Энергетические характеристики и спектральный анализ токов и напряжений регулятора переменного напряжения

Энергетические показатели

Регулирование напряжения с помощью тиристорных регуляторов переменного напряжения сопровождается уменьшением cosφ и появлением в кривых напряжения и тока высших гармонических составляющих.

Для регуляторов, построенных по принципу фазо-импульсного управления, с увеличением угла управления тиристоров α в выходном напряжении резко возрастают нечетные высшие гармоники: 3-я, 5-я, 7-я и т.д. (рис.1). Гармонический спектр напряжения тиристорного переключателя, принцип работы которого эквивалентен широтно-импульсному управлению, содержит гармоники с частотой, как меньшей частоты питания, так и большей ее. Минимальная частота, определяемая периодом регулирования Т_р, численно равна 1/ Т_ри на практике составляет менее 1 Гц.

Рис. 1 Зависимость амплитуд напряжения гармоник регулятора

от угла отпирания тиристоров (1, 3, 5, 7, 9 – номера гармоник)

Рис.2. Зависимость cosφ (1) и среднеквадратичного значения тока высших гармоник (2) регулятора от глубины регулирования напряжения

При фазо-импульсном управлении активная мощность передается из сети к регулятору только основной гармоникой тока

, ……………………………(1)

где φ – угол сдвига между напряжением сети и первой гармоникой тока.

Сдвиг по фазе основной гармоники тока создает в сети реактивную мощность

Q = U_cI₁sinφ …………………………….. (2)

различие в формах кривых напряжения и тока характеризуется мощностью искажения

……………………………..(3)

и коэффициентом искажения

. ……………………………………….(4)

Полная мощность, потребляемая из сети, определяется из выражения

. ………………………………(5)

Из трех составляющих полной мощности лишь активная является полезной.

Коэффициент мощности установки при фазо-импульсном управлении равен

…………………………..…….. (6)

При чисто активной нагрузке определяем

………… (7)

Зависимость cosφ и среднеквадратичного значения токов высших гармоник

………………………..(8)

приведена на рис.2.

С помощью косинусных конденсаторов можно лишь частично улучшить коэффициент мощности за счет увеличения cosφ.

Мощность конденсаторной батареи, необходимой для повышения cosφ до единицы, равна:

, ………………………..(9)

где Р_ном– номинальная мощность нагрузки, кВ.А.

При этом результирующий коэффициент мощности при установке косинусных конденсаторов будет равен

. ……………………………..(10)

Рис. 3. Зависимость результирующего коэффициента мощности регулятора при установке косинусных конденсаторов от глубины регулирования напряжения

При широтно-импульсном управлении в случае активной нагрузки сдвиг между током I и напряжением сети U_c отсутствует, то есть φ = 0, и коэффициент мощности определяется только коэффициентом искажения:

, ………………………………(11)

где – относительная продолжительность включения (скважность); в свою очередь m – целое число; Т_с – период напряжения сети и Т_р – период регулирования.

Рис.4. Зависимость коэффициента мощности регулятора от глубины регулирования напряжения и числа установок

В случае активно-индуктивной нагрузки коэффициент мощности как при фазо-импульсном, так и при широтно-импульсном управлении зависит также от фазового угла нагрузки и ухудшается с его увеличением.

Особенностью широтно-импульсного управления является увеличение коэффициента мощности при одновременной работе нескольких установок, включенное состояние которых полностью или частично не совпадает.

Как показал анализ, проведенный, исходя из теории вероятности, результирующий (средневзвешенный) коэффициент мощности группы установок равен

, …………………………(12)

где п– число установок.

На рис.4 представлены соответствующие графики для разных значений п (в пределах 1 – 10) при активной нагрузке, из которых видно, что при широтно-импульсном управлении с ростом числа установок результирующий коэффициент мощности будет неограниченно приближаться к единице вследствие «усреднения» тока сети во времени.

Последнее говорит о существенных преимуществах широтно-импульсного управления при групповых установках.

Снижение коэффициента мощности тиристорного источника в процессе регулирования приводит к ухудшению КПД линии, так как циркуляция реактивной мощности Q и мощности искажения Т_иск в линии от генератора до приемника электроэнергии вызывает дополнительные активные потери. Последнее означает, что полная мощность установки увеличивается не только для покрытия непроизводительных составляющих мощности Q и Т_иск, но и для покрытия дополнительных активных потерь мощности в линии, связанных с их циркуляцией.

В одиночном регуляторе коэффициент мощности можно увеличить путем ступенчатого регулирования однофазного напряжения как показано на рис.5, а. На интервале от 0 до α₁включен тиристор VS3. При угле отпирания α₁включается тиристор VS2, к тиристору VS3 прикладывается обратное напряжение, и напряжение на нагрузке увеличивается. В момент u = p тиристор VS2 запирается и подается отпирающий импульс на тиристор VS4. В момент u = α₂ отпирается тиристор VS1.

Относительное значение регулируемого напряжения, коэффициент сдвига и коэффициент мощности равны

………………………..(13)

а б

Рис. 5. Принципиальная электрическая схема (а) и временные диаграммы (б) фазо-ступенчатого регулирования однофазного напряжения

……………………(14)

……………………(15)

. …………………………………(16)

Мощность искажения Т_иск, обусловленная токами высших гармоник, вредно влияет на питающую сеть и подключенные к ней приемники, так как вызывает дополнительные потери в обмотках магнитопроводов, порождает при неблагоприятном сочетании параметров вредные резонансные явления и создает существенные помехи в расположенных вблизи линиях связи. Реактивная мощность может быть достаточно полно скомпенсирована, в то время как мощность искажения скомпенсировать более сложно. Поэтому в одиночной установке ухудшение коэффициента мощности более предпочтительно допускать за счет коэффициента сдвига.

Таким образом, несинусоидальные периодические переменные, например токи, характеризуются следующими величинами:

1. Максимальное значение - .

2.Действующее значение -

.

3.Среднее по модулю значение -

.

4.Среднее за период значение (постоянная составляющая) –

.

5.Коэффициент амплитуды (отношение максимального значения к действующему) –

.

6.Коэффициент формы (отношение действующего значения тока к среднему по модулю) -

.

7.Коэффициент искажений (отношение действующего значения первой гармоники к действующему значению всего тока)

- .

8. Коэффициент гармоник (отношение действующего значения высших гармонических к действующему значению первой гармоники) –

.

9.Коэффициент мощности - = Р /S.

Лекция 5