«электронная техника и преобразователи в электроснабжении»

Дата: 2025-06-02; Просмотры: 7

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПЛРТА (МИИТ)

_____________________________________________________________________________

КАФЕДРА «ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА ТРАНСПОРТА»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине:

«ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ»

Выполнил: студент группы

ТСЭ-412

Принял: профессор Бадёр М.П.

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)

Кафедра “Электроэнергетика транспорта”

ЗАДАНИЕ

к курсовому проекту по дисциплине

«ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА

И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ»

Студенту________________________________________группы___________

Содержание задания

Расчет и анализ основных параметров и энергетических характеристик преобразовательных агрегатов тяговых подстанций

1. Вычертить схему преобразователя (управляемогоили неуправляемого) тяговой подстанции.

2. Провести анализ и синтез параметров и основных энергетических характеристик заданного преобразователя:

а) эффективность использования преобразовательного трансформатора;

б) коммутационные процессы в преобразователе и его внешняя характеристика;

в) обоснование и выбор типа и количества полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов с изолированным затвором).

3. Провести исследование аварийных режимов при эксплуатации полупроводниковых преобразователей и определить защиту от них:

а) провести расчет токов короткого замыкания на выходе преобразовательного агрегата;

б) провести проверку полупроводниковых приборов на электродинамическую и термическую устойчивость действия токов короткого замыкания.

4. Провести анализ качества выпрямленного напряженияпреобразователя (управляемогои неуправляемого) тяговой подстанции:

а) вычертить кривые выпрямленногонапряжениядля режимов работы: х.х., 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100% нагрузки;

б) описать аналитически кривую выпрямленного напряжения ;

в) произвести расчет гармонических напряжений в кривой выпрямленного напряжения тяговой подстанции для заданных в п. 3 режимов работы;

г) рассчитать коэффициент полной волнистости кривой выпрямленного напряжения и величину эквивалентного мешающего напряжения на выходе преобразовательного агрегата.

5. Выбрать фильтр-устройство тяговой подстанции. Рассчитать коэффициент сглаживания фильтр-устройства. Определить величину высших гармонических на выходе тяговой подстанции с учетом влияния фильтра.

6. Провести исследования искажения сетевого тока преобразователя тяговых подстанций:

а) вычертить кривые тока одной из фаз сетевой обмотки преобразовательного агрегата тяговой подстанции при идеально сглаженном выпрямленном токе ( ) и мгновенной коммутации вентилей ( );

б) рассчитать гармонические составляющие тока в сетевой обмотке;

в) определить коэффициент искажения и коэффициент мощности преобразователя;

7. Провести исследования коэффициента полезного действия преобразовательного агрегата тяговой подстанции:

8. Сделать выводы. Составить пояснительную записку.

Исходные данные

1. Задан вариант № 1

2. Тип контактной подвески М120+2МФ100,тип рельсов Р-50, Р-65.

3. Данные по энергосистеме (мощность короткого замыкания на вводах тяговойподстанции), схема и основные параметры выпрямителей и инверторов приведены в таблице 1

Таблица 1

Схема и параметры преобразователей	Вариант
	1	2	3	4	5
Неуправляемый выпрямитель
Схема выпрямителя	6-пул. мостовая	6-пул. нулевая	12-пул. послед.	12-пул. парал.		24-пул.
Номинальное выпрямленное напряжение, В				Ud н =3300		Ud н=24000
Номинальный ток выпрямителя , А	3150	3200	3150	3000		3200
Напряжение к. з. трансформатора	13 %	10,5 %	6 %	8 %		6 %
Мощность к.з. на вводах тяговойподстанции,МВА	1000	1200	1500	1000		1200
Управляемый выпрямитель
Схема выпрямителя	6-пул. мостовая	6-пул. нулевая	12-пул. послед.	12-пул. парал.		24-пул.
Номинальное выпрямленное напряжение, В				Ud н =3300		Ud н=24000
Номинальный ток выпрямителя , А	3150	3200	3150	3000		3200
Напряжение к. з. трансформатора	13 %	10,5 %	6 %	8 %		6 %
Мощность к.з. на вводах тяговойподстанцииМВА	1000	1200	1500	1000		1200
Инвертор
Схема инвертора	6-пул. мостовая	6-пул. нулевая	12-пул. послед.	12-пул. парал.	24-пул.
Напряжение вентил. обмотки трансформат., В	1885	3770	942,5	1885	471,25
Номинальный ток нагрузки инвертора, А	2000	1500	2100	2000	2100
Напряжение к. з. трансформатора	13 %	10,5 %	6 %	8 %	6 %
Мощность к.з. на вводах тяговойподстанцииМВА	1000	1200	1500	1000	1200

Дополнительные условия:

1. Преобразовательный трансформатор типа ТРДТНП-20000/110ИУ1

2. Тиристоры типа Т173-2000-18 имеют: предельный ток А; допустимый ударный ток ;допустимое значение теплового импульса ; прямое падение напряжения на предельном токе. ;динамическое сопротивление .

3. Сглаживающий фильтр однозвенный апериодический: , , кол-во блоков реактора - 2.

4. Для варианта №3, УВ на силовых запираемых тиристорах типа GTO, GCT.

Задание выдано

Консультант

Введение

Количество электрической энергии, которая генерируется на переменном токе промышленной частоты, но потребляется на постоянном токе, непрерывно возрастает, превышая в настоящее время третью часть выработанной. В ряде случаев возникает необходимость процесса обратного выпрямлению – инвертирования. Преобразование же одного рода тока в другой связано с искажением формы кривых токов и напряжений, потреблением реактивной энергии, существенными потерями электрической энергии и другими факторами, затрудняющими электромагнитную совместимость преобразователей с устройствами электрической системы.

Под естественной коммутацией понимается то, что она обеспечивает переключение потоков электроэнергии в заданном на­правлении вследствие процесса естественного изменения междуфазных на­пряжений вентильных обмоток. Изменения последних обеспечивают пооче­редное переключение коммутирующих вентилей и смену токообразующихЭДС с периодичностью, определяющей пульсность преобразователя .

В условиях постоянного роста стоимости энергетических ресурсов, большое значение приобретает решение проблемы снижения расхода и повышения качества электрической энергии. Поэтому вновь разрабатываемые преобразователи должны при минимальной материалоемкости и стоимости обладать высокими энергетическими показателями.

В настоящее время отечественными предприятиями и зарубежными фирмами освоены новые полупроводниковые приборы: силовые запираемые тиристоры типа GTO, GCT, IGCT и силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором типа IGBT.. Для создания 12-, 24-пульсовых выпрямительно-инверторных преобразователей тяговых подстанций наиболее эффективными полупроводниковыми приборами являются мощные биполярные транзисторы с изолированным затвором типа IGBT на ток 1800 А и напряжение 1700 В или на ток 2000 А и напряжение 3300 В и мощные запираемые тиристоры с интегрированным управлением типа IGCT на токи 30004000 А и напряжение 4500 6000 В.

1. Выбор и расчет основных параметров и количества полупроводниковых элементовдля6-пульсового (трехфазного мостового)выпрямителя

Для трехфазной мостовой схемы выпрямления (рис.1.1)выбираем преобразовательный трансформатор типа ТРДТНП-20000/110ИУ1 и рассчитываем число полупроводниковых элементов для режима выпрямления.

Рис. 1.1. Схема и временные диаграммы напряжений и токов трехфазной

мостовой неуправляемой (шестипульсовой m =6) схемы выпрямления.

Определим номинальную мощность по формуле

, МВт

=3150 А, В

МВт

Выбираем диоды типа ДЛ173-2000-18, которые имеют предельный ток А и обратное повторяющееся напряжение, которое рассчитываем по формуле:

В, где

- класс диода.

Определим количество полупроводниковых элементов (диодов), включенных параллельно, для схемы с последовательным соединением мостов, это можно сделать по следующей формуле:

где

- коэффициент неравномерности распределения тока по параллельно включенным диодам, равный 1,3.

- количество фаз, =3.

- максимальный выпрямленный ток, который вычисляется следующим образом

кА

шт.

Количество последовательно включенных диодов в одном плече можно определить по формуле:

где

- класс диода;

- напряжение на вторичной обмотке, соединенной в звезду;

- коэффициент коммутационных перенапряжений, .

где

шт

2. Расчет токов короткого замыкания на выходе трехфазного мостового выпрямителя и проверка диодов на электродинамическую и термическую и устойчивость

Для выбора и проверки полупроводниковых приборов (диодов и тиристоров) на электродинамическую и термическую устойчивость необходимо рассчитать токи глухого к. з. непосредственно на шинах тяговой подстанции на участке между преобразователем и сглаживающим реактором, когда можно считать, что омическое сопротивление на стороне выпрямленного тока равно нулю.

В системе питания участков электрифицированных на постоянном токе практически повсеместно используются трехфазные полупроводниковые преобразователи, собранные по мостовой схеме выпрямления или по12-пульсовой схеме выпрямления, собранной из двух трехфазных мостов.

При расчете токов глухого к. з. на стороне выпрямленного тока преобразователя, собранного по мостовой схеме выпрямления обычно предполагается, что напряжение к нему подводится от трехфазного источника с напряжениями фаз U₂ (E₂) через анодную цепь с сопротивлением X_п = X_с + X_т, где X_с - индуктивное сопротивление системы до вводов трансформатора преобразовательного агрегата, приведенное к напряжению вторичной обмотки трансформатора; X_т - индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора преобразователя, работающего на точку к. з.

Для того, чтобы проверить выбранные диоды на термическую и динамическую устойчивость необходимо рассчитать максимальные токи короткого замыкания, проходящие через диоды. Для этого устанавливаем точку короткого замыкания на выходе трехфазного моста. Расчетная схема и эквивалентные схемы замещения изображена на рис.2.1.

Расчет токов короткого замыкания производим в именованных единицах. Определим сопротивление системы по формуле:

где - линейное напряжение на вторичной обмотке трансформатора;

- мощность короткого замыкания на шинах подстанции.

,

Сопротивление преобразовательного трансформатора будет рассчитано следующим образом:

, где

-напряжение короткого замыкания между обмотками, выраженное в процентах, %;

- номинальная мощность понижающего трансформатора типа ТРДТНП – 20000/110ИУ1,

,

Преобразуем эквивалентную схему замещения к простейшему виду, изображенному на рис.2,.в. Найдем результирующее сопротивление:

мОм

Теперь определим максимальный ток короткого замыкания:

Внешнюю характеристику выпрямительного преобразователя (рис. 2.2) U_{d *} = f ( I_{d *} ) можно условно разделить на три следующих друг за другом участка: 0 ≤ I_{d *} ≤ 0,612; 0.612 ≤ I_{d *} ≤ 1,06; 1,06 ≤ I_{d *} ≤ 1,41.

Здесь U_d* = U_d / U_d0 ; I_d* = I_d Х_п / U₂ ;

U_d , U_{d 0} – соответственно напряжение на выводах выпрямителя при его нагрузке I_d и при холостом ходе. На первом 1 и третьем 3 участках эта зависимость прямолинейна, на втором 2 – эллиптична ( в предположении, что L_d = ∞), При близких глухих к.з. L_d = 0. Этому соответствует штрихпунктирная кривая 3 ^I на рис. 2.2. На рис 2.2 приняты обозначения U_{d *} = U _В* , а I_{d *} = I _В* .

Участок 1 внешней характеристики соответствует углу коммутации

, ток выпрямителя на этом участке (1 – cos ).

Максимальный ток, реализуемый преобразователем в этом режиме работы, соответствует .

I_{d мах 1} =0,612 U ₂ / Х_п .

Рис. 2.2 Внешняя характеристика трехфазного мостового выпрямителя в режиме короткого замыкания

Участок 2 внешней характеристики соответствует режиму работы

Преобразователя с = const и углом запаздывания 0

Для этого режима работы

sin ( – ).

Максимальный ток, реализуемый преобразователем в этом режиме работы, соответствует

I_{d мах 2} =1,06 U ₂ / Х_п .

При дальнейшем увеличении тока угол задержки не изменяется, а угол коммутации увеличивается сверх . Предельное значение , и тогда одновременно работают четыре плеча диодов: два в катодной и два в анодной группах.

Такой режим соответствует полному короткому замыканию фаз трансформатора и U_d =0 .

При ток короткого замыкания на стороне выпрямленного тока

I_d =U₂ / Х_п

Максимальный ток короткого замыкания этом режиме работы

при и L_d = 0 I_{d мах 3} =1,41 U ₂ / Х_п ,

а при и L_d = ∞ I_{d мах 3} =1,35 U ₂ / Х_п .

Практически максимальный ток короткого замыкания, если в цепь выпрямленного тока входит индуктивность сглаживающего реактора, определяется по формуле I_{d мах 3} =1,35 U ₂ / Х_п ; при глухом коротком замыкании непосредственно за выпрямителем его следует определять по формуле I_{d мах 3} =1,41 U ₂ / Х_п .

На первом этапе короткого замыкания диоды, находившиеся в состоянии проводимости, работают в контуре короткого замыкания ещё без задержки и длительность их работы может превышать даже

Появление апериодических составляющих в токах плеч преобразователя вызывает увеличение тока короткого замыкания по сравнению с установившимся его значением, определяемым выше приведенными формулами. Это увеличение тока по аналогии с трехфазным коротким замыканием можно учесть ударным коэффициентом:

К_УП = (1,3 -1,5) U ₂ / Х_п

Проверим выбранные диоды ДЛ173-2000-18 на динамическую устойчивость, для этого рассчитаем ударный ток по формуле:

, где

- максимальный ток короткого замыкания;

- ударный коэффициент, равный 1,4.

Найдем ударный ток на один диод по формуле:

Сравним с допустимым ударным током

> ;

46 кА > 32 кА

Как видим, ударный ток на один диод больше допустимого ударного тока. Следовательно, диоды не проходят проверку на динамическую устойчивость. Добавляем в параллель еще одну ветвь и проводим проверку.

А

Сравним с допустимым ударным током

< ;

30,7кА < 32 кА

Диоды проходят проверку на динамическую устойчивость.

Выполним проверку на термическую устойчивость. Для этого рассчитаем тепловой импульс по формуле:

Для диодов Т173-2000-18 допустимое значение

< 5120000 , расчетное значение меньше допустимого, следовательно, диоды проходят проверку на термическую устойчивость.

Общее количество диодов в схеме будет равно:

шт

3. Расчет и сравнительный анализ основных энергетических характеристик выпрямительного преобразователя

3.1. Зависимость угла коммутации от нагрузки

Если пренебречь разного рода несимметрией и активными сопротивлениями всех элементов преобразователя и питающей системы, то угол коммутации для m-пульсовой схемы выпрямления можно рассчитать по формуле [1]:

или ,

где m- количество пульсов ВИП.

В этой формуле с помощью u_k учитываются вентильные индуктивные сопротивления фаз трансформатора, которые включают в себя кроме сопротивления самого тягового трансформатора сопротивления всей предвключенной системы, приведенные к напряжению вентильных обмоток. При переходе к более многопульсовым схемам выпрямления угол коммутации уменьшается, что положительно сказывается на всех технико-экономических показателях преобразователя (уменьшаются амплитуды гармоник выпрямленного напряжения и угол наклона внешней характеристики преобразователя, и др.). Углы коммутации для 6-, 12- и 24-пульсовых схем выпрямления при одном токе и при прочих равных условиях находятся в примерном соотношении [1]:

.

В данной схеме ВИП используется трансформатор типа ТРДТНП-20000/110ИУ1, у которого - коммутационное напряжение.

Занесем результаты расчетов в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

Схемы ВИП		зависимость угла коммутации
		0	0,25	0,5	0,75	1,00
6пульсовая на дидах		0	10,98	15,54	19,03	21,95

Графики зависимости угла коммутации от нагрузки для выпрямительного преобразователея показаны на рис.3.1.

Рис.3.1 Зависимость угла коммутации от нагрузки

По результатам расчетов можно сделать вывод, что при увеличении нагрузки растет угол коммутации, а применение более сложных мостовых схем с увеличенным числом пульсаций приводит к уменьшению угла коммутации.

3.2. Внешние характеристики преобразователя

Внешняя характеристика преобразователя – это зависимость среднего значения напряжения на его выходе (U_d) от среднего значения тока (I_d). Уравнение внешней характеристики m-пульсового выпрямителя может быть представлено в виде:

U_d = U_d0 – ∆U_γ – ∆U_пт – ∆U_тт – ∆U_л – ∆U_в,

где U_d0 – среднее напряжение холостого хода;

∆U_γ – коммутационные потери напряжения;

∆U_пт, ∆U_тт, ∆U_л, ∆U_в – потери напряжения в активных сопротивлениях понижающего трансформатора, тягового трансформатора, в линиях электропередачи и в вентилях соответственно.

Если пренебречь потерями напряжения в активных сопротивлениях всех элементов схемы, которые в сотни раз меньше коммутационных потерь, тогда уравнение внешней характеристики принимает вид:

U_d = U_d0 – ∆U_γ,

Коммутационные потери напряжения зависят от величины индуктивных сопротивлений питающих линий и трансформаторов. Эти потери удобно оценить с помощью u_k%, тогда результирующие коммутационные потери можно вычислить по формуле [7]:

∆U_γ = U_{d0 ,}

а уравнение внешней характеристики можно представить так:

U_d = U_d0 .

Если пренебречь потерями напряжения в активных сопротивлениях трансформаторов, питающих линиях, а также потерями напряжения в вентилях, то уравнение внешней характеристики можно записать в следующем виде:

- для выпрямителя

Для неуправляемого 6-пульсового выпрямителя:

Внешняя характеристика 6-пульсового выпрямителя имеет наклон 0.5, что значительно больше, чем при 12-пульсовой схеме выпрямления 0,26. А это означает, что одна и та же мощность на тягу поездов реализуется 12-пульсовым выпрямителем при меньшем токе, чем при 6-пульсовом. Это снижает потери энергии во всех элементах системы электроснабжения и позволяет обеспечить более высокую пропускную и провозную способность за счет более высокого уровня напряжения в тяговой сети при 12-пульсовой схеме выпрямления.

Рис. 3.2. Внешняя характеристика выпрямителя в рабочем режиме

4. Гармонический анализ выпрямленного напряжения и сетевого тока

5.

5.1. Гармонический анализ выпрямленного напряжения

При работе в выпрямительном и инверторном режимах кривой напряжения на стороне постоянного тока содержатся высшие гармонические составляющие, величина, частота и начальная фаза которых зависит от режима работы, параметров и схемы соединения обмоток трансформаторов, преобразовательных агрегатов, величины тока нагрузки (угла коммутации γ), величины углов регулирования α и β, не симметрии и не синусоидальности напряжения на шинах переменного тока, не симметрия цепей управления выпрямительно – инверторных агрегатов.

Независимо от используемой схемы выпрямления, напряжение на выходе преобразователя является пульсирующим, то есть помимо постоянной составляющей в кривую выпрямленного напряжения входит переменная составляющая, которую можно представить как сумму бесконечного ряда гармоник. В режиме холостого хода при симметрии всех напряжений и сопротивлений, а также синусоидальности напряжений, кривая выпрямленного напряжения образуется участками синусоид, с протяженностью каждого участка 2π/m. Поэтому при симметричном режиме работы на выходе 6-пульсового преобразователя имеются гармоники с частотами, кратными 300 Гц; у 12-пульсового – кратными 600 Гц, у 24-пульсового – кратными 1200 Гц. Эти гармоники называются каноническими.

Относительные величины амплитуд гармоник при симметричном режиме работы и холостом ходе можно вычислить по формуле:

,

где k – порядок гармоники.

Качество выпрямленного напряжения характеризуется коэффициентом пульсаций , или, более точно, коэффициентом полной волнистости.

Коэффициент пульсаций определяется по формуле:

;

При холостом ходе где (n-ряд целых чисел 1,2,3…..; m- число пульсаций выпрямленного напряжения за период).

При m=12 , при m=24

Коэффициент полной волнистости , определяется по формуле:

;

При m=6 = 4%, а при m=12 = 1%,

Из приведенных численных значений следует, что при создании 6–пульсового выпрямительно-инверторного преобразователя с обеспечением полной симметрии напряжения секций, обеспечивается высокое качество выходного напряжения: переменная составляющая его составляет 4% от . С увеличением числа пульсаций за период, содержание высших гармонических составляющих уменьшается, что приводит к повышению качества выпрямленного напряжения.

При разложении в ряд Фурье необходимо определить коэффициенты Эйлера (a_k , b_k , то есть косинусные и синусные составляющие). Для этого необходимо описать аналитически кривую выпрямленного напряжения на интервале периода повторяемости, который равен π – полупериоду основной частоты 50 Гц. Кривая выпрямленного напряжения 12-пульсового выпрямителя приведена на рисунке 4.1и может быть аналитически описана в режиме нагрузки.

Рис. 4.1. Временная диаграмма выпрямленного напряжения управляемого трехфазного мостового преобразователя тяговой подстанции. Кривая выпрямленного напряжения приведена на рисунке 4.1 и может быть аналитически описана в режиме нагрузки: Таблица 4.1 Интервал периода Аналитическое описание U d 0 ≤ ωt ≤ π/6 ud = uс - uв π/6 ≤ ωt ≤ π/6 + γ ud = (uа + uс)/2 - uв π/6 + γ ≤ ωt ≤ π/2 ud = uа – uв π/2 ≤ ωt ≤ π/2 + γ ud = uа - (uс + uв)/2 π/2 + γ ≤ ωt ≤ 5π/6 ud = uа – uс 5π/6 ≤ ωt ≤ 5π/6 + γ ud = (uа + uв)/2 – uс 5π/6 + γ ≤ ωt ≤ 7π/6 ud = uв – uс 7π/6 ≤ ωt ≤ 7π/6 + γ ud = uв - (uа + uс)/2 7π/6 + γ ≤ ωt ≤ 3π/2 ud = uв – uа 3π/2 ≤ ωt ≤ 3π/2 + γ ud = (uс + uв)/2 – uа 3π/2 + γ ≤ ωt ≤ 11π/6 ud = uс – uа 11π/6 ≤ ωt ≤ 11π/6 + γ ud = uс - (uа + uв)/2 11π/6 + γ ≤ ωt ≤ 2π ud = uс – uв   При разложении в ряд Фурье необходимо определить коэффициенты Эйлера (ak , bk , то есть косинусные и синусные составляющие). Для этого необходимо описать аналитически кривую выпрямленного напряжения на периоде повторяемости, который равен π – полупериоду основной частоты 50 Гц. ak = Ud 0 / k 2 -1) (1+ ksinkγ sinγ + coskγ cosγ) bk = Ud 0 / k 2 -1) (kcoskγ sinγ – sinkγcosγ)   Амплитудные значения и начальные углы гармонических составляющих выпрямленного напряжения 12-пульсового выпрямителя равны : . Для канонических частот (300, 600, 900, 1200 Гц), кратных 6 (k = 12, 18, 24) определены гармонические выпрямленного напряжения и по результатам расчетов построены зависимости гармонических от угла коммутации γ (от нагрузки).     Рис. 4.2. Амплитуды гармонических составляющих выпрямленного напряжения на выходе 6-пульсового выпрямителя при выпрямленном напряжении 3 300В.   На рис. 4.2 показана зависимость амплитуд канонических гармоник 6-пульсового выпрямителя от величины угла коммутации при симметричных параметрах фаз трансформаторов и симметричных и синусоидальных питающих напряжениях. В режиме нагрузки при симметричном режиме работы порядок гармоник в выпрямленном напряжении не меняется, но их амплитуда возрастает с увеличением тока нагрузки, что объясняется ростом угла коммутации.

4.2.Гармонический состав сетевого тока преобразователей

Полупроводниковые преобразователи потребляют из питающей сети несинусоидальный ток, который можно представить как сумму первой и высших гармоник. Порядок высших гармоник сетевого тока определяется «пульсностью» схемы выпрямления. При симметричном питающем напряжении каждой высшей гармонике выпрямленного (инвертируемого) напряжения порядка в сетевом токе преобразователя соответствуют две высшие гармоники с порядковыми номерами:

где l – натуральные числа, а m – число пульсаций.

Гармоники сетевого тока порядка n=mp±1 можно назвать каноническими для m-пульсовой схемы выпрямления. Эти гармоники приводят к искажению синусоидальности питающего напряжения, в питающем напряжении также появляются гармоники порядка n=mp±1, величина которых регламентируется согласно ГОСТ 32144-2013 “Электрическая энергия. Совместимость технически средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения” [2]. Переход на более многопульсовые схемы выпрямления позволит повысить качество электроэнергии в промышленных сетях.

Из-за процесса коммутации вентильных токов отношение амплитуд высших гармоник тока к первой уменьшается с ростом нагрузки выпрямителя, т.е. форма кривой тока приближается к синусоиде

При идеально сглаженном выпрямленном токе (Х_d=∞) и мгновенной коммутации вентилей (Х_А=0) кривая первичного тока имеет прямоугольную либо ступенчатую форму. Для таких условий амплитуда k- гармоники сетевого тока будет определяться:

где I₁₍₁₎ – амплитуда 1^ой гармоники сетевого тока.

4.3. Коэффициент мощности выпрямительного преобразователя

Коэффициент мощности – один из важнейших энергетических показателей потребителя электроэнергии. Под коэффициентом мощности понимают отношение активной мощности к полной. Его расчет можно произвести из следующих соотношений:

, где

k_u – коэффициент искажения синусоидальности потребляемого из сети тока,при допущениях, что x_d = ∞ и x_a = 0, в симметричном режиме работы он может быть определён из формулы I₁₍₁₎ = ;

φ₁ – угол сдвига между основными гармониками сетевого напряжения и тока;

I₁₍₁₎ – действующее значение основной гармоники сетевого тока;

I₁ = – действующее значение сетевого тока;

– угол коммутации m-пульсового выпрямителя;

Для неуправляемого выпрямителя угол запаздывания (регулирования) α равен нулю.

Как видно из приведенного выражения коэффициента мощности, с ростом угла коммутации коэффициент мощности уменьшается, но увеличивается при повышении «пульсности» схемы. Причем увеличение происходит не только из-за соотношения m/π, но и за счет уменьшения угла коммутации при одной реализуемой мощности на тягу при переходе на более многопульсовые схемы выпрямления. Кроме уменьшения угла коммутации, уменьшается также спектральный состав сетевого тока, т.е. форма тока становится более близкой к синусоиде, что также увеличивает коэффициент мощности.

Коэффициент мощности. Таблица 4.1

Схема ВИП		Значения
Трехфазный неуправляемый (на диодах) мостовой выпрямитель	0	0,989
	10,98	0,985
	15,54	0,980
	19,03	0,976
	21,95	0,971

Кривые изображены на рис.4.5.

Рис.4.5.Зависимости коэффициента мощности и коэффициента полезного действия от нагрузки ВИП

Кроме формы сетевого тока и напряжения и угла между их гармониками на коэффициент мощности влияют также другие параметры: степень загрузки преобразователя, уровень напряжения на шинах, от которых питается преобразователь, тип тягового трансформатора. В связи с этим существует ряд организационно-технических и технических мероприятий, направленных на повышение коэффициента мощности.

Следует отметить, что В соответствии с нормативными документами («Тарифы на электрическую и тепловую энергию, отпускаемую энергосистемами и электростанциями Министерства энергетики и электрификации»), для потребителей с низким коэффициентом мощности устанавливаются повышенные тарифы на электроэнергию.

5. Коэффициент полезного действия (КПД)