567_Kozljaev_JU._D._SAbornik_zadach_i_uprazhnenij_po_kursu_EHlektropitanie_

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Табл. П1. Характеристики распространенных в электротехнике сигналов

31

32

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Пример моделирования сложного сигнала в среде P-SPISe

А. Временная диаграмма сигнала

Сигнал получен произведением пилообразного сигнала (с амплитудой Апил = 10 В и частотой fпил = 1 кГц) и синусоидального (с амплитудой

Асин = 7,05 В и частотой fсин = 50 Гц).

Б. Спектральная диаграмма сигнала

Амплитуда основной гармоники сигнала (с частотой 50 Гц) равна 35 В. Частоты высших гармоник кратны значениям K = (М ± 1)k по отношению к основной частоте, где М = fпил/fсин = 20, k ‒ номер гармоники пилообразного сигнала (k = 1,3,5…). Действующее значение сигнала Sд ≈ 30.4 В.

33

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

Табл. П3.1. Варианты контрольных заданий. Задачи уровня А

34

Табл. П3.2. Варианты контрольных заданий. Задачи уровня Б

35

Табл. П3.3. Варианты заданий к задачам уровня В

36

ЧАСТЬ 2. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. РАБОЧИЕ ХАРАКТИРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ

Источники электрической энергии (ИЭЭ) условно делят на две группы ‒ первичные и вторичные. Первичные ИЭЭ преобразуют различные (неэлектрические) виды энергии (механическую, химическую, тепловую, световую и др.) в электрическую. Примерами первичных источников являются синхронные генераторы переменного однофазного или трехфазного тока, термоэлектрические генераторы постоянного тока, химические источники постоянного тока (гальванические элементы, аккумуляторы), солнечные батареи. По формальному признаку для потребителя сети общего энергоснабжения (СОЭ) также являются первичными источниками. Основные электрические характеристики энергии, поставляемой потребителю, регламентируются стандартами и контролируются на границе балансовой принадлежности, определяемой договором с электроснабжающей организацией.

Вторичные ИЭЭ преобразуют энергию первичных источников для получения энергии с определенными количественными и качественными показателями. Преобразование может включать изменение уровней напряжения и тока, их регулирование, изменение рода тока (преобразование постоянного тока в переменный ток, или наоборот).

Основным ИЭЭ являются сети переменного тока общего электроснабжения, остальные дополняют их для решения определенных технологических задач. В частности, химические источники тока обладают способностью сохранять и пополнять запас энергии, что определило их основную область применения в качестве резервных источников, на случай отказа основных или резервных источников энергии.

1. Полная мощность переменного тока. Составляющие полной мощности энергопотребления

Полная мощность, потребляемая линейными нагрузками от источника синусоидального напряжения, определяется произведением действующих значений напряжения и тока. При комплексной нагрузке результирующие (полный) ток (I) и мощность (S) представляются «квадратической» суммой ортогональных составляющих, активных (Ia ,Р) и реактивных (Iq, Q ):

При нелинейных нагрузках ток в цепи не синусоидален. В спектре тока присутствуют гармонические составляющие с частотой, кратной частоте напряжения сети. Соответственно, в расчетных выражениях полного тока и полной мощности появляются дополнительные компоненты реактивной природы, получившие названии тока искажения и мощности искажения. Подробнее смотрите раздел 3, п.3.1.

37

Очевидно, первичный источник должен обеспечить потребителю полную мощность, вместе с тем, «полезная» работа определяется только активной составляющей Р = S Км, где Км ‒ коэффициент мощности потребителя или устройства (системы), численно определяющий эффективность использования полной мощности потребления. Важно отметить существенную зависимость потерь энергии или мощности в системе энергопередачи от величины Км потребителя. Это связано с различием действующего значения полного тока по отношению к активной составляющей тока первой гармоники при Км < 1.0. В общем случае, зависимость потерь мощности в цепи с относительной величиной сопротивления цепи r = Rц/Rн (Rн ‒ активная составляющая сопротивления нагрузки) величины Км нагрузки описывается выражением:

Из 2.1 следует, что при r = 0.1 и изменении Км от 1.0 до 0.5 относительная величина потерь (Δр = Рц /Рн) возрастает на 30 % (от 0.1 до значения 0.4).

Для трехфазных источников мощность потребления определяется суммой мощностей трех фаз. В технике связи распространены четырех проводные системы распределения энергии, получаемой от СОЭ (три фазных+нейтральный провод). Диапазон потребляемых мощностей варьируется от единиц до нескольких сотен тысяч кВА.

2. Основные энергетические характеристики и показатели источников питания

Источники питания являются элементами сложных систем генерирования и передачи энергии потребителю, поэтому задача повышения надежности и энергоэффективности предприятий требует корректного учета и использования технических возможностей источников, регламентируемых разработчиком. Из большого перечня электрических характеристик и показателей ниже приводятся наиболее важные для проектирования и эксплуатации источников и систем питания.

2.1. Коэффициент полезного действия ( ), тепловые потери мощности

Коэффициент полезного действия определяется отношением активных мощностей на выходе (Рвых) и входе (Рвх) источника. Разница названных мощностей определяет величину потерь (ΔР):

Мощность потерь в большинстве случаев можно представить суммой статических потерь ( Рi ), обусловленных током нагрузки ( Pi I2 Ri , Ri ‒ эквивалентное внутреннее сопротивление, источника, приведенное к его выходным

38

зажимам) и динамических потерь, определяемых частотными свойствами элементов схем ( Pf Kf Pfo , где ∆Pfo ‒ потери при нормированной частоте fo). Таким образом, кпд источника является функцией тока и частоты (рис. 2.1), причем, кпд достигает максимума при условии Pf Pi . Пунктиром показана ожидаемая зависимость f(I) при реализации в источниках условия Pf Pi

при изменении тока нагрузки. Очевидно, это условие может быть реализовано изменением частоты преобразования при изменении величины тока нагрузки.

Мощность потерь рассеивается в виде тепла и определяет тепловой режим источников. Для предупреждения аварий, связанных с перегревом элементов преобразовательных устройств, предусматривается комплекс технических решений, направленных как на снижение мощности потерь, так и на улучшение условий отбора тепла от «горячих точек» и выброса его в окружающую среду.

2.2. Выходной коэффициент мощности источника переменного тока

(Км(вых)=Pвых/Sвых)

Величина коэффициента мощности при питании линейного потребителя, объявляемая изготовителем источника, гарантирующего условие получения максимальной (паспортной) величины полной мощности на выходе. При питании потребителя от СОЭ таких условий не фиксируется, однако, потребитель часто вынужден предусматривать меры для повышения Км для снижения полной мощности потребления.

2.3. Входной коэффициент мощности источника (Км(вх))=Рвх/Sвх)

Вторичные источники питания по отношению к первичным являются потребителями энергии, характеризуемые активной и полной мощностью входа. Без применения специальных технических решений Км(вх) может быть достаточно мал (0.56…0.7). Введение в схему источников специальных узловкорректоров коэффициента мощности позволяет получить Км(вх) 1.0 и умень-

39

шить Sвх до уровня Рвх. На практике возможны решения, когда нагрузка переменного тока питается от сети через УБП, у которого Sвх > Sвых. При условии Км(вых) < Км(вх) действующий ток на входе УБП может быть меньше выходного тока!

2.4. Номинальные активная (Рном) и полная (Sном) выходные мощности

Максимальные мощности получаемые на выходе источника в длительном режиме эксплуатации при оговоренных производителем оборудования условиях (например, при фиксированном коэффициенте амплитуды тока нелинейной нагрузки или коэффициенте мощности линейной нагрузки равном величине

Км(вых).

2.5. Внешняя характеристика (ВХ)

ВХ определяет зависимость выходного напряжения от величины тока нагрузки источника. Нагрузка предполагается линейной. Для источников переменного тока, кроме того, накладывается ограничение на постоянство частоты и коэффициента мощности нагрузки. Например, U = f(I) ǀ cosφ = 0.7. На рис. 2.2 а показана схема цепи передачи энергии в нагрузку ZH от источника переменного тока с эдс Е и комплексным внутренним сопротивлением Zi = Ri + jXi.

Нагрузка также может быть комплексной: ZH = RH + jXH = Z e j , arctg XH . В

R H

общем случае уравнение внешней характеристики записывается в виде:

На рис. 2.2 б показана векторная диаграмма напряжений для случая активноиндуктивной нагрузки (вектор тока отстает от вектора напряжения на угол

0 . Из выражения (2.3) и диаграммы видно, что величина выходного напряжения (длина вектора U) зависит от тока, величины и знака угла . На рис. 2.2 в показано «семейство» ВХ при разных фазовых параметрах нагрузки. Наибольший наклон имеют ВХ при активно-индуктивных нагрузках ( соs( ) 0 ). При

активно-емкостных нагрузках возможны режимы, в которых U I Е .

40