Сравнение выпрямителей

Лекция 11 Сравнение выпрямителей 1. Высшие гармоники при работе выпрямителей При работе выпрямителя возникают высшие гармоники 1) в выпрямленном напряжении U (1) m 1 Основной показатель – коэффициент пульсаций q   2 Ud m 1 меньше, тем лучше) 2) во входном напряжении и токе Основной показатель коэффициенты гармоник – коэффициент k g (k )  U (k ) U искажений kИ  (чем U (2k ) k 2 U или (максимальные значения нормированы ГОСТ) Фазовое регулирование в выпрямителях ухудшает коэффициент пульсаций (чем глубже регулирование, тем больше коэффициент пульсаций) Для улучшения качества выпрямления и уменьшения воздействия на сеть применяют 1) фильтры 2) схемы выпрямителей с большим числом фаз 2 Мощности несинусоидальных величин Пусть мгновенные значения напряжения и тока представлены в следующем виде: 3 (1.13) Напомним, несинусоидальная функция может быть представлена рядом Фурье, состоящем только из синусоид, только из косинусоид, либо из синусоид и косинусоид. Это зависит от выбора начала координат. Тогда для активной мощности можно записать (1.14) Как было показано при выводе соотношения (1.12) для действующего значения несинусоидальной переменной, среднее значение произведения синусоидальных функций частотой большей, чем у основной (первой) гармоники, так же равно нулю. Следовательно, , Где (1.15) . Таким образом, активная мощность несинусоидального тока равна сумме активных мощностей отдельных гармонических: (1.16) Аналогично для реактивной мощности можно записать (1.17) Полная мощность , Где: Т – мощность искажения. Это фиктивная (добавочная, реально не существующая) мощность, связанная с различием форм кривых напряжения и тока, т.к. S² > P² + Q². Мощность искажения равна нулю только при активном сопротивлении нагрузки, когда формы тока и напряжения совпадают. 3. Коэффициент мощности выпрямителей Потребление реактивной мощности преобразовательными установками с полупроводниковыми вентилями обусловлено в основном двумя причинами: естественным коммутационным процессом и искусственной задержкой момента открытия вентиля с целью регулирования выпрямленного напряжения. Процессы коммутации рассмотрим на примере трехфазного преобразователя переменного тока в постоянный. При естественной 4 коммутации вентилей вентиль фазы В открывается в момент времени, когда напряжение UВ становится равным, а затем превышает напряжение фазы А. Однако ток вентиля Id достигает установившегося значения с некоторым запаздыванием, обусловленным индуктивностью Ld контура коммутации. На рис.8.6,а ток вентиля представлен в виде трапеции, время коммутации характеризуется углом коммутации γ . Угол сдвига между вторичным напряжением U2 и вторичным током i2 преобразователя (на рис.8.6а – между максимумом напряжения UB и серединой импульса тока Id) равен ϕ2 = γ/2 . В управляемых преобразователях для регулирования выпрямленных значений напряжения и тока создается искусственная задержка момента открывания вентиля на угол α (рис. 8.6б). Соответственно угол сдвига между напряжением U2 и вторичным током i2 преобразователя равен ϕ2 = α + γ/2. Приблизительно на такие же углы сдвинут первичный ток I1 относительно напряжения U1 преобразовательного трансформатора, чем и определяется реактивная нагрузка преобразователя. Реактивная мощность, потребляемая преобразовательным агрегатом, складывается из потерь ΔQT в преобразователь Рис. 8.6 Процессы в тиристорном выпрямителе ном трансформаторе и из расхода QВ на коммутацию и регулирование напряжения в выпрямителе:   Q ПА  Q ХХ  К З2 Q КЗ  Р В tg     , 2  (8.4) где РВ – номинальная активная мощность выпрямителя. Таким образом, преобразовательные агрегаты являются крупными потребителями реактивной мощности. Режим ее потребления имеет свои особенности, связанные с нестабильностью и нелинейностью параметров нагрузки. Эффективным средством снижения потребления из сети реактивной мощности является применение компенсированных преобразователей. P Отношение активной и полной мощностей   . (наилучший вариант 1, S когда энергия используется полностью) 5 1. Компенсация реактивной мощности позволяет – уменьшить потери электроэнергии в элементах СЭС; – улучшить качество электроэнергии в точке подключения; – увеличить пропускную способность элементов СЭС. 2. Экономический эффект от компенсации является квадратичной функцией мощности конденсаторной батареи. 3. Компенсация реактивной мощности и регулирование уровня напряжения взаимно дополняют друг друга и для получения наибольшего эффекта необходимо рационально распределять средства между ними. Для компенсации реактивной мощности используют выпрямители специальной конструкции 1) Применение нулевого вентиля 2) фазоступенчатое регулирование 3) применение искусственной коммутации 6 Все рассмотренные схемы слабо влияют на коэффициент искажений и коэффициент пульсаций 2) компенсаторы реактивной мощности (регулируемые конденсаторы и реакторы, статические компенсаторы и т.д.) 4. Основные показатели для выпрямителей Энергетическая эффективность преобразования электрической энергии в устройствах силовой электроники характеризуется энергетическими показателями электромагнитных элементов и устройства в целом. Важнейшими из этих показателей являются следующие. 1. Коэффициенты преобразования устройства по напряжению и току 2. Коэффициент искажения тока (аналогично и для напряжения) 3. Коэффициент гармоник тока 4. Коэффициент сдвига тока относительно напряжения по первой гармонике. 5. Коэффициент мощности 6. Коэффициент полезного действия 7. Энергетический коэффициент полезного действия 7 8. Коэффициент пульсаций для цепей постоянного тока За энергетические показатели качества использования элементов преобразовательного устройства рационально принять их относительные (к активной мощности нагрузки) установленные (типовые) мощности. КПД выпрямителя складывается из КПД трансформатора и КПД вентильной части. Потери в вентильной части Pв  aU a I a , где I a -действующее значение прямого тока, U a -- прямое падение напряжение на вентиле, a -- количество вентилей через которое одновременно протекает ток. КПД вентильной части 1 в  . a  U a 1 Ud При напряжениях в сотни вольт КПД вентильной части больше 0.98, КПД трансформатора средней мощности больше 0.96. Следовательно КПД выпрямителя средней мощности больше 0.96. КПД полупроводниковых приборов выше КПД электромеханических устройств. Рис. Зависимость КПД вентильного (ВП) и электромашинного преобразователя (ЭМ) от загрузки 8