Б. Коэффициент мощности выпрямителя с нагрузкой

С помощью коэффициента мощности можно оценить эффективность необратимого преобразования электрической энергии в иной вид энергии (тепловую энергию, механическую работу, световую, звуковую энергию, энергию химических реакций и другие). Так как основная часть электрической энергии, поступившей к выпрямителю из сети, преобразуется необратимо в другой вид энергии в устройствах, которые являются нагрузкой выпрямителя, то коэффициент мощности выпрямителя с нагрузкой зависит от свойств выпрямителя и от характера, величины электрического сопротивления нагрузки. В выпрямителе безвозвратно преобразуется всего лишь 2…5% электрической энергии, которая поступила на вход выпрямителя. Коэффициент мощности выпрямителя с нагрузкой равен отношению активной мощности Р на входе выпрямителя к полной мощности на входе выпрямителя S:

К_м = , (1.28)

где Р – активная мощность, характеризующая ту часть электрической энергии на входе выпрямителя, которая безвозвратно преобразована в другой вид энергии в нагрузке выпрямителя и в выпрямителе;

S– полная мощность, характеризующая всю электрическую энергию, поступившую на вход выпрямителя.

Так как активная мощность Р является одной из составляющих полной мощности S, то коэффициент мощности электроустановок может изменяться в пределах от К_м = 1,0, Р = S, и в этом случае вся электрическая энергия необратимо преобразуется в иной вид энергии до К_м = 0, когда Р=0, и в электроустановке электрическая энергия безвозвратно не преобразуется, не выполняется работа в ходе технологического процесса. Для того чтобы раскрыть пользу от повышения коэффициента мощности, рассмотрим два выпрямителя с нагрузкой, у которых коэффициенты мощности разные. Выпрямители подключены к одной и той же питающей сети напряжением U и имеют активную одинаковую мощность на входах Р, одинаковый КПД выпрямителей. Пусть коэффициент мощности К_м1 выпрямителя с нагрузкой №1 больше, чем коэффициент мощности К_м2 выпрямителя с нагрузкой №2, то есть

К_м1 = .

Следовательно, выпрямитель с нагрузкой №1 потребляет из сети ток I₁ меньше, чем ток I₂, который потребляет выпрямитель с нагрузкой №2, то есть I₁<I₂, таким образом, в электроустановках выполняется с помощью электрической энергии одинаковый объем работы, а токи из сети потребляются разные. Электроустановки с низким коэффициентом мощности загружают источники энергии и питающие электрические сети дополнительным током, ограничивая их коэффициент использования и увеличивая потери энергии. Трансформаторы, СПП, фильтры выпрямителя с низким коэффициентом мощности загружаются дополнительным током, потери энергии в них увеличиваются, а выпрямители еще больше ухудшают качество электрической энергии в питающей сети.

Для расчета коэффициента мощности тиристорного выпрямителя с импульсно-фазовым управлением тиристорами воспользуемся выражениями (1.19, 1.20, 1.21). Если потерями мощности в трансформаторе, в СПП выпрямительной установки и в сглаживающем реакторе пренебречь, а форму напряжения в первичной обмотке принять синусоидальной, то коэффициент мощности выпрямителя равен

К_м = , (1.29)

где U₁, I₁ – действующие значения напряжения и тока в первичной обмотке трансформатора.

По формуле (1.29) при u_k = 0,12 и I_d = I_dH рассчитан коэффициент мощности выпрямителя, а результаты расчета сведены в таблицу 1.1.

Таблица 1.1.

Зависимость коэффициента мощности выпрямителя с нагрузкой от угла регулирования тиристоров α_р

αр	0	π/6	π/3	π/2	2/3π	5/6π
Км	0,863	0,819	0,781	0,583	0,325	0,055

По данным таблицы 1.1 построена графическая зависимость К_м = f(α_р).

Аналитическое выражение (1.29) и графическая зависимость (рис. 1.18) представляют собой косинусоиду, которая указывает на снижение эффективности преобразования электрической энергии в иной вид энергии при регулировании среднего значения выпрямленного напряжения. Выпрямители потребляют из сети несинусоидальный ток, который вызывает искажение синусоидальной формы переменного напряжения в электрических сетях. Данные недостатки имеют практически все управляемые выпрямители технологических установок, а также выпрямительно-инверторные преобразователи тягового электропривода электровозов в выпрямительном режиме и в инверторном режиме работы.

Рис. 1.18. Зависимость коэффициента мощности выпрямителя с

нагрузкой К_м от угла регулирования тиристоров α_р

В учебной и научной литературе приведены расчетные зависимости коэффициента мощности выпрямителя от коэффициента нелинейных искажений тока и от коэффициента сдвига первой гармоники тока относительно первой гармоники напряжения сети. Данные математические выражения позволяют приближенно рассчитать коэффициент мощности выпрямителя с нагрузкой, количественно оценить нелинейные искажения тока и фазовый сдвиг первой гармоники тока относительно первой гармоники напряжения в сети при работе выпрямителя с фазовым управлением. Зачастую расчетные составляющие ошибочно принимают за причины снижения коэффициента мощности выпрямителя с нагрузкой в режимах управления и для его повышения рекомендуют применять фильтры и компенсирующие устройства. Исследованиями, выполненными на кафедре электроподвижного состава ИрГУПСа, доказано, что нелинейные искажения тока и сдвиг первой гармоники тока относительно напряжения на входе выпрямителя являются следствием способа управления тиристорами и принципа регулирования среднего значения выпрямленного напряжения. С помощью фильтров и компенсаторов реактивной мощности можно устранить нелинейные искажения тока и его фазовый сдвиг относительно напряжения на входе выпрямителя. При этом потребляемый выпрямителем действующий ток может не снижаться, а наоборот, может увеличиваться относительно минимальной величины, необходимой для выполнения работы в технологическом процессе, а коэффициент мощности еще больше снизится.

Мировое развитие преобразовательной техники идет по пути применения неуправляемых выпрямителей с использованием конденсаторов большой емкости в звене постоянного тока для промежуточного накопления энергии в них и последующего регулирования напряжения на выходе импульсными преобразователями или автономными инверторами. Проблема электромагнитной совместимости таких преобразователей остается не решенной, поэтому изготовители рекомендуют применять фильтры, использовать заземленные экранирующие кабели с ограничением их длины. Для решения проблем повышения энергетических показателей технологических установок, оснащенных полупроводниковыми преобразователями, и их электромагнитной совместимости с питающими сетями нами разрабатываются и изготавливаются полупроводниковые преобразователи сопротивления.