Силовые выпрямители для электролизеров

КПД выпрямителя

Энергетические показатели выпрямителей -это коэффициент полез­ного действия (КПД), коэффициент мощности χ и cosφ.

Качество выпрямленного напряжения характеризует коэффициент пульсаций.

КПДвыпрямителя определяется по формуле:

где ΔP — мощность потерь в выпрямителе; P_d — мощность на выходе выпрямителя.

.

КПД выпрямителя равен произведению КПД вентильной части η_в и КПД трансформатора η_Т (η = η_в η_Т).

КПД вентильной части

где ΔP_B - потери в вентильной части.

где ΔU_a — падение напряжения на проводящем вентиле; а — количество вентилей через которые последовательно проходит ток.

Учитывая P_d — ΔP_B, получим

0 0,2 0,4 0,6 0,8 Id/Idн   Рис. 4.21. Зависимость КПД вентильного (ВП) и электромашинного преобразователя (ЭМ) от загрузки

При напряжениях в сотни вольт КПД вентильной части составляет 0,98...0,99, а, учитывая, что КПД трансформатора средней мощности имеет примерно ту же величину, можно сделать вывод, что КПД выпрямителя больше 0,96. Следовательно, уже при напряжениях в сотни вольт полупро­водниковый выпрямитель по КПД близок к идеалу.

Из формулы η_в видно, что КПД полупроводникового выпрямителя не зависит от тока. С учетом имеющихся постоянных потерь (в трансформато­ре, системе управления и т.д.) КПД все же зависит от нагрузки. Но эта зави­симость существенно слабее, а КПД гораздо выше, чем в электромашинном преобразователе (рис. 4.21).

Контрольные вопросы

1. Что такое КПД, и как он определяется в выпрямителях?

2. Как и почему зависит КПД выпрямителя от тока нагрузки?

3. Как и почему зависит КПД выпрямителя от глубины регулирования?

Гармонические составляющие в выпрямленном напряжении и первичном токе

В выпрямленном напряжении имеются постоянная (полезная) и переменная (вредная) составляющие. Переменные составляющие в кривой выпрямленного напряжения (тока) называются пульсациями. Они содержат ряд гармоник. При частоте сети f основная частота пульсаций

где m — пульсность, равная произведению числа фаз на число выпрямляемых полупериодов.

При m > 1 амплитуда n-ой гармоники пульсаций в неуправляемом выпрямителе (в относительных единицах)

где n — номер гармоники по отношению к основной частоте пульсаций. Он соответствует натуральному ряду чисел 1, 2, 3…

Номер гармоники по отношению к частоте сети

С ростом номера гармоники ее амплитуда резко убывает, поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать только первую гармонику. Коэффициент пульсацийq — это отношение амплитуды первой гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения.

С точки зрения улучшения качества выпрямленного напряжения увеличение пульсности выгодно, т.к. увеличивается частота пульсаций и умень­шается их амплитуда. Коэффициент пульсаций резко растет с увеличением угла управления а. На рис. 4.22 видно, что при m = 6 изменение глубины регулирования от 1 до 0,4 вызывает увеличение коэффициента пульсаций от 0,057 до 0,8. Ток, потребляемый из сети выпрямителем, в общем случае несинусоидален. Он содержит ряд гармоник.

Рис. 4.22. Зависимость коэффициента пульсаций от глубины регулирования для различных схем; m1 – для схемы 4.28 (а)

Номера гармоник по отношению к частоте сети

Низшие гармоники имеют частоты

Выпрямители генерируют гармоники и посылают их в сеть. Чем выше пульсность, тем выше частота и меньше амплитуда гармоник, генерируемых в сеть, тем легче с ними бороться. Гармоники первичного тока искажают напряжение сети. Чем выше внутреннее сопротивление сети, тем сильнее искажения. Напряжение в сети становится несинусоидальным.

Недостатки полупроводниковых выпрямителей: вредное влияние на
питающую сеть за счет потребления несинусоидальных токов и пульсации в
выпрямленном напряжении (токе).

Контрольные вопросы

1 Что такое коэффициент пульсаций, и от чего зависит его величина?

2 От чего зависит частота основной гармоники пульсаций?

3 Какие гармоники есть в первичном токе?

Коэффициент мощности выпрямителя

Коэффициент мощности χ и cosφ определяют эффективность передачи электроэнергии через сеть: чем выше коэффициент мощности, тем большую активную мощность можно пропустить через ту же сеть при сохранении потерь в сети. Коэффициент мощности— это отношение активной мощности P, потребляемой из сети к полной мощности S. Установим связь между коэффициентом мощности и cosφ.

Примем допущение, что напряжение сети синусоидально. Тогда для трехфазной сети справедливы формулы:

Здесь I₁(₁) — действующее значение первой гармоники первичного тока, потребляемого из сети, φ — угол сдвига первой гармоники первичного тока относительно напряжения сети.

Коэффициент мощности

где v — коэффициент несинусоидальности тока.

Коэффициент несинусоидальности тока

где I₁(_n) - действующее значение n-ой гармоники первичного тока.

Чем меньше v, тем сильнее искажения. Отметим, что при прямоугольной форме первичного тока при m = 2v = 0,9, а при m = 6v = 0,955. Если ток с учетом коммутации трапециидальный, то v будет приближаться к единице.

Из рисунка 4.23 (а) видно, что в идеальном выпрямителе может возникать сдвиг между напряжением и первой гармоникой первичного тока. Этот сдвиг определяется только углом управления и не зависит от индуктивно­сти нагрузки. Следовательно, если выпрямитель идеален

Рис. 4.23. Диаграммы напряжений и токов в управляемом выпрямителе по однофазной нулевой схеме с естественной коммутацией при α = 30° для случая Ld =∞, La = 0 (а) и La ≠ 0 (б)

Следовательно, cosφ определяется глубиной регулирования. Уменьшениеcosφ при регулировании является серьезным недостатком управ­ляемых выпрямителей.

На рис. 4.24 показаны зависимости энергетических показателей идеального выпрямителя от глубины регулирования.

Рис. 4.24. Энергетические показатели управляемых выпрямителей в функции глубины регулирования (при Ld = ∞ , La = 0)

Временные диаграммы, построенные с учетом индуктивности рассеяния, приведены на рис. 4.23 (б). Из диаграмм следует, что в реальном выпрямителе cosφ еще более ухудшается, и

Выводы

Преимущества полупроводниковых выпрямителей: высокий КПД и малая зависимость КПД от нагрузки.

Недостатки: уменьшение cosφ, коэффициента мощности и ухудшение качества выпрямленного напряжения с ростом глубины регулирования; генерация высших гармоник, ухудшающих качество напряжения в сети.

Контрольные вопросы

7. Что такое коэффициент мощности и к чему приводит его уменьше­ние?

8. От чего зависит cosφ выпрямителя?

9. Каковы преимущества и недостатки полупроводниковых выпрямителей по сравнению с электромашинными преобразователями?

Пути улучшения энергетических показателей выпрямителей и уменьшения их вредного влияния на питающую сеть. Условно двенадцатифазная схема

Снижение содержания гармоник в первичном токе и в выпрямленном напряжении возможно за счет применения условно двенадцатифазной схемырис. 4.25 (а). В этой схеме две трехфазные мостовые схемы, фазные ЭДС которых сдвинуты на 30° из-за разных схем соединений трансформа­тора, работают на общую нагрузку. Это улучшает форму общего тока, по­требляемого из сети (см. рис. 4.25 б).

Рис. 4.25. Условнодвенадцатифазная схема выпрямления (а) и диаграммы первичных токов трансформаторов и суммарного тока, потребляемого из сети (б)

В результате пульсации на нагрузке становятся 12-кратными, а 5-я и 7-я низшие гармоники первичных токов каждого из мостов взаимно компенси­руются в общем токе, потребляемом из сети. Низшими гармониками, гене­рируемыми в сеть, становятся 11-я и 13-я.

Таким образом, пульсации выпрямленного напряжения и гармоники тока, искажающие напряжение сети, существенно уменьшаются и соответствуют двенадцатифазной схеме. Схема применяется при питании мощных электроприводов. Улучшаются только гармонические составляющие, но наcosφэто не влияет.

Схемы с нулевыми вентилями

Применение схем с нулевыми вентилями, шунтирующими выход выпрямителя (рис. 4.26 а), позволяет убрать отрицательные участки выпрямленного напряжения и сокращает длительность прохождения вторичного и первичного тока трансформатора, отрезая задний участок тока. При этом первая гармоника тока сдвигается вперед, угол φ уменьшается, cosφ увели­чивается (см. рис. 4.26 б). Это простейший способ некоторого улучшения ко­эффициента мощности управляемых выпрямителей.

Фазоступенчатое регулирование

Применение фазоступенчатого регулирования иллюстрируется на при­мере однофазной нулевой схемы с отпайками на вторичной стороне транс­форматора (рис. 4.27 а). Если отпайки сделаны от середин вторичных полу­обмоток, то выпрямленное напряжение при включении вентилей, подклю­ченных к ним, с углом управления равным нулю будет составлять половину полного напряжения, получаемого при включении крайних тиристоров. При этом в обоих случаях, если выпрямитель идеален, cosφ = 1.

Рис. 4.26. Однофазная мостовая схема с нулевым вентилем (а) и диаграммы токов и напряжений, иллюстрирующие ее работу при Ld = ∞ , La = 0 (б)	Рис. 4.27. Однофазная нулевая схема с фазоступенчатым регулированием выпрямленного напряжения (а), диаграммы выпрямленного напряжения при α2 = 0 (б) и энергетические показатели в функции глубины регулирования (в) при Ld = ∞ (штриховые кривые соответствуют обычной однофазной нулевой схеме)

Рис. 4.27 (б) иллюстрирует вид выпрямленного напряжения при совмест­ной поочередной работе всех вентилей. На рис. 4.27 (в) показано насколько повышаются энергетические показатели при применении этой схемы по сравнению с обычной однофазной нулевой схемой.

На рис. 4.28 (а) приведена схема, в которой та же идея реализуется в мно­гофазных схемах. Когда в схеме работают вентили V1...V12, то она сводится к двум трехфазным мостовым схемам, работающим через уравни­тельный реактор L_УР1 на общую нагрузку. Когда в схеме работают вентили V7... V14, то она сводится к схеме две обратных звезды с уравнительным ре­актором L_УР2.

Рис. 6.8. Трехфазная схема с фазоступенчатым регулированием (а), энергетические показатели данной схемы (сплошные линии) и трехфазной мостовой схемы (штриховые) в функции глубины регулирования (б)

Выпрямленные напряжения в этих случаях отличаются в два раза. При этом в обоих случаях, если выпрямитель идеален, cosφ = 1. На рис. 4.28 (б) по­казано насколько повышаются энергетические показатели при применении этой схемы по сравнению с обычной трехфазной мостовой схемой.

Все описанные выше схемы улучшают коэффициент мощности и cosφ, но не позволяют получить опережающий угол сдвига. Это невоз­можно при применении вентилей с неполной управляемостью и естест­венной коммутацией (коммутацией за счет энергии сети).

Применение искусственной коммутации для улучшения cosφ

Если обеспечить выключение вентилей до точки естественной коммута­ции, то можно до этой точки включить другой вентиль. Тогда угол α стано­вится меньше нуля, следовательно, и угол φ становится меньше нуля, и вы­прямитель для сети становится емкостной нагрузкой. Такое выключение вентилей называют искусственной коммутациейи для выключения ис­пользуют узлы коммутации, содержащие конденсаторы.

Применение искусственной коммутации иллюстрируется на примере однофазной нулевой схемы (рис. 4.29 а).

В обычной схеме процессы при угле управления α иллюстрируются временными диаграммами рис. 4.29 б. Но если параллельно вентилям подключить узлы искусственной коммутации, выключающие вентили в определенные моменты, то в эти же моменты с углом опережения α можно включить очередные вентили (см. рис. 4.29 б). Из временных диаграмм вид­но, что при этом ток, потребляемый из сети, опережает напряжение.

Это направление из-за сложности не получило широкого применения в электроприводе. Однако оно находит применение в электротехнологии. В рассмотрены возможности получения опережающего угла сдвига без применения дополнительных коммутирующих тиристоров.

а)	б)
в)
Рис. 4.29. Однофазная нулевая схема с искусственной коммутацией (а) и диаграммы напряжений и токов в схеме при α = 30º (б) и α = –30º (в) (диаграммы приведены для случая Ld = ∞ , La = 0)

Применение запираемых вентилей для улучшенияcosφ

Применение запираемых тиристоров открывает новые перспективы. На рис. 4.30 а приведена однофазная нулевая схема на запираемых тиристорах. Под действием запирающих управляющих импульсов тиристор V1 выклю­чается и одновременно включается тиристор V2 с углом опережения a (см рис. 4.30 б). Из временных диаграмм видно, что при этом ток, потребляе­мый из сети, опережает напряжение.

а)	б)
Рис. 6.9. Однофазная нулевая схема с искусственной коммутацией (а) и диаграммы напряжений и токов в схеме при α = 30º (б) и α = –30º (в) (диаграммы приведены для случая Ld = ∞ , La = 0)

Но, в реальном выпрямителе имеется индуктивность рассеяния L_a. При обрыве тока в цепи с индуктивностью возникают перенапряжения. Работа схемы становится невозможной. Для преодоления этих трудностей прихо­дится включать конденсатор большой емкости, куда передается энергия, накопленная в индуктивности рассеяния L_a.

Такое устройство сброса энер­гии приближает схему к схемам с искусственной коммутацией на незапи­раемых тиристорах. Наличие устройства сброса энергии существенно ус­ложняет электромагнитные процессы, по сравнению с обычными выпрями­телями.

На рис. 4.31 приведена трехфазная мостовая схема на запираемых тири­сторах. Она содержит трехфазное устройство сброса энергии (УСЭ).

Существенное усложнение схем выпрямителей на запираемых тиристо­рах, и следовательно, меньшая их надежность сдерживают их применение.

Рис. 4.31. Трехфазная мостовая схема на запираемых тиристорах

Контрольные вопросы к Теме 4

4. Каковы пути улучшения cosφ выпрямителя?

5. Каковы пути улучшения коэффициента пульсаций?

6. Поясните преимущества условно двенадцатифазной схемы.

7. Объясните принципы действия схем, повышающих коэффициент мощности.

8. Почему нельзя обеспечить опережающий угол сдвига при естествен­ной коммутации?

Тема 5. Особенности потребителей электроэнергии в электроосвещении