Лекции 11-12 - Конспекты, страница 12

Прохождение переменного электрическоготокасопровождаетсяИзменениевозникновениеммагнитногопотокапеременногомагнитногосопровождаетсяпотока.возникновениемэлектродвижущей силы (ЭДС) самоиндукции. Направление ЭДС самоиндукцииявляется встречным по отношению к току, который проходит в электрическойцепи. Это и является индуктивным сопротивлением XL, вызывающимотставание во времени переменного тока от переменного напряжения на уголсдвига фаз φ.Основную индуктивную нагрузку или индуктивное сопротивление всетях переменного тока представляют аппараты и машины, действие которыхосновано на использовании магнитного потока: электродвигатели, реакторы,трансформаторы, индукционные электрические печи и т.

д. Это есть основныепотребители реактивной мощности Q.Таким образом, в сети переменного тока есть потребители реактивной Qи активной P мощности. Потребителями активной мощности являютсяэлектроприёмники,которыепредназначеныдляконверсииэнергииэлектрического тока в механическую работу (электрические двигатели),химическиереакции(электролиз),свет(источникисвета)итепло(нагревательные приборы). Реактивная мощность Q в цепи переменного токанеобходимадлясозданиямагнитногопотокавэлектродвигателях,трансформаторах и других потребителях, и к тому же для преодоленияиндуктивного сопротивления проводников цепи переменного тока.Наличие в сети реактивной мощности и, следовательно, реактивного тока81Электропитание РЭАГлава 7.2Ip приводит, с одной стороны, к недоиспользованию обмотки генераторов поактивному току и, как следствие, к неполному использованию активноймощности генераторов, на которую они рассчитаны, а с другой – реактивнаясоставляющая тока, которая проходит по всем элементам сети от генераторовдо потребителя, вызывает дополнительные потери мощности, напряжения иэлектрической энергии.В современных условиях мероприятия по компенсации реактивноймощности приобретают нарастающее значение.

Эти меры являются одним издейственных средств, которые направлены на решение основополагающейзадачи – экономии топливно-энергетических ресурсов.Для большинствапотребителей реактивной мощности значение фазовогоугла φопределяется полнымсопротивлением фазы и зависит от реактивногосопротивленияэлектроприёмников. К таким электроприёмникам относятсялинииэлектропередачи,асинхронныедвигатели,трансформаторы,осветительныесети с газоразрядными лампами и т. д.

Значение фазового угладля другихпотребителей реактивной мощности не зависит от реактивногосопротивления и определяетсякоэффициентом искажения, который определяетгармоническийсоставкривойтокаистепеньюрегулированияпреобразованного напряжения. Например, сюдаможно отнести некоторыепреобразователи напряжения.Компенсация реактивной мощности обеспечивает разгрузку генераторовэлектростанций, питающих и распределительных сетей и трансформаторов отреактивных токов, и тем самым уменьшение потерь мощности, энергии инапряжения в линиях и трансформаторов.Вкачествекомпенсирующихустройствиспользуютсинхронныекомпенсаторы, батареи конденсаторов, реакторы, статические источникиреактивной мощности и синхронные двигатели.Итак, оптимальной нагрузкой для сети переменного тока является82Электропитание РЭАбезреактивноеГлава 7.2линейноесинусоидальнойсопротивлениеформепитающего–RН.Внапряженияэтомслучаеприu  t   U макс sin tток,протекающий в такой цепи, будет также описываться синусоидальнойфункцией:i t  U максsin t  I макс sin t .RН(7.172)При этом мгновенная мощность, потребляемая из сети:p  t   i  t   u  t   U макс I макс sin 2 t (7.173) U макс I макс  U макс I макс cos  2t  .Если нагрузка носит реактивный характер, например, Z  RН  j L , тоi t  U максsin t     I макс sin t    .Z(7.174)Мгновенная мощность, потребляемая в этом случае, определяется какp t   i  t   u t  (7.175) U макс I макс cos   U макс I макс cos  2t   и имеет пульсирующий вид, при этом она знакопеременна.Положительныеучасткизависимостимощностиотвременихарактеризуют передачу энергии из сети в нагрузку, а отрицательные – возвратчасти энергии, накопленной в магнитном поле индуктивности, в сеть.

Перваясоставляющая в предыдущей формуле порождает активную мощность Р, авторая – реактивную Q. Реактивная мощность Q бесполезно перекачивается изсети в нагрузку и обратно, вызывая потери в сетевых проводах и не производяполезной работы.ПроизведениеS  UIназываютполноймощностью,аcos –коэффициентом мощности нагрузки, который учитывает фазовый сдвиг токаотносительно напряжения.Рассмотрим случай, когда подключённая к сети нагрузка является нетолько реактивной, но и нелинейной, так как она вносит серьёзные искажения в83Электропитание РЭАГлава 7.2форму потребляемого тока. В этом случае его можно представить суммойпервой гармоники и гармоник высшего порядка:i  t   i1   in .(7.176)n 2Тогда мгновенная мощность, потребляемая из сети, составит:p  t   i  t   u  t   i1 u  t    inu  t  .(7.177)n 2При этом активная мощность, выделяемая в нагрузке, будет иметь вид:P  UI1 cos1 ,(7.178)где φ1 – угол сдвига первой гармоники тока относительно напряжения.Таким образом, активную мощность в нагрузку передаёт только перваягармоника тока, потребляемого из сети.

Отношение активной и полноймощностей характеризуется коэффициентом мощности нагрузки:P UI1 cos 1 I1 cos 1 .SUII(7.179)Из этого выражения следует, что коэффициент мощности зависит нетолько от угла сдвига первой гармоники тока φ1, но и от отношения I1 / I ,которое определяет степень искажения тока высшими гармониками, т.е.

отформы тока.Смысл термина "коэффициент мощности" (power factor) в областипроектирования ИЭП несколько отличается от традиционного, имеющегоотношение к реактивным нагрузкам переменного тока (электродвигателии т. д.). Дело в том, что в ИЭП проблема заключается лишь во входной цепивыпрямления и фильтрации.Применение импульсных ИЭП с конденсаторами большой ёмкости вфильтре сетевого выпрямителя приводит к снижению коэффициента мощностиза счёт возрастания реактивной (ёмкостной) составляющей потребляемого изсетитокаи,соответственно,к84появлениювысшихгармоникЭлектропитание РЭАГлава 7.2(обычно 3-й, 5-й, 7-й,…15-й). Типовое значение коэффициента мощности вэтом случае составляет 0,4-0,6.Действительно, форма тока, потребляемого от сети выпрямителем сфильтрующимконденсатором,отличаетсяотсинусоидальной,чтопроиллюстрировано на рисунке 7.89. Это связано с тем, что ток выпрямителятечёт только в случае, когда напряжение в сети больше напряжения наконденсаторе.

На практике зона проводимости выпрямителя ограниченапримерно 15° в области пика напряжения. Следствием этого являются большиеимпульсы потребляемого тока с амплитудой, в несколько раз превышающейноминальное значение тока потребления – и, очевидно, появление реактивнойсоставляющей потребляемой от сети мощности.Рисунок 7.89 – Формы напряжения и тока в сети при использованиивыпрямителя с ёмкостным фильтромДопустимый уровень эмиссии гармонических составляющих тока,потребляемого ИЭП, регламентируется ГОСТ Р 51317.3.2-99 (до 16 А в фазе идо 600 Вт). Однако гармонический состав потребляемого тока может неудовлетворять требованиям данного ГОСТ.В этой связи, начиная с конца 1990-х гг., в соответствии с известнымидирективами Евросоюза, за рубежом стали быстро развиваться импульсные85Электропитание РЭАГлава 7.2ИЭП с коррекцией коэффициента мощности (Power Factor Correction – PFC).Такие ИЭП могут обеспечить коэффициент коррекции порядка 0,97-0,99, тоесть практически синусоидальную форму потребляемого из сети тока.Вступившие в действие в Европе и в других развитых странах мира новыестандарты ЭМС (EN61000-3-2-95; IEC 6100-3-2) вызвали в России появлениеаналогичных стандартов, в частности, ГОСТ Р 51317.3.2-99.Для уменьшения содержания высших гармоник тока при построенииИЭП с корректором коэффициента мощности (ККМ) используют два способа:1.

Пассивная коррекция: установка НЧ-дросселя (без зазора) в цепипеременного тока после сетевого фильтра или стандартного НЧ-дросселя (сзазором) после выпрямителя.2. Активная коррекция.Вобщемслучаесхемыкоррекциикоэффициентамощностипредназначены для увеличения угла отсечки выпрямителей, а также для того,чтобы придать сигналу входного переменного тока синусоидальную форму исогласовать её по фазе с сигналом напряжения.Первый способ применим для сравнительно маломощных ИЭП (до 50100 Вт) из-за неудовлетворительных массогабаритных показателей подобныхНЧ-дросселей, особенно в ИЭП, для которых критична цена разработки.При втором способе после сетевого выпрямителя низкочастотноепульсирующее напряжение поступает обычно на повышающий (бустерный)импульсный стабилизатор напряжения, работающий на высокой частоте.

Вэтом случае целесообразно применение керамического конденсатора ёмкостью1-10 мкФ на выходе сетевого выпрямителя. Конденсатор облегчает запусккорректора и, что немаловажно, уменьшает уровень помех – как на частотепереключения, так и коммутационных. Схема типового ИЭП с активным ККМприведена на рисунке 7.90.86Электропитание РЭАГлава 7.2Рисунок 7.90 – Схема ИЭП с активным ККМПрименение повышающего стабилизатора обусловлено главным образомтем, что он позволяет получить максимально близкое к единице значение cosφ,повысить входное напряжение и тем самым снизить потребляемые токи(снижается нагрев в первичной обмотке, уменьшаются статические потери включах на первичной стороне).В общем случае ККМ должен выполнять следующие функции:- придание потребляемому от сети току синусоидальной формы;- ограничение выходной мощности;- защита от короткого замыкания;- защита от пониженного и повышенного напряжения.На рисунке 7.90 в состав ККМ входят: накопительный дроссель L2,силовой МОП-транзистор VT1, бустерный диод VD5, выходной буферныйконденсатор C2 и контроллер.

Выпрямленное сетевое напряжение (среднеезначение) повышается в 1,5-2 раза и стабилизируется на уровне 350…400 В.Стабилизация выходного напряжения ККМ осуществляется ШИМконтроллером, работающим от комбинированных сигналов управления: от ОСпо напряжению – с делителя напряжения R1-R2 на выходе ККМ; от ОС по току(токовое управление) – с датчика тока (на схеме не показан). Такое управлениетакже ограничивает амплитуду выходного тока и его пульсации, в том числе инизкочастотные (100-120 Гц). Управление ШИМ осуществляется сигналом,87Электропитание РЭАГлава 7.2формируемым СУ таким образом, чтобы протребляемый ток по форме совпадалс выпрямленным напряжением.

Прямое корректирующее воздействие сделителя выпрямленного напряжения увеличивает быстродействие ККМ прирезких изменениях (бросках) сетевого напряжения. При использованииактивного ККМ, благодаря наличию двух контуров стабилизации напряжениясравнительно несложно реализовать ИЭП с универсальным входом: онспособен работать в широком диапазоне изменения входного напряжения(сетевого переменного ~85…~264 В с частотой 47-440 Гц или постоянного 120374 В).АктивныйККМпозволяетсущественноуменьшитьуровеньгенерируемых кондуктивных помех во входной (силовой) цепи ИЭП, посколькуво время открытого состояния силового ключа практически нет режекциипомех от преобразователя в ИЭП. Это объясняется тем, что, во-первых,сопротивление МОП-транзистора в открытом состоянии очень мало, абустерный быстродействующий диод заперт обратным напряжением, равнымвыходному напряжению ККМ.ККМ разделяют по режиму работы индуктора на ККМ с прерывистымрежимом работы и на ККМ с непрерывным режимом работы.