Глава 6. Энергосберегающая энергетическая электроника

В т.З (точке подключения преобразователя) те же величины по первой гар­монике составят:

р* — р*.

' П(1> ' d '

т

■к

>2(*> , Л²<*>\.

йо, - е.* -2^_Л._ФА,А₂ ^sin^(/»^'+ ег■');

tg<Pn_(l> = 0п₍₁₎/^ гни-

(6.22) (6.23) (6.24)

где q = x_s/(n²x_K) - доля индуктивного сопротивления питающей сети в сопро­тивлении контура коммутации.

Кроме того, т. 1 характеризуется наличием высших гармоник в напряже­нии u_d, т. 2 — несинусоидальностью сетевого тока, а т. 3 - несинусоидально­стью тока и напряжения (см. рис. 6.17).

На рис. 6.18—6.19 приведены характеристики системы электроснабжения с СНВ, для которого v = 0, к_ж = 0, £, = к_и = 1. На рис. 6.18, а и б показаны воз­можности преобразователя в зависимости от тока нагрузки. Внешние харак­теристики СНВ на рис. 6.18, а свидетельствуют о том, что преобразователь способен выполнить любые требования потребителя по быстродействию, глу­бине и плавности регулирования электрического режима. Однако спектр на­пряжения на нагрузке сильно обогащен всеми четными высшими гармоника­ми, начиная со второй (см. рис. 6.18, б).

Рис. 6.18, в и 6.19 свидетельствуют о совместимости СНВ с питающей се-

udm(k)
0,8-
0,6
0,4
0,2-		1 I	1 >

10

6 б

Рис. 6.18. Внешние характеристики (а) и спектры напряжений, и^. = 0,787, (б) и сете­вого тока, \_а. = 0,074, (в) СНВ {к = номер гар­моники, а = 30 эл. град.)

6.3. Устройства с однократным преобразованием частоты

241

К_ни, %

tgq>,

П(1)

0,8-0,6-

0,4-1 0,2

О

О 0,015 0,03 0,045 0,06 I'd

а

а = 40
30
"~2_?П —
	а = 0	9 = 0,2

I'd в

О 0,015 0,03 0,045 0,06

О 0,015 0,03 0,045 0,06 I'd

б

Рис. 6.19. Зависимости коэффициентов несинусоидальности сетевого тока /' (а) и се­тевого напряжения и (б), а также коэффици­ента реактивной мощности СНВ от тока на­грузки I* (в)

тью. Спектр сетевого тока (см. рис. 6.18, в) насыщен нечетными высшими гармониками, что приводит к недопустимым для мощных систем элект­роснабжения коэффициентам несинусоидальности тока и напряжения (рис. 6.19, а и б). Причем коэффициент несинусоидальности напряжения по­вышается с возрастанием величины q, или, что то же самое, с увеличением отношения мощности преобразователя к мощности питающей сети. Одновре­менно СНВ является значительным потребителем реактивной мощности, что особенно проявляется при использовании фазового управления преобразова­телем (см. рис. 6.19, в).

Применение СКВ можно считать одним из наиболее эффективных спосо­бов компенсации реактивной мощности. СКВ способны при выполнении своей основной функции обеспечить снижение потребления и даже генериро­вание реактивной мощности в питающую сеть (рис. 6.20, б). Процесс компен­сации реактивной мощности в этом случае осуществляется оптимально, по­скольку осуществляется непосредственно в месте ее потребления. Кроме того, включением компенсирующего устройства в преобразователь можно воздей­ствовать на его внешние характеристики, делая их более или менее жесткими, по сравнению с СНВ (рис. 6.20, а). Жесткие характеристики целесообразны, если требуется поддержание на определенном уровне выпрямленного напря­жения (электрический транспорт), а мягкие — при поддержании выпрямлен­ного тока в установках (сварка, электролиз).

Наиболее эффективным способом снижения гармонического воздействия преобразователей как на питающую сеть, так и на нагрузку можно считать по-

242 Глава 6. Энергосберегающая энергетическая электроника

-			v = 0
			\
			/2
s\	\4	\.3

О 0,015 0,03 0,045 0,06 Id 0 0,015 0,03 0,045 0,06 Id

а б

Рис. 6.20. Внешние характеристики, сс_г = 0, (а) и зависимости коэффициента реактивной мощ­ности СКВ от тока нагрузки I* (б)

вышение фазности преобразования. На рис. 6.21 представлены принципиаль­ные схемы имеющих наибольшее практическое значение шестифазных (1—6) вариантов СКП. В качестве вентилей в этих и последующих схемах могут быть использованы диоды, тиристоры или, как в схеме на рис. 6.14, встречно вклю­ченные тиристоры.

Основная отличительная особенность электромагнитных процессов в шес­тифазных связана с тем, что они имеют не одну, как в двухфазном СКП, а две коммутирующие группы вентилей (четную и нечетную), состоящие теперь из трех вентилей. В схемах на рис. 6.21, а и б эти группы по отношению к на­грузке соединены параллельно и работают независимо, что в схеме а обеспе­чивается выравниванием потенциалов анодов одновременно работающих вен­тилей четной и нечетной групп с помощью уравнительного реактора УР.

А 1

В 1

;

4

111

₁

_I

₁

_D

згзгзгзг

БК

УР

_а

+

С 1 БК

п	Т
1 1
	j
14 3 6 згзпп	5 2 гни ;;

з

5

1 1 1бк

_ни

4

К|

2

а

в

Рис. 6.21. Принципиальные схемы шестифазных СКП:

а — нулевого с уравнительным реактором; б — нулевого с дополнительным стержнем в магнито-

проводе трансформатора; в — мостового

6.3. Устройства с однократным преобразованием частоты

243

В схеме б этот же эффект реализуется в результате наведения выравнивающих напряжений непосредственно в обмотках трансформатора, что обеспечивает­ся созданием пути для магнитного потока тройной частоты благодаря нали­чию дополнительного стержня трансформатора. В схеме в коммутирующие группы соединены последовательно.

Наличие в коммутирующей группе трех вентилей сокращает продолжи­тельность вентильного тока до 120 эл. град, (при допущении о мгновенной коммутации вентилей). Поэтому в отличие от рис. 6.16 временные диаграммы токов питающей сети и конденсаторов содержат участки с нулевым током и неизменным напряжением на конденсаторах. При указанной длительности в вентильном токе и соответственно во всех ветвях системы отсутствуют гармо­ники, кратные трем. В сетевом токе теперь содержатся лишь 1, 5, 7, 11, 13-я и подобные гармоники, коэффициенты несинусоидальности уменьшаются.

Каждая коммутирующая группа в отличие от двухфазного СКП создает три пульсации в напряжении на нагрузке. Во всех схемах коммутирующие группы включены на противофазные системы трехфазных напряжений. В результате на кривой выпрямленного напряжения отражен шестипульсный режим, а в спектре этого напряжения остаются лишь гармоники, кратные шести.

Представленные соотношения могут быть использованы и для расчета приведенных СЭС с шестифазными СКП, если принять vj/ = 2я/3, т = 3, к_лф = \3, для схем а и 6 (см. рис. 6.21) — А, = 1, А₂ = 2, а для схемы в — А, = 2, А₂ = 1. При этом следует иметь в виду, что в правой части выражения (6.23) множитель 2 необходимо заменить на 2/3. Внешние и энергетические харак­теристики с шестифазными СКВ и СНВ, за исключением спектров и коэф­фициентов несинусоидальности, в основном режиме работы преобразователей качественно подобны приведенным для двухфазного СКВ. С целью повыше­ния эффективности использования конденсаторов при сохранении той же длительности вентильного тока в шестифазных СКП возможно включение конденсаторной батареи на двойную частоту.

Широкое применение в системах электроснабжения установок электротех­нологии и транспорта нашли двенадцатифазные выпрямительные агрегаты. Для перевода их в компенсированный режим работы с целью резкого сниже­ния установленной мощности компенсирующих устройств КУ была предло­жена схема с фильтрацией в коммутирующие конденсаторы пятых и седьмых гармоник токов преобразовательных блоков. Принципиальные однолинейные схемы трех вариантов таких преобразователей представлены на рис. 6.22.

Временные диаграммы при мгновенной коммутации вентилей СКП пока­заны на рис. 6.22, г. Ток питающей сети, существенно приближенный к си­нусоиде, равен сумме сетевых токов шестифазных блоков, а ток конденсатор­ной батареи — их разности. Напряжения на конденсаторах преимущественно создаются пятыми и седьмыми гармониками токов блоков. Важным достоин­ством описываемых СКП является возможность включения КУ практически в любую точку системы электроснабжения. При низких напряжениях и боль­ших токах КУ целесообразно включать со стороны сетевых обмоток транс-

244 Глава 6. Энергосберегающая энергетическая электроника

_{ГЛ ГА +}

ВМ1

ВМ2

в

pJ| [Щ ₊ -%?

k /h" /'^sl

I_d(2/^-\2)h₂n 1_Л(\-\1<У)2к_гп г

Рис. 6.22. Принципиальные схемы и временные диаграммы двенадцатифазных СКП: а — схема с КУ на стороне ВН трансформатора; б — схема с КУ на стороне СН трансформатора; в — схема с КУ на стороне НН трансформатора; г — временные диаграммы токов и напряжения на конденсаторах

форматора (а), при обратном соотношении токов и напряжений — со сторо­ны вентильных обмоток (б), при любых токах и напряжениях возможно вклю­чение КУ на среднем напряжении (в). КУ имеют ряд дополнительных пре­имуществ, среди которых жесткое равномерное распределение постоянной составляющей выпрямленного тока между параллельно работающими шести-фазными блоками и удвоение фазности преобразования при одновременной работе СКП и СНП.

Для наиболее мощных потребителей постоянного тока, например мощных электролизных серий алюминия, цинка и др., следует применять двадцатиче-

6.3. Устройства с однократным преобразованием частоты

245

тырехфазные (и более) выпрямительные агрегаты. Схемных решений таких агрегатов много. Одна из принципиальных схем двадцатичетырехфазного компенсированного агрегата с регулированием от головного трансформатора приведена на рис. 6.23.

Сетевые обмотки шестифазных блоков соединены в звезду, треугольник и два треугольника с различным продолжением их сторон. Агрегат, кроме более улучшенных спектров выпрямленного напряжения и сетевого тока, имеет ис­ключительную симметрию по распределению постоянной составляющей тока, что обеспечивается равенством схем соединения вентильных обмоток, указан­ным выше способом при работе каждого из КУ в двенадцатифазных блоках и подбором емкостей в КУ1 и КУ2. В основном режиме работы характеристи­ки СКП, представленные на рис. 6.21 и 6.22, составлены с учетом схемного параметра

\|/ = n(2-VJ)/3. (6.25)

Рис. 6.23. Принципиальная схема двадцатичетырехфазного СКП

Зависимости на рис. 6.19 показывают, что процесс управления выпрямите­лем снижает энергетические показатели. С целью энергосбережения фазовое управление выпрямителями следует или исключать полностью (где это воз­можно), или применять специальные способы регулирования выпрямленного напряжения. К их числу следует отнести комбинированные способы (сочета­ние дискретного трансформаторного и плавного дроссельного или тиристор-ного управления), способы несимметричного управления, способы парамет­рической стабилизации тока или напряжения.

246