Качество электрической энергии

Екибастузский инженерно-технический институт

имени академика К.И. Сатпаева

Кафедра:

Электроэнергетика

«УТВЕРЖДАЮ»

проректор по учебной работе,

к.ф.-м.н., профессор

__________ Джандигулов А.Р.

«___»_____________200__ г.

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИИ

по дисциплине: Силовые преобразовательные устройства

Специальность:

050718 – Электроэнергетика

Форма обучения:

очная

Всего кредитов:
Курс:
Семестр:
Лекции		часов
Практические		часов
Лабораторные
СРСП		часов
СРС		часов
Трудоемкость		часов
Экзамен		семестр

Екибастуз – 2008 г.

Рабочая программа составлена на основании рабочей учебной программы специальности 050718 – «Электроэнергетика»

Рабочую программу составил

Старший преподаватель

Бексултанов А.Д.

^{(должность, звание) (подпись) (Фамилия И.О.)}

Рабочая программа рассмотрена на заседании кафедры

«Электроэнергетика»

Протокол №_1_ «_18_» ___09_______ 2008_ г.

Заведующий кафедрой: Доцент

Полищук В.И.

Одобрена учебно-методическим советом инженерного факультета

Протокол №_ от______ 200_ г.

Председатель: к.т.н., профессор

Саржанов К.Б.

Одобрена учебным отделом

Начальник

Бирюкова Л.Ф.

Офис: ул. Энергетиков, 54, ауд.№ 103

Тел: 8 (7187) 33 - 05 – 53 (вн. 109)

Е- mail: [email protected]

[email protected]

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция №1Введение.
Лекция № 2Выпрямители с неуправляемыми вентилями.
Лекция № 3Топология преобразователей с естественной коммутацией.
Лекция № 4Работа однофазных вентильных схем.
Лекция № 5Работа однофазной мостовой схемы выпрямления.
Лекция № 6Выпрямители с активно-индуктивной нагрузкой.
Лекция № 7Трехфазная однотактная схема выпрямления тока (трехфазная схема со средней точкой, трехфазная нулевая трехпульсная схема).
Лекция № 8Трехфазная вентильная схема (схема Ларионова).
Лекция № 9Особенности некоторых режимов в схемах выпрямителей.
Лекция № 10Выбор согласующего трансформатора и вентилей.
Лекция № 11Защитные цепи преобразователя
Лекция № 12Взаимодействие преобразователя с сетью и нагрузкой.

ЛЕКЦИЯ 1

Введение

1.1 Назначение курса

1.2 Задачи дисциплины

1.3 Назначение, классификация, качество ВИП.

«Силовые преобразовательные устройства» является одним из базовых специальных курсов для электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов. Курс «Силовые преобразовательные устройства» рассчитан на изучение в течение одного семестра и состоит из трех основный частей:

· преобразование переменного тока в постоянный ток – выпрямители;

· импульсное регулирование постоянного и переменного напряжения – импульсные преобразователи;

· регулирование частоты напряжения или тока – преобразователи частоты.

Данный лекционный курс посвящен первой из указанных частей преобразовательной техники – выпрямителям. Содержание курса и последовательность изложения материала в нем в целом соответствует программе дисциплины «Силовые преобразовательные устройства» для электротехнических специальностей вузов.

Цель данного курса состоит в том, чтобы дать студентам достаточно полное представление о выпрямительных преобразователях, их составных элементах, топологии, математических описаниях, основных методах анализа, расчета и рационального выбора элементов, т.е. в создании научно-практической базы для последующего изучения специальных дисциплин и непосредственного применения в дальнейшей практической деятельности.

Задачи курса заключаются в освоении теории физических явлений в выпрямительных преобразователях и определении расчетных соотношений, позволяющих по заданному режиму работы потребителя (нагрузки) определить электрические параметры для выбора полупроводниковых приборов, трансформаторов, фильтров, дросселей и других элементов, а также в привитии практических навыков использования методов анализа и расчета электрических параметров для решения широкого круга инженерных задач.

В результате изучения курса студент должен знать основные методы анализа и расчета физических процессов в элементах выпрямительных преобразователей различной конфигурации и уметь применять полученные знания на практике.

Знания и навыки, полученные при изучении данного курса, являются базой для освоения дисциплин: «Теория электропривода», «Автоматизированный электропривод типовых установок», «Системы управления электроприводами» и т.д.

При изучении дисциплины предполагается, что студент имеет соответствующую математическую подготовку в области дифференциального и интегрального исчисления, комплексных чисел и тригонометрических функций, а также знаком с теорией цепей, рассматриваемыми в курсе «Теоретические основы электротехники».

Часть курса «Выпрямители» рассчитана на лекционных часа и включает в себя следующие основные разделы:

· теоретические основы работе однофазных и трехфазных выпрямительных преобразователей;

· специальные режимы работы выпрямителей;

· элементы защиты;

· взаимодействие выпрямителей с сетью и нагрузкой.

Изучение дисциплины "Основы преобразовательной техники" (ОПТ) предусматривает выполнение двух контрольных работ, одна из которых компьютерная и состоит из десяти задач по десяти разделам, а вторая представляет собой подготовку численных исходных данных к компьютерной лабораторной работе "Исследование однофазных маломощных выпрямителей и сглаживающих фильтров".

Изучение дисциплины заканчивается зачетом по контрольным работам и компьютерным экзаменом. Экзаменационное задание включает в себя десять задач по десяти разделам, аналогичным задачам контрольных работ.

Методическое пособие содержит необходимое число решенных задач по всем десяти указанным разделам и типовым вариантам контрольных работ.

Подробно рассмотренные примеры решения задач помогают студентам понять физику электромагнитных процессов в преобразователях и основы их расчета.

В настоящее время источники электропитания принято разделять на первичные и вторичные. К первичным относят однофазные и трехфазные электросети переменного тока промышленной частоты 50 Гц с напряжением 127 В, 220 В, 380 В, электросети повышенной частоты 400 Гц (стационарные или на подвижных объектах), сети постоянного тока с напряжением 27 В, 110В, химические источники постоянного тока, солнечные батареи и т.п. Для правильной оценки параметров вторичного источника питания необходимо знать требования, накладываемые на качество электроэнергии первичных источников питания, нагрузки и данные непосредственно ВИП.

Данные о первичной сети переменного тока:

Номинальное напряжение, частота, число фаз;

Пределы изменения напряжения и частоты на входе ВИП;

Асимметрия напряжения в многофазных питающих сетях;

Искажение формы кривой питающего напряжения.

Данные с первичной сети постоянного тока (химических источников тока):

1. Начальное напряжение ХИТ;

2. Конечное напряжение ХИТ;

3. Емкость;

4. Мощность;

5. Номинальный ток разряда;

6. Внутреннее сопротивление.

Данные источников вторичного электропитания:

1. Номинальное значение выходного напряжения;

2. Пределы плавной или дискретной регулировки выходного напряжения;

3. Максимальное и минимальные значения среднего тока нагрузки;

4. Характер изменения тока нагрузки (медленное, импульсное, по определенному закону);

5. Допустимые изменения выходного напряжения при заданном изменении входного;

6. Внутреннее статическое сопротивление источника питания;

7. Динамическое внутреннее сопротивление;

8. Климатические и механические воздействия;

9. Надежность, необходимость резервирования;

10. Точность установки выходного напряжения;

11. Способы охлаждения (естественное, принудительное);

12. Заземление;

13. Защита от режимов короткого замыкания в нагрузке;

14. Защиты от повышения входного и выходного напряжений;

15. Сигнализация неисправностей ВИП;

16. Время готовности к работе с момента включения;

17. Способ контроля выходного напряжения

18. Коэффициент полезного действия;

19. Габариты, вес, дизайн.

Дополнительно необходимо иметь данные:

1. Для ВИП постоянного тока:

· Коэффициент пульсаций выходного напряжения;

· Амплитуда импульсной помехи;

2. Для ВИП переменного тока:

· искажение формы выходного напряжения;

· характер и cos j нагрузки;

· для источников стабильного синусоидального напряжения при искажениях формы более 6% необходимо определять, по какому значению выходного напряжения осуществляется стабилизация (действующее, среднее, амплитудное).

КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Как и всякий продукт, электроэнергия обладает свойством качества. Для количественной оценки этого свойства имеется целый ряд показателей (показатели качества электроэнергии – ПКЭ), которые нормируются ГОСТ 13109 – 87. В общем случае ПКЭ объективно оценивают различные стороны процесса производства – передачи – распределения – потребления электроэнергии.

Заметим сразу. Поскольку этот процесс весьма сложен и многогранен, то ПКЭ его оценивают в известном смысле односторонне и часто статично. Поэтому в конкретных условиях для оценки, например, влияния электроприемников на ПКЭ (и наоборот) вводят дополнительные, в том числе и не предусмотренные ГОСТом, показатели, параметры, комплексные величины, регрессии и т.д. Почему так происходит? Все дело в том, что электроприемники по-разному реагируют на изменение ПКЭ. Могут изменяться как производительность, потребляемая мощность, так и возникать режимы, когда работа электроприемника может стать вообще невозможной. С другой стороны одни электроприемники могут быть причиной ухудшения ПКЭ и нарушения нормальной работы других потребителей при этом сами они функционируют нормально.

Из изложенного следует, что нормировать ПКЭ необходимо, что и сделано в ГОСТе 13109-87, но следует отдавать себе отчет в том, что нахождение ПКЭ в допустимых пределах еще не означает хорошей электромагнитной обстановки (на практике нередки случаи, когда параметры качества находятся в пределах нормы, а работа отдельных потребителей затруднена). И еще. Парк электроприемников постоянно обновляется, появляются новые потребители, для которых пока нет норм на ПКЭ, внедряются импортные устройства, для которых отечественный стандарт не является нормативом.

Все это в целом говорит о сложности проблемы нормирования ПКЭ и необходимости постоянных исследований.

Рассмотрим более подробно ГОСТ 13109 – 67. Стандарт устанавливает требования к качеству электрической энергии в электрических сетях общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к кото­рым присоединяются потребители электрической энергии.

Стандарт не устанавливает требования к качеству электричес­кой энергии в электрических сетях: специального назначения (на­пример, контактных тяговых, связи); передвижных установок (например, поездов, самолетов, судов); автономных систем электро­снабжения; временного назначения; присоединенных к передвижным источникам питания.

Задание на СРСП.

1. Задачи курса

2. Что изучает данная дисциплина

3. Что называется ВИП

4. Контроль качества ВИП

5. Что называется выпрямителем

6. Что называется инвертором

Лекция 2

Выпрямители с неуправляемыми вентилями

1. Однополупериодная схема выпрямителя

2. Схема с буферным вентилем

Устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный ток, называется выпрямителем.

Необходимость выпрямления тока на практике возникает: в электроприводе постоянного тока, системах возбуждения машин, химической промышленности, системах управления и регулирования, электротяге, при передаче электроэнергии постоянным током на дальние расстояния и т.д.

Для преобразования переменного тока в постоянный ток применяются вентильные установки, состоящие из компонент:

· электрических вентилей (диоды, тиристоры);

· силового согласующего трансформатора, с помощью которого получают необходимое число фаз и величину выпрямленного напряжения;

· сглаживающих фильтров, уменьшающих амплитуды высших гармоник выпрямленного тока.

Работа преобразовательных установок сопровождается сложными электромагнитными процессами, характер которых зависит от многих параметров системы, содержащей нелинейные элементы (вентили) и магнитные связи.

Каждый установившийся режим работы по существу представляет собой непрерывно повторяющиеся переходные процессы, возникающие при включении (зажигании) и выключении (гашении) вентилей, осуществляющих коммутацию тока в преобразовательной установке.

Простейшая схема выпрямителя приведена на рис.1,а. На рис.1,б изображена синусоида напряжения на вторичной обмотке трансформатора, а также кривые выпрямленного тока и напряжения на активном сопротивлении нагрузки . Предполагается, что вентиль идеальный.

Рис.1. Однополупериодная схема выпрямителя (а) и графики переменных при активной нагрузке (б)

Так как в цепи нагрузки имеется вентиль, то ток появляется только во время положительной полуволны напряжения. Во время отрицательной полуволны вентиль закрыт.

Процессы в однополупериодной схеме выпрямителя протекают сложнее, если нагрузка носит не активный, а индуктивный характер .

Рис.2. Однополупериодная схема выпрямителя(а) и графики переменных при индуктивной нагрузке(б)

В момент

вентиль открывается и процесс описывается уравнением

,

откуда

(1)

Из этого уравнения следует, что ток, хотя и будет синусоидальным, но, благодаря постоянной составляющей, равной амплитуде синусоиды, никогда не будет принимать отрицательных значений (рис. 2,б). Вентиль же все время будет открыт. Получается, что вентиль в процессе как бы не играет никакой роли. На самом деле его роль здесь чрезвычайно велика.

Если бы вентиль, катушка индуктивности и трансформатор были идеальными (не имели потерь), то процесс имел бы точно такой характер, как описан выше, и вентиль не играл бы никакой роли. В действительности же всякая реальная электрическая цепь имеет потери. Поэтому при отсутствии в цепи вентиля процесс протекает так, как показано на рис.3.

Рис.3. Процессы без вентиля в цепи индуктивной нагрузки

Вначале появляется некоторая постоянная составляющая тока, которая, как бы ни было мало активное сопротивление, в конце концов затухает, и в установившемся режиме при малом сопротивлении ток изменяется по закону

(2)

При наличии в цепи вентиля процесс протекает так, как показано на рис.1.4.

Рис.4. Процессы с вентилем и малым активным сопротивлением

Процесс начинается также, как и в цепи без вентиля. Однако в момент

ток становится равным нулю. В момент

происходит как бы новое включение индуктивности под синусоидальное напряжение, и процесс повторяется. Таким образом, при наличии вентиля и малом сопротивлении ток будет близок по форме к изображенному на рис.4, а не 3.

Следует обратить внимание на две особенности протекания процесса в цепи, которые вносятся нелинейным элементом – вентилем:

· вентиль позволяет получить процесс, близкий к процессу в идеальной цепи (как бы компенсируя потери);

· постоянная времени процесса равна нулю.

В интервалах, когда вентиль не пропускает тока, все напряжение u прикладывается к вентилю. Напряжение на вентиле показано на рис.4 заштрихованными участками кривой . Это напряжение называется обратным напряжением вентиля , так как при этом анод вентиля имеет отрицательную полярность по отношению к катоду.

Рассмотрим другую схему однополупериодного выпрямителя – с так называемым буферным (обратным) вентилем (рис.5).

Рис.5. Схема с буферным вентилем

Она позволяет значительно снизить пульсации тока в индуктивной нагрузке, которые, как видно из предыдущего рассмотрения, достигают почти двойной амплитуды переменной составляющей.

На этой схеме иллюстрируется применение метода кусочно-линейной аппроксимации с припасовыванием начальных условий.

Метод кусочно-линейной аппроксимации заключается в замене заданной нелинейной характеристики ломаной прямой с одной или несколькими точками излома. Такая замена нелинейной характеристики позволяет вести расчет аналитически с помощью линейных уравнений [1].

Рис.6. Кривые токов и напряжений в схеме на рис.5 с

Сначала рассмотрим работу схемы рис.5 при

,

т.е. при чисто индуктивной нагрузке. Кривые токов и напряжений в схеме изображены на рис.6.

Схема работает следующим образом. В момент включения схемы

напряжение на нагрузке изменяется по синусоидальному закону. Так как напряжение приложено к чисто индуктивной нагрузке, то ток в соответствии с выражением (1) можно выразить как

,

где второй индекс указывает номер периода .

Вентиль 2 ( ) в течение первого полупериода закрыт, так как он включен встречно по отношению к вентилю 1 ( ) и, следовательно, его анод будет иметь отрицательный относительно катода потенциал.

В момент

анод вентиля 2 становится положительным и, следовательно, вентиль 2 открывается, закорачивая индуктивность . Вентиль 1 закрывается, так как из-за отпирания вентиля 2 катод вентиля 1 становится положительным. Поскольку вентиль 1 закрыт, ток в этот момент прерывается. Ввиду отсутствия потерь в вентиле 2 и закороченной им индуктивности ток , достигший к концу первого полупериода значения

,

в следующий полупериод будет проходить через вентиль 2, оставаясь постоянным, т.е.

.

В момент

вентиль 1 открывается, а вентиль 2 закрывается. Ток индуктивности снова начнет изменяться по синусоидальному закону, но не с нулевого значения, а со значения

,

т.е. в третьем полупериоде

(3)

Далее процесс развивается тем же путем.

Таким образом, от периода к периоду ток в индуктивности будет нарастать ступенями до бесконечности. В любом -м периоде от начала до конца первого полупериода ток меняется по закону

(4)

Во втором полупериоде -го периода ток в индуктивности остается постоянным и равным

(5)

Рассмотренный случай идеализированный и на практике не встречается.

Процесс будет протекать иначе, если учесть активное сопротивление нагрузки . В этом случае в первом положительном полупериоде, когда к нагрузке через вентиль 1 подключено напряжение

,

ток через нагрузку определяется дифференциальным уравнением

(6)

Общий интеграл этого уравнения

(7)

где

,

;

,

а величина зависит от начальных условий.

Во втором полупериоде, когда индуктивность замкнута через вентиль 2, ток определяется уравнением

(8)

общий интеграл которого

(9)

где величина также зависит от начальных условий.

Для определения тока в любом интервале времени удобно воспользоваться разностными уравнениями. Обозначим ток в начале -го периода через , а в конце первого (в начале второго) полупериода -го периода через

,

наконец, ток в конце -го и в начале ( )-го периода обозначим через

.

Тогда, отсчитывая время от начала -го периода, можно, используя уравнение (7), написать (для )

(10)

откуда

.

(11)

Следовательно, в течение первого полупериода n-го периода ток меняется по закону

(12)

В конце этого полупериода, когда

,

ток станет равным

(13)

Воспользовавшись уравнением (9) для второго полупериода, найдем

(14)

Таким образом, ток во втором полупериоде будет меняться по закону

(15)

В конце этого полупериода, когда

,

ток будет равен

(16)

Обозначив

,

получим

(17)

Подставляя это значение

в соотношение (13), получим разностное уравнение

(18)

которое можно решать с помощью преобразования Лорана [1]

.

После некоторых преобразований окончательно получим

(19)

откуда нетрудно найти значение тока в установившемся режиме (при ):

(20)

Согласно (17) имеем

(21)

Амплитуда пульсаций в установившемся режиме может быть найдена как

(22)

Таким образом, применение буферного (обратного) вентиля уменьшает пульсации тока: величина пульсаций в этом случае составляет долю, равную

от величины пульсаций

без буферного вентиля ( ).

ЛИТЕРАТУРА

Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. Ч.I и II. – М.: Энергия, 1966.

Задания на СРСП.

1. Каково назначение обратного (буферного) диода в схемах выпрямления?

2. От каких параметров зависит величина начальных условий тока цепи с нагрузкой?

3. Почему изменением величины индуктивного сопротивления в цепи без учета ( ) явления выпрямления достичь нельзя?

4. Найти амплитуду пульсации тока в установившемся режиме с буферным диодом и без него, если известно, что угол нагрузки ,действующее напряжение , общее сопротивление .

Ответ: .

5. Определить постоянную времени цепи, если известно, что , .

Ответ: 0,00324 с.

6. Определить показатель степени для цепи с постоянной времени и сетевой частотой .

Ответ: 0,31.

Лекция No 3

Топология преобразователей с естественной коммутацией

1. Однофазные преобразователи

2. Некоторые типовые схемы трехфазных преобразователей

3. Схемы тиристорных реверсивных двухполупериодных преобразователей с питанием от однофазной сети (1Ф2Н2П)

4. Схемы тиристорных реверсивных трехфазных нулевых преобразователей

Преобразователи, относящиеся к этой группе, могут быть управляемыми и неуправляемыми. Наиболее распространенными управляемыми вентилями являются тиристоры, а неуправляемыми – полупроводниковые диоды.

В зависимости от типа источника переменного тока различают однофазные и трехфазные преобразователи (при параллельном соединении – многофазные).

Основными параметрами преобразовательной схемы являются число возможных направлений тока и число пульсаций.

В зависимости от того, проходит ли ток в вентильной обмотке преобразовательного трансформатора только в одном направлении или в том и другом направлении, различают однонаправленные и двунаправленные схемы.

Число пульсаций – это отношение частоты низшей гармоники напряжения в пульсирующем напряжении на стороне постоянного тока преобразователя к частоте напряжения на стороне переменного тока.

Схемное выполнение преобразователей с естественной коммутацией характеризуется так называемыми коммутационными группами. Коммутационная группа содержит все вентили, которые в нормальных рабочих условиях коммутируют между собой независимо от вентилей других групп. Данный преобразователь может иметь несколько коммутационных групп, которые могут соединяться параллельно или последовательно.

1. Однофазные преобразователи

Рис.1. Однофазная, однонаправленная, однопульсная схема (1Ф1Н1П)

Рис.2. Однофазная, однонаправленная, двухпульсная схема (1Ф1Н2П)

Рис.3. Однофазная, двунаправленная, двухпульсная схема (1Ф2Н2П)

В схемах рис.1–3 могут использоваться либо неуправляемые полупроводниковые диоды ( ), либо управляемые – тиристоры ( ). Управляемые преобразователи, выполненные по схемам рис.2–3, при отсутствии шунтирующих диодов могут работать и в инверторном режиме [1].

Рис.4. Схема типа 3Ф1Н3П

Вентили в схеме рис.4 (3Ф1Н3П) (или ) образуют единую коммутационную группу. Изменяя число сетевых и вентильных обмоток преобразовательного трансформатора , можно получить несколько вариантов схемы. Например, увеличивая число вентильных обмоток преобразовательного трансформатора (схема рис. 5) до шести и объединяя нулевые точки, можно увеличить число фаз на стороне вентильных обмоток и, следовательно, путем такого развития схемы, показанной на рис.4, увеличить число пульсаций преобразователя. Получим шестипульсный эквивалент схемы, показанной на рис.4, с двумя коммутационными группами.

2. Некоторые типовые схемы трехфазных преобразователей

Рис.5. Схема типа 3Ф1Н6П

На рис.5 показано параллельное соединение двух различных коммутационных групп I и II. Это шестипульсный эквивалент схемы, показанной на рис.4.

Рис.6. Трехфазная двунаправленная шестипульсная схема – 3Ф2Н6П

На рис.6 показана схема 3Ф2Н6П, известная под названием трехфазной мостовой схемы (схема Ларионова). В этой схеме также имеются две коммутационные группы I и II, соединенные последовательно. Выходное напряжение преобразователя равно сумме выходных напряжений обеих коммутационных групп. Управляемые преобразователи без шунтирующих диодов могут работать и в инверторном режиме.

Рис.7. Схема двух встречно-параллельно соединенных преобразователей, обеспечивающая работу двигателя в четырех квадрантах

На рис.7 показана схема, часто применяемая в электроприводе. Две последовательно соединенные коммутационные группы соединяются встречно–параллельно через уравнительные реакторы . Таким способом на стороне постоянного тока может быть получено напряжение любой полярности и при любом направлении тока. Для правильной работы схемы необходимо, чтобы по контуру, составленному из двух преобразователей, не проходил слишком большой постоянный ток, который мог бы вызвать повреждение оборудования (так называемый уравнительный ток). Уравнительный ток не может быть отрегулирован посредством пофазного управления преобразователями. Схема пригодна также и для получения напряжения переменной частоты посредством периодического изменения углов включения вентилей преобразователей.

Замечание. Представленный здесь принцип (рис.7) может быть применен также к преобразователям с другими схемами соединений: это ведет к возникновению значительного числа дополнительных вариантов.

3. Схемы тиристорных реверсивных двухполупериодных преобразователей с питанием от однофазной сети (1Ф2Н2П)

Рис.8. Реверсивные однофазные системы электропривода: а, б, в – преобразователи с трехобмоточным согласующим трансформатором; г, д – преобразователи прямого включения в сеть

На рис.8,а показана схема, построенная по дифференциальному принципу и содержащая четыре тиристора . При одном направлении тока в нагрузке в один полупериод напряжения питания открыт тиристор , а в другой полупериод – тиристор , тиристоры и закрыты. При реверсе состояние тиристоров меняется на противоположное. В данной схеме напряжение, наводимое во вторичной обмотке трансформатора, полностью прикладывается к закрытым тиристорам.