Desktop / 7,8 / 7

128

7 Енергетичні показники перетворювальних

пристроїв і вплив їх на мережу живлення

Більшість перетворювальних пристроїв отримують живлення від мережі змінного струму безпосередньо (випрямлячі, тиристорні перетворювачі постійного і змінного струму) або через проміжну ланку (випрямляч). Перетворювачі змінної напруги з природною комутацією і фазовим керуванням використовують ті ж самі принципи, що і керовані випрямлячі, тобто мають аналогічний вплив на мережу змінного струму. Тому у подальшому розгляді обмежимося розглядом випрямлячів. Дещо відрізняються за характером процеси в ПЧ з безпосереднім зв’язком і природною комутацією, у вхідному струмі яких можливі субгармонійні складові (з частотами нижче частоти мережі).

Перетворювальні пристрої є нелінійним навантаженням і впливають на режими роботи мережі, особливо якщо мережа має потужність порівнянну з потужністю пристрою.

Коефіцієнт потужності на вході перетворювального пристрою

,

де S - повна потужність S=U₁I₁ (U₁, I₁ - діючі значення напруги і струму, що споживаються від мережі), Р - активна потужність, що споживається перетворювачем P=Р_Н+ΔР, Р_Н – потужність, що віддається до навантаження, ΔР - втрати потужності у схемі перетворювача.

ККД перетворювальних пристроїв досить високий і, звичайно, прагне до одиниці. Тому можна прийняти, що.

У п.2.1.4 було показано, що загальним майже для всіх випрямлячів, незважаючи на характер навантаження, є несинусоїдальна форма вхідного струму. Струм на вході випрямляча може бути представлений у вигляді розкладання в ряд Фур’є

,

де I_1(k) - діюче значення k-ї гармоніки струму.

У схемі некерованого випрямляча перша гармоніка струму збігається за фазою з напругою мережі (φ₍₁₎=0). Вважаємо, що форма напруги мережі неспотворена і синусоїдальна. Несинусоїдальна функція характеризується коефіцієнтом викривлення, який визначається відношенням діючого значення першої гармоніки до діючого значення струму

.

Миттєва потужність на вході перетворювача

Активна потужність чи середнє значення потужності

.

З курсу ТОЕ [20] відомо, що середнє за період значення добутку миттєвого значення синусоїд різної частоти дорівнює нулю, тобто маємо:

.

Коефіцієнт потужності

. (7.1)

Таким чином, передача активної потужності в навантаження обумовлена лише першою гармонікою струму. Вищі гармоніки - лише марний обмін енергією між мережею і перетворювачем.

У керованому випрямлячі введення кута керування призводить до зсуву за фазою струму і напруги на вході випрямляча на кут , де - кут комутації кола; - кут керування тиристорів. Відповідно

, (7.2)

, (7.3)

. (7.4)

Отже, для ефективного використання перетворювальних пристроїв, при високому коефіцієнті потужності поряд з компенсацією реактивної потужності необхідно поліпшувати гармонійний склад струму, що споживається з мережі.

Частота гармонік вхідного струму випрямляча визначається виразом

, (7.5)

де f₁ - частота напруги мережі, k=1, 2, 3…...., m – кількість пульсацій у кривій випрямленої напруги, n – кратність гармоніки.

Наприклад, для трифазної мостової (m=6):

;

Відносне значення вищих гармонік вхідного струму (при активно – індуктивному навантаженні) у долях до першої гармоніки становить:

.

Вплив перетворювачів на мережу живлення. Забезпечення

електромагнітної сумісності силового перетворювача.

Як показано вище, перетворювач для мережі живлення є нелінійним навантаженням, що генерує широкий спектр гармонік струму. При аналізі процесів ми вважали, що напруга у мережі синусоїдна. Проте реальні мережі мають власний опір і обмежену потужність. Внаслідок цього відбувається викривлення форми напруги, що впливає через мережу на роботу інших споживачів (рис.7.1), а також і на сам перетворювач через його систему керування. На рис.7.2 подані діаграми напруги мережі (на вході перетворювача) і вхідного струму однієї з фаз для трифазної мостової схеми випрямлення.

Найпомітнішими є викривлення напруги на інтервалах комутації струму навантаження, про що мова йшла вище (п.2.3). Комутація суттєвим чином впливає і на гармонійний склад струму.

Д ля оцінки якості напруги у мережі існує система показників якості електричної енергії, що визначається державним стандартом ДСТУ. У межах даного розділу обмежимося одним з показників, що оцінює зворотний негативний вплив перетворювача на мережу живлення – викривлення форми напруги від несинусоїдального характеру вхідного струму перетворювача.

Еквівалентна схема мережі з випрямлячем (рис.7.3) містить джерело енергії, що подано у вигляді ідеального джерела синусоїдальної напруги е, мережа подана як індуктивність L_C (активним опором звичайно можна нехтувати), випрямляч подано як нелінійний опір з індуктивністю L_ТР у вхідному колі.

Ступінь викривлення форми напруги и_С, що живить перетворювач визначається співвідношенням реактивних опорів фази мережі Х_С і вхідного кола перетворювача (трансформатор або реактор) Х_ТР. При цьому комутаційне падіння напруги Δu_K розподіляється між вхідними реактивними опорами і напруга на вході перетворювача

(7.6)

Вважаємо, що струм і₁, що споживається із мережі є відомим, про що мова йшла у п.2.3

. (7.7)

Напругу на вході випрямляча при відомому струмі можна визначити виходячи з падіння напруги на індуктивності L_C, що обумовлені першою та вищими гармоніками. При цьому діюче значення напруги, що обумовлена вищими гармоніками з урахуванням їх кратності (k)

. (7.8)

Вираз (7.8) можна перетворити до вигляду

, (7.9)

де - диференційний коефіцієнт гармонік струму [16], що враховує вплив гармонік струму з урахуванням їх кратності.

Диференційний коефіцієнт гармонік струму для трифазної мостової схеми згідно [16]

. (7.10)

Напруга U_ВГ, що обумовлена вищими гармоніками, згідно (7.9) визначена відносно першої гармоніки струму. Це дозволяє використати для визначення напруги и_С векторну діаграму, що подана для першої гармоніки на рис.7.4. Тоді реактивна складова напруги U_C на вході випрямляча U_CР

Активна складова напруги U_C(1) на вході випрямляча U_CА(1)

.

Відповідно значення U_C(1)

.

Після перетворення отримуємо

Коефіцієнт гармонік напруги в мережі на вході випрямляча

. (7.11)

Параметри мережі можна визначити через повну потужність короткого перемикання мережі або коефіцієнт кратності струму короткого перемикання номінальному значенню вхідного струму перетворювача [19] К_КП =I_КП/I_1НОМ . Виходячи з того, що I_КП=Е/ωL_C отримуємо

. (7.12)

Після спрощення (7.11) отримуємо (при номінальному значенні струму І_1НОМ=І₁₍₁₎)

. (7.13)

Вираз (7.13) можна спростити, якщо при визначенні коефіцієнту гармонік нехтувати різницею між напругою на вході перетворювача і напругою джерела Е

. (7.14)

Коефіцієнт гармонік напруги або коефіцієнт несинусоїдальності нормується відповідними стандартами на якість електроенергії (ДСТУ) - К_ГНСТ (див.п.1.4). Таким чином значення отримане згідно (7.14) повинно не перевищувати стандартне К_ГН≤К_ГНСТ.

Виходячи з (7.14) можна визначити потужність перетворювача, що може бути підключений до мережі з відомою потужністю короткого перемикання

.

Звідки

. (7.15)

Таким чином, виходячи з показників конкретного перетворювача можна визначити найбільшу можливу потужність перетворювача при живленні від конкретної мережі.

В роботі [6] відносне діюче значення вищих гармонік напруги мережі живлення визначається через комутаційні викривлення напруги і становить:

або , (7.16)

де - відносний реактивний опір кола комутації до якого входить реактивний опір мережі Х_С і вхідного трансформатору (реактору) Х_ТР.

При цьому опір мережі

.

В якості базової розглядається трифазна мостова схема випрямлення з потужністю P_d. Значення визначається згідно виразу [6]

.

Згідно (7.16) можна визначити співвідношення між потужністю перетворювача і потужністю короткого перемикання мережі, коли діюче значення вищих гармонік напруги мережі не перевищує припустимого значення

.

При значенні =5% отримуємо

.

Відзначимо, що в Європейських нормативах вказують найбільш можливу потужність перетворювача відносно потужності короткого перемикання мережі.

Таким чином, перетворювач споживає активну потужність від мережі змінного струму і одночасно є для неї джерелом вищих гармонік, що призводить до викривлення напруги у мережі на вході перетворювача. Останнє ускладнює роботу інших споживачів електроенергії. Негативний вплив можна зменшити обмеженням потужності перетворювача згідно параметрам мережі живлення. Про інші методи забезпечення електромагнітної сумісності йдеться у наступному розділі.

8 Забезпечення електромагнітної сумісності

перетворювальних пристроїв з мережею живлення

В останній час внаслідок широкого розповсюдження перетворювальних пристроїв і збільшення їх потужностей достатньо гостро стоїть питання забезпечення електромагнітної сумісності споживачів, що працюють в єдиній мережі. Електромагнітна сумісність передбачає відсутність негативного впливу на інших споживачів і, як наслідок, порушення їх нормального функціонування. В енергетиці це в більшому ступені стосується електромагнітних перешкод, що розповсюджуються у дротах мережі. Хоча використання методів імпульсного регулювання при достатньо високих частотах, що характеризуються надто широким спектром гармонік, робить актуальним питання виключення радіоперешкод і їх впливу.

Забезпечення електромагнітної сумісності можливе з використанням наступних рішень:

1. Використання схем випрямлячів із збільшеною кількістю пульсацій випрямленої напруги (багатофазні схеми). Це призводить до збільшення кратності частот гармонік вхідного струму і відповідного зменшення їх амплітуди. Це пов’язано з застосуванням багатофазних трансформаторів з декількома комплектами обмоток (п.2.1.5 и п.2.1.6) і, звичайно, є доцільним лише при значних потужностях перетворювачів.

2. Застосування спеціальних вхідних трансформаторів з перемиканням відводів обмотки вищої чи нижчої напруги, тобто поєднання амплітудного і фазного регулювання.

3. Використання спеціальних схем перетворювачів з поліпшеними енергетичними показниками, зокрема несиметричних схем випрямляча [5], випрямлячів з активним формуванням вхідного струму (п.5).

4. Роздільне живлення перетворювачів і інших приймачів.

5. Застосування вхідних LC фільтрів, що налаштовані на домінуючі гармоніки і спеціальних пристроїв – компенсаторів реактивної потужності у сполученні з фільтрами вищих гармонік.

6. Застосування активних фільтрів струму, що компенсують відхилення струму від синусоїдальної форми.

Зупинимося на рішеннях, що є достатньо універсальними і можуть бути застосовані у мережі з існуючими перетворювачами.