Активные выпрямители с принудительным формированием кривой тока, потребляемого из питающей сети

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации 

   Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования 

«Южно-Уральский  государственный университет»

Факультет «Энергетический»

Кафедра «СЭС»  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

АКТИВНЫЕ  ВЫПРЯМИТЕЛИ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ  КРИВОЙ ТОКА, ПОТРЕБЛЯЕМОГО ИЗ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ

РЕФЕРАТ

  по  дисциплине «СЭС на основе СПТ»  
 
 
 
 
 
 

Проверил 

Ю.И. Хохлов

______________________2010 г. 

Автор работы 

студент группы Э-527

Д.В. Мелентьев 

____________________2010 г. 

Реферат защищен 

с оценкой (прописью, цифрой)

___________________________

_____________________2010 г.  
 
 
 

Челябинск 2010  
 

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 2

1 ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА  ЭНЕРГИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ   ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ  4

2. ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ ФОРМИРОВАНИЕМ КРИВОЙ ТОКА, ПОТРЕБЛЯЕМОГО ИЗ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ5

2.1 ОДНОФАЗНАЯ ПОЛУМОСТОАВЯ  СХЕМА АКТИВНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ6

2.2 ТРЕХФАЗНЫЙ  АКТИВНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ2.3МОДНОФАЗНЫЙ ККМ 1

2.4 "VIENNA" - ВЫПРЯМИТЕЛЬ

3 СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЕ АКТИВНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

3.1 ЭЛЕКТРОПРИВОД 3

3.2 СВАРОЧНЫЕ ИНВЕРТОРЫ  С КОРРЕКЦИЕЙ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ 4

4 КРАТКИЙ ОБЗОР  ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ АВ 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 6

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК1 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   ВВЕДЕНИЕ

   Основой силовой электронных устройств  являются нелинейные элементы – электронные  ключи. Периодическая коммутация ключей в преобразователях электроэнергии приводит к искажению потребляемого  из сети тока. В свою очередь искажение тока вызывает искажение напряжения сети. В результате увеличиваются потери мощности, сокращается срок службы электротехнических изделий, происходят сбои в их работе и т.п. Также существует проблема потребления преобразователями из сети реактивной мощности, что приводит к значительным отклонениям и колебаниям напряжения в питающей сети. Одной из основных задач силовой электроники является обеспечение электромагнитной совместимости сетевых преобразователей с питающей сетью переменного тока.

   Требования  международных стандартов IEC 61000-3, IEEE 519, EN 61000-3-2 жестко регламентируют уровень  гармонических составляющих тока, потребляемого  электротехническим устройством, вплоть до 49 гармоники. Отечественный ГОСТ Р 51317.3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95) ограничивается гармониками до 40-й.

   Одним из координальных направлений снижения гармонического воздействия преобразователей на питающую сеть и нагрузку является переход к повышенной фазности преобразователя одновременно решает вопрос о более эффективном использовании преобразовательного трансформатора выпрямителя. С целью снижения потребляемой реактивной мощности целесообразно применение преобразователей с опережающей искусственной коммутацией вентилей (компенсированных преобразователей). С этой же целью и с целью улучшения спектров токов и напряжений могут быть использованы комбинированные способы регулирования выпрямленного напряжения. Проблема снижения потребления реактивной мощности и нормализации качественных показателей электрической энергии может решаться и с применением внешних для преобразователей корректирующих устройств – пассивных и активных фильтров. В ряде случаев отмеченные проблемы решаются активного выпрямителя или корректора коэффициента мощности. В англоязычной литературе используется обобщенный термин преобразователь переменного/постоянного тока соответствующий терминологии стандарта МЭК 60050-551 (AC/DC Converter). Так же часто встречается active front end(AFE) или Active rectifier.

   В данном реферате рассмотрены принципы действия такого выпрямителя, различные  схемные решения и их сравнение, некоторые области его применения а также краткий обзор производителей, предлагающих АВ в качестве преобразователя переменного тока в постоянный. 
 
 

   1 ПРОБЛЕМЫ  КАЧЕСТВА ЭНЕРГИИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ   ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ 

   Выпрямитель – это преобразователь переменного  напряжения в постоянное. Неуправляемые выпрямители выполняются на базе диодов, управляемые – на базе тиристоров или других управляемых вентильных приборов. Принцип выпрямления основан на использовании свойств силовых электронных вентилей проводить однонаправленный ток для преобразования переменного тока в постоянный без существенных потерь энергии. Процессы при выпрямлении определяются:

• Видом вентильного прибора и способом его управления
• Характером нагрузки на стороне постоянного тока
• Техническими характеристиками источника энергии переменного тока.

   Выпрямители потребляют из сети несинусоидальный ток(см рис)

   Особенно  заметно влияние высших гармоник на напряжение сети при соизмеримости  мощностей источника переменного  тока и выпрямителя.

   

   Рисунок 1. а - Форма входного тока и напряжения и б-спектр сигнала входного тока преобразователя с диодным выпрямителем

   В трехфазных сетях статические преобразователи  генерируют последовательность токовых  гармоник 5, 7, 11, 13, 17, 19 и более высокое  нечетное множество относительно 50Гц фундаментальной частоты питающего  напряжения. С увеличением номера гармоники, т.е. с ростом частоты, внутреннее индуктивное сопротивление питающей сети пропорционально возрастает и, как следствие, увеличиваются падения  напряжения на этом сопротивлении от протекания высших гармоник тока. Этими  же гармониками определяется и искажение  кривой напряжения в точке подключения  СНВ. С ростом тока нагрузки увеличивается  коэффициент несинусоидальности напряжения. Процесс управления выпрямителем приводит к повышению коэффициентов несинусоидальности как тока, так и напряжения. Эффекты, вызываемые высшими гармониками тока могут быть разделены мгновенного и длительного возникновения.

   Проблемы  мгновенного возникновения включают:

• искажение формы питающего напряжения;
• падение напряжения в распределительной сети;
• резонансные явления на частотах высших гармоник;
• наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях;
• повышенный акустический шум в электромагнитном оборудовании;
• вибрация в электромашинных системах.
• снижению электрического и механического КПД нагрузок,
• ухудшению характеристик защитных автоматов
• завышению требуемой мощности автономных электроэнергетических установок

   Проблемы  длительного возникновения включают:

• нагрев и дополнительные потери в трансформаторах и электрических машинах;
• нагрев конденсаторов ;
• нагрев кабелей распределительной сети.

   В настоящее время во многих странах  действуют стандарты, определяющие допустимое искажение тока в зависимости  от соотношения мощностей источника  и потребителе. Это соотношение характеризуется коэффициентом короткого замыкания К_к,

                                                 К_к = I_k/ I_нmax,

   где  I_k  - действующее значение тока короткого замыкания шин       потребителя; I_{нmax -} действующее значение наибольшего потребляемого тока.

   Коэффициент    определяется в точке соединения шин и потребителя. Например, в стандарте IEEE 519 (Institute of electrical and electronics engineers - Институт электротехники и электроники) указывается, что ответственность за искажение тока несет потребитель, а за искажение напряжения — поставщик электроэнергии. Взаимоотношения между ними регулируются соглашениями а тарифами оплаты электроэнергии. Международные стандарты IEC 1000-3-2 и IEEE 519-1992 допускают определенный уровень гармоник тока определяемый на основе коэффициента короткого замыкания источника. При коэффициенте 20 или менее нормой допускается только 5% общих токовых гармонических искажений.

   В нашей  стране согласно ГОСТ 13109-97 несинусоидальность напряжения характеризуется коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения и коэффициентом n-й гармонической составляющей напряжения

   Таблица 1   Значения коэффициента искажения  синусоидальности кривой напряжения, в процентах

 

   При увеличении глубины регулирования  выпрямленного напряжения происходит  потребление выпрямителем из питающей сети реактивной мощности, резко возрастающее при увеличении Соответственно, резко  возрастает и коэффициент реактивной мощности. Наибольшее потребление реактивной мощности на практике имеет место  на  шины электростанции (система  бесконечной мощности). Реактивная мощность в этой точке складывается из реактивных мощностей, потребляемых как самого выпрямителя, так и  внутренним сопротивлением питающей сети. Нормируемые энергоснабжающими организациями величины потребляемой реактивной мощности, как правило, соответствуют значениям . Резкое возрастание и соответственно реактивной мощности преобразователя в процессе управления приводит к значительным отклонениям и колебаниям напряжения в питающей сети. 

         Для устранения отмеченных выше недостатков простейшего выпрямителя можно рекомендовать активный выпрямитель. Такие выпрямители комплектуются полностью управляемыми вентилями с обратными диодами. С помощью широтно-импульсной модуляции реализуются режимы принудительного формирования сетевого тока. Форму тока приближают к синусоидальной с регулируемой начальной фазой, что и обеспечивает желаемый результат(форму кривой тока и коэффициент мощности).  При помощи ККМ возможно не только организовать потребляемый ток сети, совпадающий по форме и фазе с напряжением, но и обеспечить заданный уровень постоянного напряжения на конденсаторе. Кроме того,в электроприводе,  за счет связи инвертора-выпрямителя с питающей сетью, возможна обратная рекуперация энергии, получаемая при работе привода в генераторном режиме.