2.2. Анализ спектрального состава напряжения и тока в электрическом контуре эпс

Регулирование переменного напряжения может быть осуществлено за счет встречно-параллельного включения тиристоров (рис.41.3, а,б) изменением фазы управляющих импульсов.

аб

Рис.41.3. Встречно-параллельное включение тиристоров

силового блока ТРПН

Для исключения постоянной составляющей углы запаздывания α обоих тиристоров имеют одинаковое значение и к нагрузке прикладывается переменное напряжение искаженной формы. До момента (рис.41.4)VS1 заперт и напряжение на нагрузке равно нулю, в момент = α₁ тиристор отпирается и к нагрузке прикладывается напряжение сети. В случае активной нагрузки (рис.41.3, а) тиристор VS1 запрется в момент = (рис.41.4, а) и на интервале  + α₂ напряжение на нагрузке будет равно нулю. При активно-индуктивной нагрузке (рис.41.3, б) за интервал проводящего состояния VS1 индуктивность нагрузки запасает энергию, поэтому в момент перехода питающего напряжения через нуль тиристор не запирается и энергия, накопленная в L_н, отдается в питающую сеть до момента , а напряжение на нагрузке будет иметь вид, представленный на рис.41.4,в.

Уменьшение угла α приводит к увеличению угла проводимости тиристоров λ и увеличению угла , и следовательно, интервал уменьшается.

Рис.41.4. Фазоимпульсное регулирование

переменного напряжения

При некотором значении угла α_кр (рис.41.4, д) момент запирания одного тиристора будет совпадать с отпиранием другого. При этом ток в цепи будет синусоидальным, амплитуда и фаза его будут зависеть только от приложенного напряжения и параметров нагрузки. Дальнейшее уменьшение угла α не окажет влияния на прохождение тока в цепи. Объясняется это тем, что при встречно-параллельном соединении падение напряжения на одном из тиристоров запирает другой и, пока не уменьшится ток до нуля в одном тиристоре, другой не сможет включиться. Это предъявляет особые требования к системе управления.

При α < α_кр возможны два случая. Если длительность импульса управления меньше α_кр – α, то один из тиристоров не откроется и через нагрузку будет проходить только одна полуволна напряжения (одноволновый режим). Такой режим опасен тем, что через нагрузку потечет постоянный ток, вызывая, например, насыщение согласующего трансформатора.

Для ликвидации одноволнового режима импульс управления необходимо задержать до момента запирания тиристора.

Если импульс управления достаточно широк, то тиристоры будут открываться при α = α_кр, хотя импульсы управления подаются раньше.

Следовательно, диапазон управления тиристорами определяется интервалом изменения угла отпирания α:

α_кр < α < . (41.1)

Критический угол α_кр определяется, если пренебречь падением напряжения на тиристоре фазовым углом нагрузки

. (41.2)

2.2.1. Трпн с активной нагрузкой

Для любого способа регулирования ТРПН коэффициент мощности зависит только от глубины регулирования, тем не менее интересны конкретные соотношения для способов регулирования, представленных на рис. 41.1, 41.2.

Нагрузка регуляторов переменного напряжения, как правило, активная (нагревательные элементы электропечей).

Действующее значение напряжения на нагрузке для фазового регулирования (рис.41.1) [1]

, (41.3)

а наибольшее значение напряжения при α = 0

, (41.4)

где U_m – амплитуда фазного напряжения питающей сети.

Поэтому относительное действующее значение напряжения на нагрузке будет равно

. (41.5)

Разложение кривой потребляемого из сети тока i₁ в ряд Фурье имеет вид

. (41.6)

Определив коэффициенты А₁, В₁ для первой гармоники тока при активной нагрузке, можно рассчитать коэффициент сдвига первой гармоники этого тока относительно питающего напряжения, а также действующее значение тока I₁, потребляемого из сети, и его первой гармоники I₁₍₁₎:

;

;

. (41.7)

Рассчитав коэффициент искажения тока

, (41.8)

находим, что коэффициент мощности равен относительному напряжению на нагрузке .

В способе регулирования действующего напряжения, представленный на рис.41.2 коэффициент мощности определяется только коэффициентом искажения. Сдвиг первой гармоники сетевого тока при широтно-импульсном регулирования (ШИР) переменного напряжения отсутствует. Поэтому справедливо следующее расчетное соотношение:

,

где – относительная продолжительность включенного состояния тиристоров.

Действующее значение первой гармоники тока, потребляемого из сети, определяется уравнением

. (41.9)

Коэффициент мощности, равный коэффициенту искажения

. (41.10)

Таким образом, в рассмотренных способах регулирования коэффициент мощности одинаков и равен относительному значению регулируемого действующего значения напряжения.

Уменьшение потребления реактивной мощности в способе по рис.41.2 сопровождается увеличением мощности искажения, и коэффициент мощности остается неизменным.

Рассмотренные способы регулирования различаются характером искажений, спектральным составом потребляемого из сети тока. Амплитуды первых гармоник тока нагрузки для способов регулирования по рис.41.2 определяются по (41.7) и (41.9), а амплитуда k-й гармоники тока нагрузки, соответственно 41.11 и 41.12:

(41.11)

. (41.12)

Способ широтно-импульсного управления ТРПН применим для нагрузок с большой тепловой постоянной времени. В спектре гармоник отсутствуют гармоники выше частоты сети, однако имеются гармоники ниже частоты сети, которые могут привести к колебаниям напряжения сети из-за импульсного характера потребления тока и к динамическим перенапряжениям в распределительной сети. Амплитуды высших гармоник значительно меньше, что благоприятно сказывается на уровне радиопомех. Для увеличения спектральной плотности на сетевой частоте и уменьшения тем самым радиопомех период регулирования должен быть заметно больше периода питающего напряжения.

Практически при числе периодов сетевой частоты в интервале λ_и ≥ 5 ÷ 7 можно не учитывать содержание других гармоник в напряжении нагрузки.

На рис.41.5 представлены зависимости относительных амплитуд гармоник тока от относительного напряжения на нагрузке.

Рис.41.5. Зависимость амплитуд первой и третьей гармоник при ФИР и амплитуды гармоник тока при ШИР