Материал: s_electro

а для режима зависимого инвертора

Здесь ∆P – потери активной мощности внутри вентильного преобразователя.

Эти потери складываются из потерь в трансформаторе ∆Pт, потерь в вентилях ∆Pв, потерь в фильтре ∆Pф, потерь в системе управления

∆Pу, т. е.

Потери в трансформаторе состоят из потерь в стали трансформатора и потерь в меди обмоток. Первые можно приравнять потерям в опыте холостого хода ∆Pхх, когда магнитный поток номинальный, а токов в обмотках нет (пренебрегая током намагничивания). Вторые при номинальной нагрузке можно приравнять потерям в опыте короткого замыкания ∆Pкз, когда в обмотках трансформатора протекают номинальные токи, а магнитного потока практически нет при малых значениях напряжения короткого замыкания трансформатора, прикладываемого в этом опыте к первичным обмоткам трансформатора. Тогда

Потери активной мощности в вентилях складывают из потерь при протекании прямого анодного тока через открытый вентиль ∆Pпр, потерь от протекания обратного тока через закрытый вентиль ∆Pоб, потерь на переключение, связанных с конечными временами включения и выключения вентиля, ∆Pпер.

Для упрощения расчета ∆Pпр нелинейная вольт-амперная характеристика вентиля в прямом направлении аппроксимируется кусочнолинейными зависимостями, как показано на рис. 1.1.3. Это приводит к схеме замещения вентиля в прямом направлении, состоящей из источ-

158

ника постоянного напряжения ∆U0 (напряжение отсечки) и активного динамического сопротивления Rдин.. Тогда активная мощность, выделяемая в такой цепи, будет

Потери активной мощности при действии на вентиле обратного напряжения ∆Pоб, как правило, пренебрежимо малы в силу малости обратного тока вентиля.

Потери активной мощности при переключении вентиля также относительно невелики по сравнению с ∆Pпр при частотах переключения (частоте питающего напряжения), не превышающей 400 Гц. При работе же вентилей на высоких частотах эти потери становятся заметными или даже определяющими в общих потерях. В этих случаях расчет потерь на переключение существенно определяется формами токов и напряжений вентиля и в последующих главах, посвященных работе преобразовательных устройств при высоких частотах коммутации, эти особенности расчета будут отмечаться.

Активная мощность в звене постоянного тока Pd в общем случае при конечном значении сглаживающего реактора Xd равна сумме активных мощностей от взаимодействия одноименных гармоник напряжения и тока, т. е.

Знание Pd и ∆P позволяет рассчитывать КПД преобразователя в зависимости от изменения нагрузки или при регулировании Ud.

3.10.2. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ

Коэффициент мощности в цепи переменного тока вентильного преобразователя (на входе выпрямителя и на выходе инвертора) определяется отношением активной мощности к полной. Для выпрямителя это дает

159

где νI – есть отношение действующего значения первой гармоники

тока первичной обмотки трансформатора к действующему значению первичного тока, называемое коэффициентом искажения тока.

Сдвиг первой гармоники первичного тока относительно кривой первичного напряжения, имеющего синусоидальную форму, обусловлен в вентильном преобразователе двумя причинами. Во-первых, наличием угла коммутации γ, во-вторых, наличием угла регулирования α, что позволяет записать приближенно

Коэффициент 1/2 берется при α, близких к 90°, а коэффициент 2/3 – при α, близких к малым углам. При линейной аппроксимации коммутационного участка тока (см. предыдущий раздел) всегда надо брать коэффициент 0,5.

Для режима зависимого инвертора аналогично (3.10.10) получаем

Итак, в соответствии с (3.10.9) коэффициент мощности можно интерпретировать как степень полезного использования пропускной способности электротехнического оборудования, которое выбрано на полную мощность, а через него будет пропущена для преобразования в другие виды энергии активная мощность P1 = χS1. Кроме того, коэффициент мощности определяет степень негативного обратного влияния вентильного преобразователя на сеть переменного тока, как это показано в разделе 3.13.

Особенно показательным становится выражение для коэффициента мощности вентильного преобразователя при допущении Xa = 0, Xd = ∞, когда γ=0, ϕ1(1) = α. Тогда (3.10.9) преобразуется с учетом (2.9.3) к следующему виду:

Эта важнейшая энергетическая характеристика преобразователя

показывает, какой ценой на входе дается регулирование напряжения на выходе.

Таким образом, коэффициент мощности вентильного преобразователя линейно зависит от степени регулирования напряжения в звене постоянного тока. Это «ахиллесова пята» всех (рассмотренных) вентильных преобразователей на вентилях с неполным управлением (тиристорах). Наличие большой доли вентильной нагрузки в электрической сети обостряет для энергетиков проблему поддержания коэффициента мощности в сети на нормативном или оптимальном уровне, обычно порядка 0,9. Это делает актуальным задачу построения вентильных преобразователей с улучшенными энергетическими показателями (коэффициентом мощности и КПД), пути решения которой рассмотрены в следующем разделе.

3.11. ВЫПРЯМИТЕЛИ НА ПОЛНОСТЬЮ УПРАВЛЯЕМЫХ ВЕНТИЛЯХ

Целью данного раздела является изучение выпрямителей, выполненных на полностью управляемых вентилях (запираемых тиристорах, транзисторах).

Рассмотренные управляемые выпрямители на вентилях с неполным управлением характеризовались тем, что при включении очередного вентиля к проводящему ток нагрузки вентилю прикладывается обратное напряжение и он выключается (запирается) естественным образом. Поэтому такая коммутация тока с вентиля на вентиль получила название естественной коммутации. Но задержка включения вентилей относительно точек естественного зажигания на угол α приводит к потреблению выпрямителем из питающей сети реактивной мощности и снижению его входного коэффициента мощности с ростом угла α.

Коммутация токов в вентилях в схемах выпрямления на вентилях с полным управлением, способных включаться и выключаться воздействием по цепи управления при наличии на вентиле прямого напряжения, называется принудительной коммутацией. (Раньше вентилям с неполным управлением искусственно придавались свойства вентилей с полным управлением за счет специального схемотехнического решения –узла искусственной коммутации. Такая коммутация называется

искусственной коммутацией [12, 17, 19].) Принудительная коммута-

ция придает возможность регулировать выпрямленное напряжение

161

дру-гими способами, которым не присуща указанная особенность отстающего фазового регулирования. Здесь будут рассмотрены три таких способа:

•опережающее фазовое регулирование;

•широтно-импульсное регулирование выпрямленного напряжения;

•принудительное формирование кривой первичного тока выпря-

мителя.

3.11.1.ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ОПЕРЕЖАЮЩИМ ФАЗОВЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

Схема трехфазного мостового выпрямителя на запираемых тиристорах показана на рис. 3.11.1, временные диаграммы – на рис. 3.11.2.

Рис. 3.11.1

162