ВВЕДЕНИЕ 3
1 Анализ режимов работы, коэффициента мощности и электромагнитной совместимости преобразовательных установок и частотных электроприводов 10
1.1 Режимы работы и коэффициент мощности выпрямительных преобразователей 10
1.2 Гармонические составляющие в вы прямленном напряжении и первичном токе 20
1.3 Режимы работы и коэффициент мощности преобразователей частоты 26
1.4 Электромагнитная совместимость выпрямителей и частотных электроприводов 28
2 Повышение коэффициента мощности и электромагнитной совместимости преобразователей и частотных электроприводов 36
2.1 Увеличение числа фаз и выбор схемы трансформатора преобразователей 36
2.2 Исследование применения резонансных фильтров и емкостных батарей 43
2.3 Применение активных методов коррекции коэффициента мощности в преобразовательных установках 48
3. Разработка и исследование эффективных технических решений повышения коэффициента мощности и электромагнитной совместимости преобразовательных установок и частотных электроприводов 79
3.1 Исследование работы транзиторного инвертора с широтно-импульсной модуляцией 79
3.2 Исследование электромагнитной совместимости при работе асинхронного частотного электропривода 84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 87
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 88
Электрические нагрузки потребляют из сети активную электроэнергию для выполнения определенной работы (компьютеры, принтеры, диагностическое оборудование и т. д.) или для преобразования электрической энергии в другие виды энергии (осветительные или нагревательные приборы и т. п.) либо в механическое движение (электродвигатели и т. п.). Для того чтобы потреблять активную энергию, многим нагрузкам необходимо обмениваться с сетью еще и реактивной энергией. Большинство нагрузок имеют, как правило, индуктивный характер. Такой обмен, даже если он не сопровождается немедленным преобразованием энергии в иные формы, увеличивает общий поток энергии в сети, от генераторов к потребителям. Этот нежелательный процесс ограничивают путем коррекции коэффициента мощности электроустановок по- средством конденсаторных батарей. Электроустановка получает необходимую для передачи полезной электрической энергии реактивную энергию не из сети, а от собственной батареи, что улучшает ее технические и экономические характеристики. Еще одна актуальная проблема связана с широким применением потребителей постоянного тока, таких как электронные устройства или электродвигатели. Эти потребители создают в сети гармоники тока, которые искажают форму напряжения и тока на других нагрузках. Для борьбы с гармониками применяются фильтры, пассивные или активные, которые улучшают качество электроэнергии в сети и, при условии правильно выбранных параметров, вносят свой вклад в коррекцию коэффициента мощности. Цель данной статьи - проанализировать указанные проблемы, не вдаваясь в технические детали. Для начала мы определим, что такое коррекция коэффициента мощности, а затем обсудим технико- экономические преимущества, формы и способы такой коррекции, а также выбор аппаратов для коммутации конденсаторных батарей и фильтрации гармоник.
В цепях переменного тока потребляемый ток можно разложить на две составляющие: активная составляющая, IR, совпадает по фазе с напряжением питания, она непосредственно связана с выходной мощностью (т.е. с той частью энергии, которая преобразуется в иные виды - механическую, световую, тепловую и т.д.): реактивная составляющая, IQ, сдвинута относительно напряжения на 90°, она характеризует интенсивность обмена энергий между источником и нагрузкой, обусловленного колебанием магнитных и электрических полей. Без таких колебаний невозможен, например, перенос мощности между сердечником и обмоткой трансформатора или через воздушный зазор электродвигателя. Как правило, нагрузки имеют активно-индуктивный характер, полный ток I отстает в них от активной составляющей IR. Поэтому в электрических установках требуется генерировать и передавать помимо активной мощности P некоторое количество реактивной мощности Q. Эта мощность необходима для преобразования электроэнергии, но она не потребляется нагрузкой, а передается от сети к приемниками и обратно. Совокупная мощность, генерированная и переданная системой, называется полной мощностью S. Коэффициент мощности cos ср - это отношение активной составляющей тока IR к полному току I; ср представляет собой угол сдвига фаз между напряжением и током. Для определенного фазного напряжения V он равен: cos ф = Ir/I = P/S. В таблице 1.1 представлены типичные значения коэффициента мощности для некоторых видов электрооборудования. Cos ф от типа нагрузки:
— Коэффициент мощности Трансформаторы (без нагрузки) 0.1-0.15.
— Двигатели 0.7-0.85
— Оборудование для обработки металлов:
- дуговая сварка 0.35-0.6
- дуговая сварка с компенсацией реактивной мощности 0.7-0.8
- контактная сварка 0.4-0.6
- электродуговая печь 0.75-0.9
— Люминесцентные лампы:
- с компенсацией - коэффициент мощности 0.9
- без компенсации - коэффициент мощности 0.4-1.6
— Выпрямители 0.6-0.95
— Приводы постоянного тока 0.4-0.75
— Приводы переменного тока 0.95-0.97
Активная нагрузка с улучшением коэффициента мощности называют меры, предпринимаемые для повышения коэффициента мощности определенной части электроустановки. Для получения положительного эффекта на узле сети, используют метод создание в определённом узле сети необходимой реактивной мощности, которая обратно реактивной мощности нагрузки, таким образом, беря реактивную мощность на себя, не позволяя негативной реактивной нагрузке, сообщатся с источником питания. Таким образом, мы можем увеличить пропускную способность сети, и всех ее элементов. Подробнее мы обсудим это в следующей главе. С чисто технической точки зрения электроустановка с правильно подобранными параметрами может хорошо работать и при низком коэффициенте мощности, поэтому не существует стандартов, предписывающих электроустановкам определенный коэффициент мощности. Однако повышение коэффициента мощности дает ряд технических и экономических преимуществ. Фактически, эксплуатация электроустановки с низким cos ф означает повышенные расходы для энергоснабжающей компании, которая, естественно, стремится ввести тарифы, делающие эксплуатацию таких электроустановок невыгодными. Законодательные меры, действующие в большинстве стран, создают такую систему тарифов, при которой за высокое потребление реактивной мощности (пороговый соыр равен 0,9) приходится платить штрафы. Размер штрафов зависит от уровня напряжения (высокое, среднее, низкое) и коэффициента мощности. Потребители электроэнергии должны решать, что им выгоднее: платить штрафы или вложить средства в коррекцию коэффициента мощности.
Коррекция коэффициента мощности (PFC) необходима для преобразователей переменного тока в соответствии с требованиями международных стандартов, таких как IEC 61000-3-2 и IEEE-519. PFC может уменьшить гармоники в линейном токе, увеличить Эффективности и мощности энергосистем, а также сократить счета за коммунальные услуги клиентов. Однофазные диодные выпрямители широко используются для промышленного применения. Многие традиционные импульсные источники питания в оборудовании для обработки данных и в системах привода с низким потреблением энергии работают путем выпрямления входного сетевого напряжения переменного тока и фильтрации с помощью крупных электролитических конденсаторов. Конденсатор потребляет ток короткими импульсами. Это вносит ряд проблем, включая снижение доступной мощности и увеличение потерь. Этот процесс включает в себя как нелинейные элементы и элементы памяти, так и приводит к генерации гармоник в линейном токе. Нелинейные характеристики нагрузок, таких как телевизоры, компьютеры, факсы и двигатели с регулируемой частотой вращения (используемые в кондиционировании ) Произвели гармонические искажения в электрических распределительных системах. Однако при работе в больших количествах кумулятивный эффект этих нагрузок может вызвать серьезные гармонические искажения. Это приводит к плохому качеству электропитания, искажениям напряжения, низкому коэффициенту мощности на входе переменного тока, медленно меняющемуся пульсации постоянного тока на выходе и низкому КПД. Входной ток имеет узкие импульсы, которые, в свою очередь, увеличивают его значение. Здания с большим количеством компьютеров и оборудования для обработки данных также испытывают большие нейтральные токи, богатые токами третьей гармоники. Поэтому для экономии энергии необходимы уменьшение гармоник входного тока и улучшение работы силовых коэффициентов приводов электродвигателей. Было предложено множество методов для решения проблемы слабого коэффициента мощности, который можно отнести к активным и пассивным методам. Неидеальный характер этих входных токов создает ряд проблем для распределительной сети и других электрических устройств в окрестности выпрямительных систем. Этот подход имеет много недостатков, в том числе:
1) Высокие входные гармонические составляющие тока.
2) Низкая эффективность выпрямителя из-за большого среднеквадратичного значения входного тока.
3) Искажение напряжения переменного тока в сети из-за связанных пиковых токов.
4) Максимальный коэффициент входной мощности составляет приблизительно 0,6, тогда как для мощного коэффициента мощности с большим входным напряжением требуется большая индуктивность фильтра.
Если не использовать какую-либо схему коррекции, входной выпрямитель с емкостной фильтрующей схемой будет вытягивать пульсирующие токи из энергосистемы, что приводит к плохому качеству питания и высокому гармоническому содержанию, что отрицательно сказывается на других пользователях. Ситуация привлекла внимание регулирующих органов всего мира. Правительства ужесточают правила регулирования, устанавливают новые спецификации для низких гармонических токов и ограничивают количество гармонических токов, которые могут генерироваться. В результате возникает потребность в уменьшении тока гармоник линии, что требует необходимости коррекции коэффициента мощности (PFC) и схем уменьшения гармоник
Целью квалификационной работы является повышение коэффициента мощности и электромагнитной совместимости преобразователей и частотных электроприводов, путем применения активных фильтров и корректоров коэффициента мощности.
Задачи, которые необходимо выполнить для достижения поставленных целей:
• Анализ причин низкого коэффициента мощности преобразовательных установок и частотных электроприводов.
• Исследование способов повышения коэффициента мощности преобразовательных установок и частотных электроприводов.
• Разработка и исследование эффективных технических решений методом математического моделирования в среде MATLAB.
Новизна магистерской диссертации.
1. Дано обоснование применения активных фильтров корректоров коэффициента мощности с целью повышения коэффициента мощности и электромагнитной совместимости преобразователей и частотных электроприводов.
2. Разработаны математические и имитационные модели для исследования и произведен выбор активного фильтра и корректора коэффициента мощности.
Практическая значимость
Разработанные математические и имитационные модели могут быть использованы в учебном процессе и научной деятельности на кафедре «Электроснабжение и электротехника».
При написании диссертации были написаны и опубликованы 3 научные
1. Густилин А.А., Губарев В.А. Коэффициент мощности в системе привода AC-DC-AC с регулятором напряжения на инверторе / А.А. Густилин, В.А. Губарев // Развитие инструментов управления научной деятельностью: Сборник статей международной научно-практической конференции (18.05.17). В 4 ч. Ч.2 - Уфа: МЦИИ ОМЕГА САЙНС, 2017. - 250 с. Стр.59-61.
2. Губарев В.А., Густилин А.А. Использование переключения с треугольника в звезду для регулировании напряжения в преобразовательных трансформаторах / В.А. Губарев, А.А. Густилин // Тенденции и перспективы развития науки XXI века: Сборник научных статей. Выпуск 33. В 2ч. Ч.2. - Уфа 2017 С. 48-50.
3. Густилин А.А., Денисов В.А. Коррекция коэффициента мощности преобразовательных установок / А.А. Густилин, В.А. Денисов // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии (ПЭЭЭ-207), Тольятти 1-2 ноября 2017, ФГБОУ ВО Тольяттинский государственный университет. - 592 с. С. 481-486.
Структура и объем магистерской диссертации.
Магистерская работа состоит из введения, трех основных глав, заключения и списка использованных источников, включающего 30 наименований. Основная часть работы представлена на 91 станицах машинописного текста. Работа содержит 2 таблицы и 48 рисунков.
1. Использование полупроводниковых преобразователей ведет к ухудшению качества сети, а точнее к искажению тока и напряжения, в связи с наличием нелинейных характеристик, в то время как в нынешнее время использования сверхчувствительной техники, это может привести к серьезным последствиям. Поэтому начали появляться регламенты регулирующие данные параметры, такие как коэффициент мощности. И соответственно возникает необходимость в его коррекции.
2. За время существования полупроводниковой техники появилось множество методов коррекции коэффициента мощности с начала это были простые элементы в виде резонансных контуров для подавления гармоник. Это простое и надежное решение применяется, и все еще являются актуальными, день в системах с малыми требованиями к коэффициенту мощности. С появление микропроцессорной техники был придуман новый способ, основанный на коммутации с высокой частотой и системой управления регулирующие данные коммутации. Таким образом, появились активные корректоры коэффициента мощности. За счет контроля перетока электромагнитной энергии в колебательном контуре появляется своего рода возможность модулировать кривую тока, приближая ее к кривой напряжения и тем самым повышая коэффициент мощности и снижая негативные последствия. Такие системы применяются в высокоточной технике.
3. Используя программную среду MATHLAB, была разработана система компенсации коэффициента мощности в частотных преобразователях и реализована. Исходя из анализа модели питания частотного электропривода без ККМ и с активной ККМ, делаю вывод что мне удалось уменьшить потребляемы ток с 3,5 А до 3,1 А, а так же было достигнуто повышение коэффициента мощности с 0,6 до 0,95, а также удалось уменьшить гармонические составляющее потребляемого тока.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
