р_кз  I₁²r₁ + I₂²r₂. (7-4)

где r₁, r₂ и I₁ , I₂ – соответственно «омические» сопротивления пер-вичной и вторичной обмоток трансформатора и действующие значения токов этих обмоток. В диапазоне мощностей 5  100 кВт величина Р_кз для сухих трансформаторов составляет (23)% от их номинальной мощности. Меньшее значение относится к трансформаторам большей мощности. Потерями «в стали» при таких расчётах обычно пренебрегают.

Потери в вентилях Р_В складываются из потерь мощности на переключение и потерь от протекания прямого тока. На частоте 50Гц потерями на переключение пренебрегают из-за их незначительности и тогда   Р_В = m_В U_В I_В. (7-5)

Здесь m_В – количество вентилей в схеме выпрямителя,

U_В ,I_В – соответственно падение напряжения на вентиле и его средний ток.

Потери мощности в сглаживающем дросселе Р_ДР (также как и в трансформаторе) определяются в основном активным сопротивлением его обмотки, т.е. Р_ДР = I_н²r_ДР. Если нагрузкой выпрямителя является двигатель постоянного тока, то величина электрических потерь в сглаживающем дросселе может быть приближённо вычислена по выражению

Р_ДР = I_н²r_ДР·L_др/L_яц,

где L_ДР и L_ЯЦ индуктивности соответственно сглаживающего дросселя и якоря машины постоянного тока.

Расход мощности на вспомогательные нужды Р_У составляет  (0.53)% от максимальной длительно допустимой выходной мощности выпрямителя.

К.п.д. выпрямительной установки иногда представляют упрощено в виде произведения _тр· _в к.п.д. трансформатора и к.п.д. вентильного комплекта. Второй сомножитель без учёта потерь Р_ДР и Р_У примерно равен отношению _в = Е_d/(Е_d + U_В). Величина U_В тиристоров с изменением тока нагрузки изменяется незначительно и в зависимости от их типа составляет (0,51,5) вольта. По этой причине с повышением величины Е_do возрастает _в, приближаясь к единице и оказывая относительно меньшее влияние на общий к.п.д. УВ по сравнению с к.п.д. трансформатора _тр.

7.2 КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ ( χ ).

Сдвиг между напряжением и первой гармоникой тока на входе УВ обусловлен наличием в нём реактивных элементов и специи-фикой регулирования величины выходного напряжения путём задержки отпирания вентилей. Реактивные элементы на одних отрезках интервала проводимости тиристора накапливают электрическую энергию, а на других – отдают в цепь нагрузки. В течение каждого интервала проводимости вентиля происходит энергообмен между источником переменного тока и цепью вы-прямленного тока. При одном и том же значении выпрямленного тока, чем больше угол регулирования  (меньше E_d), тем больше величина реактивной составляющей тока на входе УВ. Не создавая активной мощности, реактивная составляющая поддер-живает величину потерь Р_ на прежнем (α=0) уровне.

На Рис.7.1 показано влияние несинусоидальности фазного тока и углов α и γ на коэффициент мощности выпрямителя χ.

Рис.7.1 К пояснению коэффициента искажения ν при расчёте коэффициента мощности χ; а) – для формы тока с углом коммутации γ=0 и углом регулирования α=0; б)- то же при γ≠0 и α=0; в)- то же при γ≠0 и α≠0.

Активная мощность, потребляемая согласующим трансформа-тором, должна удовлетворять условию

Р_вх = S  = UI= UI₍₁₎ Cos, (7-6)

где I – [A], действующее значение тока первичной обмотки трансформатора;

I₍₁₎ и I_(n) – [A], действующие значения соответственно первой и высших гармоник тока обмотки,

 - фазовый сдвиг между синусоидальным напряжением U и первой гармоникой тока I₍₁₎ (пунктирной синусоидой);

i(t) –несинусоидальный ток первичной обмотки трансформато-ра, питающего УВ, с идеально сглаженным выпрямленным током I_d и углами α и .

Из (7-6) следует

 = UI₍₁₎ Cos / UI =  Cos, (7-7)

где  = I₍₁₎/I - коэффициент искажения, который характеризует степень несинусоидальности потребляемого тока (по сути, он определяет отношение действующего значения первой гармони-ки к полному действующему значению этого тока   1).

Если не принимать во внимание угол γ, то ток, потребляемый УВ из сети, имеет прямоугольную или ступенчатую форму. Ниже приведены формы первичных токов различных схем выпрямле-ния и номера составляющих их гармоник.

Рис. 7.2 Графики токов потребляемых из сети выпрямителями с различным значением цикличности m: a) – m = 2, б) – m =3,

в) – m = 6, г) m = 12.

Амплитуды гармоник и их действующие значения убывают с увеличением номера n по закону

I_(n) = I₍₁₎/n (7-8)

Коэффициенты искажения  = I₍₁₎/I для различных схем:

m ………………2 3 6 12

 ………………0,9 0,805 0,955 0,985

Анализируя приведённые данные, можно сказать, что чем больше цикличность выпрямителя m тем меньше содержание гармоник низкого порядка и, следовательно, ближе к синусо-идальной форма потребляемого выпрямителем тока.

Фазовый сдвиг между током и напряжением в неуправляемых выпрямителях отсутствует, если угол коммутации  = 0 (Рис.7.1а). Коэффициент мощности  в этом случае будет определяться только коэффициентом искажений, т.е.  = . Последнее означает, что мощность, потребляемая силовым тран-сформатором выпрямителя S, оказывается больше величины Р:

S = P/ = P/ . (7-9)

При учёте процессов коммутации (Рис.7.1б) считается, что первая гармоника тока сдвигается в сторону запаздывания на угол  = /2.

В режиме регулирования E_d возникает дополнительный сдвиг на угол  (Рис.7.1в). При этом входной ток УВ (ток обмотки трансформатора) сдвигается относительно напряжения сети на угол  =  + /2, а коэффициент мощности  уменьшается до

 =  Cos =  Cos( + /2) (7-10)

Зависимость  от угла  почти такая же как и в регулировочной характеристике УВ. Регулирование выходного напряжения в р.н.т. за счёт изменения угла  от 0 до /2 и приводит к почти такому же изменению угла  и уменьшению коэффициента мощности  (Рис.7.3).

Рис.7.3 Зависимость коэффициента мощности χ от угла управления α.

Режимы работы преобразователей можно характеризовать с помощью относительного положения вектора тока к вектору напряжения, тогда режимам УВ с естественной коммутацией будут соответствовать Ш и IV квадранты диаграммы на Рис.7.4. В режиме выпрямителя входной ток УВ отстаёт от напряжения сети, т.е.   0. Активная мощность с увеличениием  и измене-нием вслед за ним угла  в диапазоне 0    -^/₂ уменьшается, оставаясь положительной (Р=UI₍₁₎Cos(-)0), а реактивная при этом увеличивается по модулю будучи отрицательной (Q=UI₍₁₎Sin(-)0). В этом режиме УВ потребляет активную мощность, но является генератором (источником) реактивной.

Рис.7.4 Режимы работы УВ и соответствующее им положения вектора тока по отношению к вектору напряжения сети переменного тока.

В квадранте Ш диаграммы преобразователь работает в зоне ^/₂   (^/₂  ) и генерирует в сеть как активную (Р=UI₍₁₎Cos 0) так и реактивную (Q=UI₍₁₎Sin 0) мощности. Этому диапазону углов α и φ соответствует режим зависимого инвертора УВ.

Чтобы угол  в питающей сети стал опережающим (положи-тельным), а преобразователь мог потреблять активную и реактивную мощности, т.е. работать в режиме 1-го квадранта, необходимо применять специальные узлы принудительной коммутации (запирания) тиристоров. Этот факт свидетельствует об органическом недостатке, присущем УВ на тиристорах.

Несмотря на другие достоинства таких преобразователей (малые габариты, низкая стоимость, простота управления, низкие по сравнению с другими приборами электрические потери и т.д.) их использование в совремённом электрооборудовании уменьша-ется. Вытеснение происходит за счёт преобразователей на новых полностью управляемых (запираемых) полупроводниковых приборах, в которых указанный недостаток отсутствует.

Для работы во втором квадранте с углом -π  -/2 преобразователь должен стать источником активной мощности P=UI₍₁₎Cos 0, т.е. инвертором и потребителем реактивной Q=UI₍₁₎Sin0. Такой режим «компенсатора» активной и реактивной мощности также требует использования узлов принудительной коммутации или полностью управляемых вентилей².

7.3 АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ УВ.

В процессе эксплуатации по разным причинам, например, из-за нарушения изоляции кабеля, или в результате ошибочных действий персонала при пуско-наладочных или ремонтных работах возможно внезапное образование контуров для протека-ния аварийного тока. На Рис.7.5 показаны типичные случаи применительно к трёхфазной мостовой схеме.

Это короткое замыкание (к.з.) на выходе УВ (двухфазное к.з. Рис.7.5а), а в бестрансформаторной схеме дополнительно ещё и однофазное к.з. с протеканием аварийного тока через один из тиристоров выпрямительного комплекта (Рис.7.5б). Второй случай имеет место только в сетях с «глухозаземлённоой» нейтралью, когда происходит пробой одной из выходных («плюсовой» или «минусовой») шин преобразователя на «землю». Оба случая. достаточно типичны при пробое или нарушении изоляции кабеля, соединяющего двигатель с УВ.

Рис.7.5 Возможные аварийные нарушения в силовой цепи УВ;

а) – с согласующим трансформатором; б) – при безтрансформа-торном подключении к сети с глухозаземлённой нейтралью.

Основным и вполне надёжным способом защиты УВ от к.з. является «сеточная» защита, когда по сигналу датчиков тока, превышающим уставку (порог) тока защитного отключения, происходит либо ступенчатое увеличение угла регулирования до значения  = _max, либо выключение отпирающих сигналов от управляющих входов тиристоров. В результате такого действия сеточной защиты по тиристорам может пройти не более одного импульса аварийного тока, амплитуда которого ограничена сопротивлением фаз силового согласующего трансформатора. В безтрансформаторном варианте для ограничения амплитуды аварийного тока на силовом входе вентильного комплекта (в фазах) устанавливаются токоограничивающие анодные реакторы. Их сопротивление Z_а ограничивает амплитуду тока к.з. величиной допустимой паспортными данными тиристоров преобразователя.

В каталожных данных приводится величина I_TSM – ударный ток в открытом состоянии тиристора, который позволяет либо рассчитать параметры токоограничивающего анодного реактора, либо, используя данные согласующего трансформатора, уточнить правильность выбора типа используемого тиристора.

Ток к.з. состоит из периодической и апериодической состав-ляющих и определяется выражением

, (7-11)

где U_m – [В], амплитуда синусоидального напряжения источника,

 - фаза включения,

_k – угол сдвига тока в контуре к.з. относительно напряжения, действующего в этом контуре tg_k = 1/T,

Т – [c], постоянная времени, зависящая от параметров контура (T = L_k/R_k),

L_k , R_k, Z_k – суммарные индуктивность и сопротивление контура к.з.,

.

Начальная амплитуда апериодически затухающих амплитуд тока зависит как от фазы включения , так и от начальных условий (тока) процесса. В инженерной практике принято в качестве расчётного случая рассматривать нулевой начальный ток. Возникновение наибольшей апериодической составляющей и максимума для амплитуды импульса тока (ударного тока к.з.) в цепи с преобладанием индуктивного сопротивления (_k /2) определяется выражением

I_уд = (1 + е^-/Т) = k_уд I_{m уст} (7-12)

где I_{m уст} = U_m/ Z_k, амплитуда периодической составляющей,

k_уд – коэффициент, который в зависимости от параметров цепи к.з. R_k и L_k может принимать значения в пределах 1k_уд 2.

k_уд= 1 + e^-/T= 1 + e^{-U /U} . (7-13)

Для контура к.з. первого типа (двухфазное к.з. Рис.7.3а) величина U_m= U₂6, L_k= 2L_ф и R_k=2R_ф, для контура к.з. второго типа (однофазное к.з. Рис.7.3_Б) величина U_m= U₂2, L_k= L_ф и R_k=R_ф, U₂-действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, либо питающей сети при бестрансформаторном питании УВ. Следует заметить, что однофазное к.з., возможное лишь при бестрансформаторном питании, является более опасным, чем двухфазное.

Напряжения U_a и U_b активная и реактивная составляющие напряжения к.з. U_k трансформатора. Величина U_k является паспортным параметром и для трансформаторов мощностью от 1 до 100кВа, например, серии ТС составляет 4,5% от номинального значения напряжения вторичной (первичной) обмотки. Напряжение U_a также является паспортной величиной, пропорциональной мощности к.з. Р_кз. Для стандартных трансформаторов мощностью 1100кВа величина U_a% составляет 11,5%. Учитывая, что U_k²= U_a² +U_b², находим отношение

, (7-14)

а по (7-13) и (7-12) амплитуду ударного тока к.з. I_уд. С учётом полученного таким образом значения амплитуды проверяем выполнение условия I_уд  I_TSM. Если условие выполняется, то тиристоры выбраны правильно, если нет, то в каталоге следует выбрать тиристор с более высоким значением I_TSM.

Для бестрансформаторного питания решаем обратную задачу. С помощью (7-12) можем записать

Z_k = (1 + е^-/Т)  (1 + е^-/Т) (7-15)

Соотношение между R_k и L_k, пропорциональные величинам соответственно U_a и U_b могут быть приняты такими же как и в согласующем трансформаторе (например, ωL_k /R_k = 5).

Защитные RC – цепочки. Работа тиристоров в преобразователях сопровождается скачками напряжения, величина которых превышает амплитудное значения э.д.с. сети, питающих вентильный комплект. После окончания очередной коммутации фаз и прекращения тока в тиристоре, к нему в обратном направлении скачком прикладывается междуфазное напряжение. Скопившиеся на границе pn-перехода носители электрических зарядов становятся причиной кратковре-менного появления «обратного» тока, который, рассасывая этот заряд, резко обрывается. Обрыв тока даже при незначительной индуктивности соединительных проводов L вызывает «всплеск» напряжения ΔU_обр= Ldi/dt (Рис.7.6б), приводящий к пробою pn – перехода и выходу из строя тиристора.

Рис.7.6 Защитная RC-цепь для ограничения обратного перена-пряжения между анодом и катодом тиристоров в схемах УВ; а) – схема подключения RC-цепи; б) – диаграммы тока и напряже-ния тиристора в момент окончания коммутации; I_обр – обратный ток; U_обр- обратное напряжение, обусловленное напряжением сети; ΔU_обр- дополнительный «всплеск», обусловленный обры-вом I_обр в результате рассасывания основных носителей на границе pn-перехода тиристора.

Для защиты от действия обратных токов параллельно каждому тиристору между катодом и анодом включается RC-цепь, которая «сглаживает» процесс обрыва тока. При этом «всплеск» напряжения уменьшается и приобретает форму затухающего колебания (Рис.7.7).

Параметры защитной RC-цепи в преобразователях с номинальным током нагрузки до 630А следующие: R=5÷10 Ом, С=0,1÷0,3 мкФ.

Рис.7.7 Диаграммы тока фазы и обратного напряжения тиристора, «зашунтированного» защитной RC – цепью.

Контрольные вопросы и задачи.

1.Что такое коэффициент полезного действия выпрямителя?

2.Из каких составляющих складываются потери мощности в УВ?

3. Что такое коэффициент мощности выпрямителя?

4.Что такое коэффициент искажений?

5.Каким образом можно улучшить коэффициент мощности и к.п.д. УВ?

6.Какие аварийные режимы наиболее часто встречаются в практике эксплуатации выпрямителей?

7.Что такое сеточная защита?

8.Что такое напряжение короткого замыкания трансформатора и как оно определяется?