Тема: Повышение коэффициента мощности преобразователей и частот­ных электроприводов

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.
Купить

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.
Купить