close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Bardinskiy

код для вставкиСкачать
Федеральное агенТство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
С. И. Бардинский, А. А. Ефимов, С. Ю. Мельников
ЭНЕРГОСИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
АЭРОПОРТОВ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2008
УДК 656.71: 621.311
ББК 39.513: 31.16
Б 24
Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой электротехники и
прецизионных электромеханических систем Санкт-Петербургского
государственного университета информационных технологий,
механики и оптики В. С. Томасов;
доктор технических наук, профессор кафедры электротехники и
электрооборудования Санкт-Петербургского государственного
морского технического университета Б. Ф. Дмитриев
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Бардинский С. И., Ефимов А. А., Мельников С. Ю.
Б 24 Энергосиловое оборудование аэропортов: учебное пособие / С. И. Бардинский, А. А. Ефимов, С. Ю. Мельников.
– СПб.: ГУАП, 2008. – 116 с: ил.
ISBN 978-5-8088-0318-3
Пособие знакомит студентов с системой электроснабжения
наиболее ответственных объектов и служб аэропортов, обеспечивающих безопасность полетов. Рассматриваются основные вопросы организации электропитания, даются подробные характеристики отдельных элементов, входящих в общую систему электроснабжения аэропортов. Детально анализируются современные
устройства силовой электроники и агрегаты бесперебойного электропитания.
Предназначено для студентов электрорадиотехнических специальностей.
УДК 656.71: 621.311
ББК 39.513: 31.16
ISBN 978-5-8088-0318-3
© ГУАП, 2008
© С. И. Бардинский,
А. А. Ефимов,
С. Ю. Мельников, 2008
Содержание
Список основных сокращений...................................................... 4
Введение.................................................................................... 5
1. Организация аэродромного электропитания................................ 8
1.1. Типы источников электропитания аэропортов...................... 8
1.2. Качество напряжений общепромышленных сетей................. 9
1.3. Разветвленная схема электропитания............................... 12
1.4. Схема электропитания с двумя независимыми источниками................................................................................... 14
1.5. Схема электропитания с автономным источником............... 15
1.6. Контакторная станция для устройства аварийного ввода
резерва............................................................................... 16
1.7. Электропитание по схемам Standby (On-Line), Off-Line и
Line-Interactive.................................................................... 18
2. Трехфазные цепи................................................................... 19
2.1. Трехфазные цепи, системы их напряжений и токов............. 19
2.2. Соединение «звездой»..................................................... 20
2.3. Соединение «треугольником» ...........................................22
2.4. Мощность трехфазной цепи и ее измерение.........................24
2.5. Расчет трехфазных цепей................................................ 25
2.6. Вращающееся магнитное поле.......................................... 27
3. Синхронные генераторы........................................................ 32
3.1. Конструкция и принцип действия.................................... 32
3.2. Работа генератора под нагрузкой...................................... 35
4. Трансформаторы................................................................... 38
4.1. Устройство однофазного трансформатора........................... 38
4.2. Холостой ход трансформатора.......................................... 39
4.3. Работа трансформатора под нагрузкой................................42
4.4. Трехфазные и измерительные трансформаторы.................. 46
5. Силовые полупроводниковые преобразователи.......................... 51
5.1. Неуправляемые выпрямители.......................................... 51
5.2. Управляемые выпрямители............................................. 56
5.3. Коэффициент мощности, потери и КПД выпрямителей........ 62
5.4. Высшие гармоники напряжения и тока в схемах выпрямителей.................................................................................. 67
5.5. Процесс включения и выключения выпрямителя............... 71
5.6. Инверторы.................................................................... 73
6. Системы гарантированного электроснабжения.......................... 93
6.1. Структурная схема СГЭ................................................... 93
6.2. Режимы работы и алгоритмы управления СГЭ.................... 95
6.3. Резервные источники электроэнергии переменного тока...... 98
6.4. Резервные источники электроэнергии постоянного тока...... 99
6.5. Структуры и режимы работы агрегатов бесперебойного
питания.............................................................................106
Библиографический список....................................................... 115
3
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АБ
АБП
АГМ
АИП
АПВ
ГРЩ
ИП
КДП
КМ
КС
МДС
ОГ
РСТО
РЩ
СГЭ
СЭА
ТП
УАВР
УВД
ЦИП
ШИМ
ЩГП
ЭДС
ЭП
4
– аккумуляторная батарея
– агрегат бесперебойного питания
– агрегат гарантированного питания с маховиком
– автономный источник питания
– автоматическое повторное включение
– главный распределительный щит
– источник питания
– командно–диспетчерский пункт
– контактор
– контакторная станция
– магнитодвижущая сила
– особая группа электроприемников I категории
– радиосветотехническое обеспечение
– распределительный щит
– система гарантированного электроснабжения
– система электроснабжения аэропорта
– трансформаторная подстанция
– устройство автоматического ввода резерва
– управление воздушным движением
– центральный источник питания
– широтно­импульсная модуляция
– щит гарантированного питания
– электродвижущая сила
– электроприемник
ВВЕДЕНИЕ
Электрификация аэропортов достигла в настоящее время
очень высокого уровня, так как во всех цехах и службах аэропорта основным энергоносителем является электроэнергия. Поэтому
отключение электроэнергии парализует его деятельность. Нарушение электроснабжения авиационно-технических баз, складов
горюче-смазочных материалов, аэровокзала и других производственных цехов вызывает прекращение подготовки авиационной
техники к полетам, задержки рейсов и ведет к нарушению регулярности полетов. Обесточивание командно-диспетчерских пунктов (КДП) и других объектов радиосветотехнического обеспечения (РСТО) полетов и связи приводит к резкому уменьшению
пропускной способности аэропорта, может повлечь за собой его
закрытие, а при неблагоприятном стечении обстоятельств явиться причиной летного происшествия и даже катастрофы. Поэтому
вопросу надежности электроснабжения объектов РСТО и связи,
а также основных производственных цехов аэропорта необходимо уделять пристальное внимание.
В аэропортах обычно сооружаются высоковольтная сеть напряжением 10(6) кВ, получающая питание от энергосистемы, и
изолированные сети трансформаторных подстанций (ТП) напряжением 380 В, к которым подключаются отдельные электроприемники (ЭП). Такой принцип построения системы электроснабжения аэропортов (СЭА) обусловлен присутствием в аэропортах
многочисленных мелких ЭП, работающих на напряжениях 380 В
или 220 В и расположенных на значительной территория. Каждая ТП обычно питает свою группу ЭП, расположенных вблизи
нее на расстоянии 100–500 м.
В зависимости от ущерба, к которому могут привести перерывы подачи электроэнергия, все ЭП разбиваются на категории [1].
Категория I включает ЭП, перерыв в электроснабжение которых может повлечь за собой возникновение опасности для жизни
людей, значительный материальный ущерб, нарушение функционирования особо важных элементов аэродромного хозяйства,
потерю радиолокационного контроля над воздушными судами,
необходимость срочного маневрирования воздушных судов.
Из состава ЭП I категории выделяют особую группу (ОГ),
бесперебойная работа которых необходима для безаварийного
останова производства с целью предотвращения угрозы жизни
людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего обору5
дования. Данная груша включает ЭП объектов РСТО полетов в
системе управления воздушным движением (УВД), непосредственно используемых при посадке воздушных судов в условиях
метеоминимумах 1–3 категории после пролета минимально допустимой высоты безопасного ухода на второй круг и т. п.
Категория II включает те ЭП, перерыв в электроснабжении
которых приводит к массовым простоям технического персонала, механизмов, промышленного транспорта. В аэропортах – это
цехи бортпитания, авиационно-технические базы, спецавтобазы
аэродромной службы, санитарно-техническая вентиляция всех
объектов, зданий управления, гостиницы, ресторана.
Категория III включает все остальные ЭП.
В табл. В1 включены, категории надежности электроснабжения систем посадки и УВД современного аэропорта и приведено
максимально допустимое время перерыва электропитания.
Таблица В1
Наименование объекта
Категория Допустимое
надежности
время, с
Светосигнальная система взлета и посадки
I
30–60
Радиотехническая система взлета и посадки
(курсовой, глиссадный, ближний и дальний
радиомаяки)
I
30
I
15
ОГ
1
ОГ
0
ОГ
I
1
15
II
–
ОГ
1
I
15
ОГ
15
Приводные радиостанции (ближайшая и
дальняя)
Светосигнальные системы точного захода на
посадку
Радиомаячные системы инструментального
захода на посадку
Средства авиационной воздушной и наземной
связи, диспетчерские пульты службы движения:
для КРП I–V разрядов
то же для VI разряда
Общеобменная вентиляция, аварийное
освещение
Автоматизированные системы УВД
Обзорные радиолокаторы (трассовый, аэродромный, посадочный)
Средства связи и технологическая вентиляция передающего и приемного радиоцентров
6
Продолжение табл. B1
Наименование объекта
Освещение рабочее
Освещение аварийное
Категория Допустимое
надежности
время, с
I
–
III
30
Электроприемники категории I должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв электроснабжения ЭП от одного
источника питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания. Для группы ОГ должно
предусматриваться питание от третьего независимого источника
питания.
Электроприемники категории II также рекомендуется питать
от двух независимых взаимно резервируемых источников. Однако перерыв в электроснабжении допускается на время, необходимое для включения резервного питания дежурным персоналом или выездной оперативной бригадой.
Электроприемники категории III могут обеспечиваться электроэнергией от одного источника питания при условии, что перерыв электроснабжения, необходимый для ремонта или замены
поврежденного элемента системы, не превышает одних суток.
7
1. ОРГАНИЗАЦИЯ АЭРОДРОМНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
1.1. Типы источников электропитания аэропортов
Источниками электроэнергии в аэропортах являются трансформаторные подстанции. На каждую ТП энергия поступает от
общепромышленной (городской, областной и т. п.) энергосистемы по одной или двум высоковольтным кабельным линиям напряжением 10(6) кВ. К этим линиям подключаются первичные
обмотки трехфазных силовых трансформаторов ТП, которые
вместе с предшествующими элементами сети и коммутационной
аппаратурой можно принять за обобщенный центральный источник питания (ЦИП).
Трансформаторы на ТП предназначены для понижения напряжения высоковольтной линии до рабочего напряжения 380 В,
используемого в сети аэропорта для питания различных ЭП.
Для предотвращения перерывов электроснабжения при отключении ЦИП в аэропортах используются местные автономные
источники питания (АИП). В качестве таких источников наибольшее распространение получили автономные дизель-генераторные установки мощностью от 5 до 200 кВт. При исчезновении
напряжения в электрической сети они автоматически запускаются за 8–15 с и подключаются к нагрузке (цепи питания ЭП от
ЦИП при этом разрываются). При подаче напряжения на ЦИП
происходит восстановление исходной схемы электроснабжения,
отключение и остановка АИП. В аэропортах на многих объектах согласно директивам обратное переключение производится
вручную.
Недостатком дизель-генераторной установки является значительное колебание напряжения и частоты при подключении
нагрузки, а также относительно длительный запуск. За время
запуска эксплуатируемое в данное время радиооборудование
отключается и требуется затратить 1,5–15 минут, чтобы вновь
ввести его в работу. Таким образом, переход на работу от дизельгенератора после внезапного отключения ЦИП приводит к нарушению функционирования объектов радиотехнического обеспечения полетов на значительное, часто недопустимое время. В то
же время непрерывная работа дизель-генератора при исправных
ЦИП в качестве горячего резерва нежелательна из–за неэкономичности.
8
Для обеспечения энергией тех ЭП, которые не допускают
сколь-нибудь длительного перерыва в питании, используют
АИП, состоящие из аккумуляторов, к которым подключены
электронные инверторы, преобразующие постоянное напряжение в переменное 380 В, 50 Гц. Такой АИП может быть подключен к сети 380 В за доли секунд.
Функцию, аналогичную аккумулятору с инвертором, может выполнять агрегат гарантированного питания с маховиком (АГМ). Он состоит из асинхронного двигателя, синхронного генератора и маховика на общем валу. В нормальном режиме
асинхронный двигатель, подключенный к сети 380 В, вращает
синхронный генератор и маховик – накопитель энергии. Кинетическая энергия маховика достаточна для поддержания вращения генератора и номинального напряжения на его зажимах, в
течение 40–120 с при постепенном понижении частоты до 45 Гц.
За это время либо происходит переключение на другой ЦИП,
либо запускается дизель-генератор и вновь подается напряжение
на двигатель АГМ. Таким образом может осуществляться бесперебойное питание электроэнергией потребителей. Недостатками
АГМ являются ограниченный технический ресурс подшипников
и пониженная частота напряжения на выходе. Поэтому АГМ не
получили в аэропортах широкого распространения.
1.2. Качество напряжений общепромышленных сетей
Одной из основных причин отказов ответственных потребителей являются различного рода изменения напряжения, которые
классифицируются как помехи в системе электроснабжения.
Эти помехи вызываются коммутацией приемников и их режимами работы, наличием в составе нагрузок нелинейных цепей,
атмосферными перенапряжениями, изменениями генераторного
напряжения и т. п.
Для характеристики качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения трехфазного и однофазного
переменного тока в точках, к которым присоединяются потребители или приемники электрической энергии, введены следующие основные показатели качества [2]: отклонение напряжения,
размах изменения напряжения, доза колебаний напряжения,
коэффициенты несинусоидальности кривой напряжения, гармонической составляющей, обратной последовательности напряжения, нулевой последовательности напряжения, отклонение
9
частоты, глубина и длительность провала напряжения, импульсное напряжение.
С точки зрения организации электроснабжения ответственных потребителей наиболее существенными являются:
отклонение напряжения (частоты), определяемое как разность действительного и заданного значений напряжения (частоты), выраженная в абсолютных единицах или в процентах номинального значения;
размах изменения напряжения, оцениваемый как разность
амплитудных или действующих значений напряжения до и
после изменения между двумя смежными уровнями, каждый
из которых удерживается некоторое время, или между двумя
смежными экстремумами огибающей значений напряжения,
или между экстремумом и уровнем, который удерживается некоторое время;
глубина провала напряжения – разность между номинальным
и минимальным действующими значениями напряжения;
длительность провала напряжения, которая представляет собой интервал времени между начальным моментом провала напряжения и моментом восстановления напряжения до первоначального или близкого уровня;
импульс напряжения, определяемый как резкое изменение
напряжения, за которым следует его восстановление до обычного уровня за промежуток времени от нескольких микросекунд до
десяти миллисекунд;
коэффициент несинусоидальности кривой напряжения, оце­
ниваемый как отношение корня квадратного из суммы квадратов действующих значений высших гармонических составляющих, кратных основной частоте, к номинальному напряжению и
вычисляемый по формуле
K нс =
∑ Un2 ⋅100%/U,
n =2
(1.1)
где Un – действующее значение напряжения n-й гармонической
составляющей; U – действующее значение напряжения.
Для промышленных сетей общего назначения на показатели
качества установлены нормы, приведенные в табл. 1.1.
Требования значительного количества потребителей всех категорий к параметрам питающего напряжения не превосходят
этих и других регламентируемых стандартом значений [2]. Од10
Таблица 1.1
Показатель качества
Допустимое значение показателя
нормальное
максимальное
Отклонение частоты, Гц
Размах колебаний частоты, Гц
Отклонение напряжения, %
Размах изменения напряжения, %
±0,2
0,2
±5
–
±0,4
Коэффициент несинусоидальности
кривой напряжения, %, не более
5
10
+ 10
до 5
нако фиксируемые стандартом показатели качества и их значения недостаточны для обеспечения надежной работы вычислительных машин, устройств связи и электронных средств и
систем автоматизации различных процессов. По этой причине в
ряде случаев не допускается прямое подключение их к промышленной сети.
Для характеристики качества электроэнергии систем питания
ЭВМ, а также автоматизированных систем управления (АСУ) используются следующие понятия [3]:
номинальное напряжение – напряжение, амплитуда которого
в каждом полупериоде не выходит за предельно допустимые регламентированные верхнее Uв и нижнее Uн значения;
провал – переходный процесс изменения переменного напряжения, когда, по крайней мере, в одном полупериоде амплитуда
напряжения становится меньше нижнего предельно допустимого значения Uн;
внезапное отключение (полный провал) – провал, при котором, по крайней мере, в течение одного полупериода напряжение
равно нулю;
глубина провала – разность номинального значения амплитуды переменного напряжения и минимальной амплитуды полупериода;
перенапряжение – переходный процесс изменения напряжения, когда в полупериоде амплитуда становится больше верхнего предельно допустимого значения Uв;
амплитуда перенапряжения – разность максимальной амплитуды Umax полупериода, достигнутой во время перенапряжения,
и номинального значения амплитуды напряжения Uном;
длительность процесса (провала или перенапряжения) – время между серединами полупериода, в котором амплитуда напря11
жения вышла за пределы Uн, Uв, и полупериода, в котором амплитуда стала нормальной.
Отклонение напряжения измеряется в вольтах или относительных единицах, а время – в миллисекундах или периодах.
Для обеспечения работы цифровых технических средств, таких как ЭВМ, АСУ, должны выполняться специальные требования:
высокочастотные напряжения в диапазоне частот 0,1–10 МГц
не должны превышать по амплитуде 2% номинального напряжения сети, при этом напряжение помех может быть симметричным или несимметричным;
допускаются провалы напряжения глубиной 50% номинального в течение одного периода и полное отключение в течение полупериода промышленной частоты, которые происходят не чаще
1 раза в секунду;
импульсные напряжения могут быть с амплитудой не более
200% амплитудного номинального напряжения длительностью
1 мс и фронтом 0,5–500 мкс [4].
Эти требования определяются в основном характеристиками
источников вторичного электропитания и для некоторых типов
ЭВМ могут отличаться от указанных. Так, для управляющих
ЭВМ фирмы IBM указываются следующие допустимые отклонения в сети питания:
перенапряжения амплитудой до 15% номинального значения
в течение 1 с;
перенапряжения амплитудой 150% номинального значения в
течение 50 мкс;
провалы глубиной до 20% номинального значения в течение 2 с;
провалы глубиной до 30% в течение 0,5 с, если спад и восстановление напряжения происходит более чем за два периода частоты сети;
полные отключения питания в течение полупериода частоты,
но не чаще 1 раза в секунду.
1.3. Разветвленная схема электропитания
Рассмотренные ранее источники питания в том или ином сочетании обеспечивают электропитание любых ЭП аэропортов.
Структура схемы электроснабжения конкретного вида ЭП зависит от вида требуемого резервирования для обеспечения его надежной работы.
12
Питание ЭП I и II категории в электрических схемах напряжением 380 В обычно осуществляется по разветвленной радиально схеме (наименее резервированной, но наиболее простой) ввиду
того, что надежность элементов сети 380 В достаточно высока и
время их восстановления в случае отказа не превышает нескольких часов. Вариант исполнения такой сети показан на рис. 1.1.
Напряжение от трансформатора подстанции Т поступает на
сборные шины В1 через кабельную вставку, трехфазный рубильник QS1 с комплектом предохранителей FU1 или автоматический выключатель. Рубильник служит для отключения шин от
источника питания и создания видимого разрыва в электрической цепи, необходимого для безопасного обслуживания элементов электротехнической установки. Предохранители (автоматические выключатели) выполняют функцию защиты от коротких замыканий и перегрузок. В цепи между трансформатором
и сборными шинами обычно устанавливаются трансформаторы
тока ТА, позволяющие контролировать ток нагрузки силового
трансформатора.
Сборные шины со всей подключенной к ним аппаратурой
(QS1, FU1, ТА, QF1 – QFN) образуют главный распределительный щит (ГРЩ), к которому через автоматические выключатели
Рис. 1.1.Принципиальная схема электрической сети ТП
13
QF1–QFN подключаются линии электропередачи, подающие питание на все распределительные щиты (РЩ) трансформаторной
подстанции, к которым уже непосредственно с помощью автоматических выключателей меньшей мощности подключают ЭП
или другие щиты.
При радиальной структуре сети, когда от ГРЩ питается по
отдельным линиям ряд РЩ, короткое замыкание в любой точке
сети приводит к срабатыванию автомата на ближайшем со стороны ГРЩ распределительном щите и при этом обесточивается
минимальное число ЭП.
В ряде случаев применяют магистральные сети, когда к одной линии подключаются несколько РЩ или ЭП (линия, подключенная к QFN, на рис. 1.1). Такая сеть имеет пониженную
надежность, так как короткое замыкание в любой точке приводит к отключению вcей линии и, следовательно, к отключению
всех ЭП, питающихся от нее. Но зато магистральные сети могут
использоваться как элементы петлевых сетей путем установки
в конце магистральной линии рубильника (QSN на рис. 1.1), по
которым можно подать на линию напряжение от резервного ИП
при отказе основного ИП.
1.4. Схема электропитания с двумя независимыми
источниками
Большинство ЭП аэропорта, связанных с безопасностью и
регулярностью полетов, требуют высокой надежности электроснабжения и относятся к потребителям I категории и даже к ОГ.
Они требуют соответственно двух и трех независимых источников электроэнергии. В таких случаях применяют радиальные
двухлучевые схемы с устройством автоматического ввода резерва (УАВР). Обычно для этого в ТП устанавливают два трансформатора для создания двух независимых сетей 380 В, которые
могут соединяться между собой в нескольких точках с помощью
магистральной линии. Таким образом, один трансформатор может питать часть потребителей другого при соответствующих
коммутациях в сети.
Пример сети с двумя независимыми источниками для бесперебойного питания ЭП группы 1 приведен на рис. 1.2.
От силовых трансформаторов Т1 и Т2 электропитание поступает через автоматы QF1 и QF2 на шины В1 и B2 в ГРЩ1 и ГРЩ2.
Непосредственно от этих шин питаются малоответственные ЭП
14
Рис. 1.2.Принципиальная схема электрической сети с двумя независимыми источниками
группы II. Электроприемники группы I получают питание с шин
ВЗ щита гарантированного питания ЩГП. Эти шины постоянно
подключены автоматом QF3 через шины В1 к одному источнику
Т1. В случае аварии в сети источника Т1 шины ВЗ, питающие ЭП
категории I, отключаются от шин В1 и подключаются автоматом
QF4 к действующим шинам В2. По такой схеме выполнено в аэропорту “Пулково” питание центра коммутации сообщений.
1.5. Схема электропитания с автономным источником
В тех случаях, когда требуется осуществить гарантированное
электропитание особо ответственных приемников (светосигнальные системы захода на посадку, диспетчерские пульты службы
движения и т. п.) используют систему из трех независимых источников, причем один из них обязательно является автономным: дизель-генератор или агрегат бесперебойного питания, состоящий из аккумулятора с инвертором.
На рис. 1.3 приведена схема такой системы.
Она отличается от схемы на рис. 1.2 тем, что добавлен АИП,
подключаемый к шинам ВЗ и В4 автоматом QF6 и контакторами КМ2 в контакторных станциях КС1 и КС2. Порядок работы
коммутационной аппаратуры следующий. В нормальном режиме шины ВЗ щита гарантированного питания через автоматы QF1, QF3 и контактор КМ1 подключены к трансформатору
Т1. Аналогично В4 подключены к Т2 через QF2, QF4 и КМ1.
15
Рис. 1.3.Сеть с АИП
В случае исчезновения напряжения на шинах В1 и соответственно ВЗ контактор КМ1 станции КС1 отключается, а автомат QF5
подключает шины ВЗ к работающим шинам В4 и далее к Т2.
Одновременно автоматически запускается АИП. По окончании
запуска на выходе АИП появляется напряжение, под действием
которого последовательно включается QF6, КМ2 станции КС1 и
выключается QF5. Шина ВЗ после кратковременного подключения к Т2 на время пуска АИП подключается на работу от АИП
на время ремонта сети ТI. После восстановления напряжения
на B1 контактор КМ2 размыкается, КМ1 замыкается и В3 снова
подключится к Т1. Через 20–30 с приходит сигнал на остановку
АИП и система приходит в исходное состояние.
1.6. Контакторная станция
для устройства аварийного ввода резерва
При наличии резервного источника питания (ИП) выбор работоспособного и его подключение к объекту питания осуществляется контакторными станциями (КС), выпускаемыми промышленностью.
Контакторная станция содержит два контактора КМ1 и КМ2,
блокированные между собой механически и электрически таким
образом, чтобы предотвратить возможность их одновременного
включения и тем самым исключить параллельную работу ИП.
Кроме исполнительных элементов (контакторов) в состав КС вхо16
дят чувствительные элементы (реле напряжения), контролирующие качество напряжения на основном вводе и выдающие сигналы на подключение ЭП к резервному ИП при отказе основного, а
также элементы зашиты и сигнализации (рис. 1.4).
Рассматриваемая КС представляет собой устройство автоматического ввода резерва (УАВР) на вводе многократного действия с преимуществом основного ввода, т. е. в случае работоспособного состояния двух ИП всегда включен контактор нормального питания КМ1, а КМ2 включается только на время отключения основного ИП. В схеме на рис. 1.4 контроль напряжения
основного ввода осуществляется тремя реле (KVI, KV2, KV3 ). В
случае снижения напряжения на любой фазе ниже допустимого
уровня срабатывает соответствующее реле, его контакты обесточивают обмотку контактора КМ1, и последний, отключаясь, своими блок-контактами замыкает цепь обмотки контактора KM2,
подключающего ЭП к резервному вводу. При восстановлении
напряжения на основном вводе реле напряжения срабатывают,
разрывают цепь обмотки КМ2 и подают напряжение на обмотку
КМ1. Для уменьшения пусковых и рабочих токов, потребляемых
контакторами, и с целью повышения надежности КС обмотки
контакторов работают на постоянном токе через выпрямители
VDI и VD2. Сигнализация состояния контакторов осуществля-
Рис. 1.4.Схема КС с преимуществом ввода с ИП1
17
ется лампочками HLI и HL2, которые включаются блок-контактами соответствующих контакторов. Автомат SF защищает реле
от коротких замыканий и одновременно позволяет переключить
вручную питание ЭП от резервного ввода.
1.7. Электропитание по схемам Standby (On-Line), Off-Line и
Line-Interactive
АИП типа Standby (Off-Line) конструктивно самые простые.
Они также часто называются резервными АИП, поскольку потребитель электроэнергии переключается на питание от аккумуляторов лишь при выходе напряжения питания сети за заранее
определенные рамки. В нормальном режиме работы такого источника напряжение подается через подавитель импульсов и радиочастотный фильтр в нагрузку. При этом напряжение может
как угодно изменяться в пределах допустимого коридора. В случае электрических помех или полного пропадания входного напряжения специальные ключи переводят подключаемую к АИП
нагрузку в режим работы от аккумуляторов.
Недостатком таких АИП является время переключения на
резервный источник, при котором на выходе источника возникает разрыв в подаче напряжения на время 1–5 мс. В большинстве
случаев такой разрыв в подаче питания не критичен для потребителей, имеющих бестрансформаторный вход блоков питания.
У этого типа АИП выходное напряжение имеет форму трапеции
или прямоугольника, а не синусоиды.
АИП типа Line-Interactive представляют собой дальнейшее
развитие источников бесперебойного питания в направлении
улучшения фильтрации входного напряжения и улучшения формы выходного напряжения. Встроенный стабилизатор напряжения позволяет держать стабильным выходное напряжение, а
улучшенная схема прибора поддерживает почти идеальную форму напряжения при переходе на питание от аккумулятора. Эти
АИП пользуются наибольшей популярностью как устройства с
наилучшим соотношением цена/качество.
On-Line АИП – наиболее дорогие приборы. Их стоимость примерно в 2–3 раза превышает стоимость Standby АИП аналогичной мощности. Ввиду этого, несмотря на идеальную форму выходного напряжения и нулевое время переключения на батарею,
они применяются только для самых ответственных электронных
и компьютерных систем.
18
2. ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ
2.1. Трехфазные цепи, системы их напряжений и токов
Типичная цепь для электроснабжения различных приемников состоит из источников, линии передачи и самих приемников. При одном источнике переменного тока, соединенного парой проводов (прямым и обратным) с приемником, цепь называют однофазной (рис. 2.1, а).
Для передачи значительной мощности на большие расстояния
такая цепь малопригодна из-за повышенного расхода материала
на линию передачи и вследствие трудности преобразования электрической энергии в механическую, так как электродвигатели
получаются неэкономными.
Указанные недостатки можно снизить, если разбить эту одну
цепь на три, называемыми фазами (не путать с фазой – аргументом гармонической функции), причем так, чтобы в каждой фазе
действовали свои источники ЭДС (EA, EB, EC на рис. 2.1, б) строго
одной и той же частоты и амплитуды, но сдвинутые по фазе на
120° относительно друг друга:
e A = Em sin ωt, e B = Em sin(ωt − 120 0 ), e C = Em sin(ωt + 120 0 ). (2.1)
Увеличение числа проводов в этой цепи в три раза не имеет
значения, так как токи IA, IB и IC в этих проводах при сохранении передаваемой мощности будут в три раза меньше, следовательно, и сечения проводов тоже. Как будет показано далее, в
трехфазной цепи возможно дополнительное сокращение проводов. Кроме того, наличие трех токов, сдвинутых по фазе на 120°,
позволяет создать экономичный двигатель переменного тока, что
будет показано далее. Что же касается приемников электроэнера)
б)
Линия
E
Z
EВ
Приемник
EС
передачи
Источник
EА
IА
UА ZА
IВ
UВ ZВ
IС
UС ZС
Рис. 2.1.Типы цепей электропитания: а – однофазная; б – трехфазная
несвязанная
19
а)
б)
E� A
еС
еВ
еА
e
t1
0
120�
t2
t
T/3
E� C
120�
120°
E� B
2T/3
Рис. 2.2.Диаграммы ЭДС: а – временная; б – векторная
гии, то в мощных цепях их всегда много и их можно разнести по
трем фазам более или менее равномерно.
ЭДС, токи и напряжения, действующие в трехфазной цепи, называются трехфазной системой ЭДС, токов и напряжений. Если
их амплитуды во всех трех фазах одинаковы, а также одинаковы
фазовые сдвиги токов относительно напряжений, то такая система называется симметричной. ЭДС источников, как правило,
всегда симметричны, а токи симметричны лишь при одинаковой
нагрузке всех трех фаз. На рис. 2.2 изображена временная (а)
и векторная (б) диаграммы симметричной системы ЭДС. Обозначения (индексы) ЭДС, токов и напряжений выбираются так,
чтобы их естественная последовательность (A, B, C или 1,2,3)
совпадала с порядком следования фаз, т. е. последовательностью
чередования максимумов напряжений или токов. Одним из замечательных свойств симметричной системы величин является
равенство нулю суммы величин в любой момент времени. Это
хорошо видно и на временной диаграмме (например, в момент
времени t1 или t2) или при сложении трех векторов на векторной
диаграмме, в результате чего получается нуль. Благодаря этому
свойству оказывается возможным уменьшить число проводов
линии передачи путем соединения фаз между собой в «звезду»
или в «треугольник».
2.2. Соединение «звездой»
Для связи трехфазной цепи в «звезду» объединяют обратные
провода всех трех фаз в один так называемый «нулевой провод».
В результате получается четырехпроводная трехфазная цепь с
нулевым проводом. На рис. 2.3 показана трансформация несвязанной цени (а) в связанную (б) «звездой». Нулевые точки источ20
A
а)
C
EС
EА
zx
y
Обратные
xz
y
IВ
б)
A
UAB
0
EВ
UCA
a
Ub
IВ
U0
C UBC
IС
0
I0
c
b
IА
B
ZС
ZВ
IВ
IС
B
EС
ZА
IА IС
провода
EВ
EА
a
IА
b
Za
0′
Zb
Нулевой провод
Zc
Ua
Uc
c
Рис. 2.3.Соединение трехфазной цепи в звезду: а – до объединения обратных проводов; б – после объединения
ника «0» и приемника « 0′ » обычно заземляют; в этом случае необходимость в нулевом проводе отпадает, так как его роль играет
земля.
Ток нулевого провода
I 0 = I A I B I C . (2.2)
Поэтому в симметричном режиме ток нулевого провода отсутствует, а в несимметричном, как правило, невелик, не превосходит четверти линейного тока. Поэтому сечение нулевого
провода принимают 0,25 oт сечения линейного.
В трехфазных цепях различают два вида напряжений и токов – линейные и фазные. Под линейными токами понимают
токи в проводах линии передачи, соединяющих источники и приемники. В «звезде» это IA, IB, IC. Под фазными токами понимают
токи, протекающие непосредственно в сопротивлениях фаз или
в источниках фаз. При соединении «звездой» фазные и линейные токи совпадают. Линейными напряжениями называются
напряжения между линейными проводами или между соответствующими зажимами фаз А, B и С. Причем для единообразия положительные направления выбираются путем кругового обхода
+ +
21
а)
б)
U� CA
U� A
U� A
U� C
U� AB
U� B
U� B
U� C
U� A
U� CA
U� AB
30�
U� B
U� C
U� BC
U� BC
Рис. 2.4.Векторные диаграммы напряжений звезды: а – раздельно для
контуров; б – совмещенная
зажимов: UAB, UBC, UCA. Фазные напряжения – это напряжения
между линейными проводами или зажимами и нулевыми точками. Для приемников это UA,UB и UC (см. рис. 2.3, б), а для источников это UA = EA, UB = EB и UC = EC.
Уравнения напряжений для контуров, образованных попарно
фазами цепи, имеют в комплексной форме вид
U A − U B − U AB = 0, U B − U C − U BC = 0, U C − U A − U CA = 0. (2.3)
В соответствии с этими уравнениями построена на рис. 2.4,
а векторная диаграмма напряжений в симметричном режиме.
Каждому уравнению соответствует треугольник напряжений,
все три треугольника совмещены на рис. 2.4, б.
Из треугольника напряжений следует, что длина любого вектора линейного напряжения связана с вектором фазного напряжения соотношением U л = 3U ф. Из этого соотношения получаются стандартные линейные напряжения и соответствующие
фазные: 380 = 3 ⋅ 220 В и 220 = 3 ⋅ 127 В.
2.3. Соединение «треугольником»
Чтобы получить соединение «треугольником», объединяют
попарно прямой и обратный провода соседних фаз. Получается
цепь трехпроводная, при этом сечение проводов несколько увеличивается, но менее чем в 2 раза. На рис. 2.5 показан переход от
несвязанной цепи к связанной «треугольником». На рис. 2.5, б
видно, что источники оказываются включенными в контур со22
Обратный
Z
IСA
I АB
Прямой
A
a
ZА
EАB
Обратный
X
EСA
Прямой
B
EВ C
Y
A
Прямой
EАB
UAB
B
EСA
EВ C
IАB
x
IВ C
Обратный
C
b
IВC
IСA
y
c
IA
UCA
Uca
Ica
Uab
IB
UBC
C
z
Iab
Ubc
Ibc
IС
Рис. 2.5.Соединение трехфазной цепи треугольником: а – до объединения; б – после объединения.
а)
б)
I�
A
I�
ab
I�
ab
I�
ca
I�
B
I�
bc
I�
bc
I�
ca
I�
ab
I�
A
I�
B
I�
bc
I�
ca
I�
C
I�
C
Рис. 2.6.Векторные диаграммы токов треугольника: а – раздельно для
узлов; б – совмещенная
гласно-последовательно, что, однако, не опасно, так как сумма
трех симметричных ЭДС равна нулю и ток в контуре отсутствует.
23
В этой схеме линейные токи отличаются от фазных, протекающих в сопротивлениях приемника и в источниках. Они связаны на основании закона токов Кирхгофа соотношениями
I A − I ab + I cd = 0, I B + I bc − I ab = 0, I C − I cd + I bc = 0. (2.4)
На рис. 2.6, а построены векторные треугольники токов, отражающие эти соотношения, а на рис. 2.6, б – совмещенная векторная диаграмма. Из этой диаграммы видно, что между величинами линейных и фазных токов существует зависимость I л = 3I ф.
При этом Uф = Uл, так как фазы приемников подключены непосредственно на линейные напряжения.
2.4. Мощность трехфазной цепи и ее измерение
Мощность всей цепи складывается из мощностей всех фаз
P = PA + PB + PC (2.5)
Так как мощность каждой фазы Pф = Uф Iф cosjф, где Uф, Iф
и jф – соответственно напряжение, ток и фазовый сдвиг между
ними, то для «звезды» окончательно получим
P = U A I A cos ϕ A + U B I B cos ϕ B + U C I C cos ϕ C , (2.6)
а для «треугольника» обозначения будут другие:
P = U AB I ab cos ϕ AB + U BC I bc cos ϕ BC + U CA I ca cos ϕ CA . (2.7)
Если система симметричная, то для обеих схем получится
одна и та же формула
P = 3U ф I ф cos ϕ ф = 3( 3U ф I ф )cos ϕ ф = 3U л I л cos ϕ ф. (2.8)
При наличии нулевого провода измерение мощности производится в соответствии с формулой (2.5) по схеме трех ваттметров
(рис. 2.7, а). В симметричном режиме достаточно одного, показания которого утраиваются.
При отсутствии нулевого провода в схеме «звезда» и в схеме
«треугольник» мощность измеряют двумя ваттметрами, которые включают так, как это показано на рис. 2.7, б. Действительно, в схеме без нулевого провода для мгновенных значений токов
имеем iA + iB + iC = 0, или iС = – iА – iB. Для мгновенной мощности
справедливо
p = p A + p B + p C = U Ai A + U Bi B + U CiC = U Ai A + U Bi B −
(2.9)
−U C (i A + i B ) = (U A − U C )i A + (U B − U C )i B = U AC ⋅ i A + U BC ⋅ i B,
24
а)
A
B
C
0
б)
W1
A
W2
B
W3
в)
U�
AC
U�
A
W1
W2
U�
CA
I�
A
C
U�
C
U�
BC
U�
B
U�
BC
I�
B
Рис. 2.7.Измерения мощности: а) схема трех ваттметров; б – схема
двух ваттметров; в – векторная диаграмма
т. е. общая мощность равна произведению линейных напряжений на фазные токи и таким образом соответствует приведенной
выше схеме. Средняя мощность за период (активная) в соответствии с формулой для мгновенной мощности
p = p1 + p2 = U AC I A cos(∠U AC ,i A ) + U BC I B cos(∠U BC ,i B ), (2.10)
где UAC, UBC – линейные напряжения; IA и IB – токи в линейных
проводах; ∠U AC , iA – фазовый сдвиг между UAC и IA; ∠U BC , iB –
фазовый сдвиг между UBC и IB.
Обратить внимание, что вектор UAC противоположен вектору
UCA.
2.5. Расчет трехфазных цепей
К трехфазной цепи, как к цепи с несколькими источниками,
применимы все методы расчета сложных цепей: по законам Кирхгофа, контурными токами, узловыми напряжениями. Однако
вследствие некоторых симметричных особенностей цепи можно
упростить ее расчет.
Если цепь симметрична и сопротивления проводов линии передачи можно не учитывать вследствие их малости, расчет можно вести для одной фазы (например, фазы А). Токи и напряжения других по модулю будут точно такими же, а начальные фазы
их будут отличаться На 120 и 240° соответственно.
Так, для «звезды» получим


U
I A = A , I B = I A e − j120 , I C = I A e − j240 . (2.11)
zн
25
Для «треугольника» получим аналогично


U
I AB = AB , I BC = I A e − j120 , I CA = I A e − j240 . zн
(2.12)
а линейные токи определяются из уравнений по законам токов
Кирхгофа для узлов следующим образом:

1
3
)=
I A = I AB − I CA = I AB (1 − e − j240 ) = I AB (1 + − j
2
2

3
1
= I AB 3(
− j ) = 3I ABe − j30 ,
2
2

1
3
I B = I BC − I AB = I AB (e − j120 − 1) = I AB (− − j
− 1) =
2
2
(2.13)

3
1
= I AB 3(−
− j ) = 3I ABe − j150 ,
2
2


I C = I CA − I BC = I AB (e − j240 − e − j120 ) =

1
3 1
3
) = 3I ABe − j270 ,
= I AB (− + j
+ +j
2
2
2
2
т. е. ток I A отстает от I AB на 30°, a I B и I C соответственно
на 150 и 270°.
Несимметричные режимы «звезды» с нулевым проводом и
«треугольника» рассчитываются также довольно просто, так
как токи фаз можно определять независимо друг от друга (при
условии малости сопротивлений проводов):
для «звезды»
U
U
U
I A = A , I B = B , I C = C , I o = I A + I B + I C ; (2.14)
zA
zB
zC
для «треугольника»
U
U
U
I AB = AB , I BC = BC , I CA = CA , (2.15)
z AB
z BC
z CA
I A = I AB − I CA , I B = I BC − I AB, I C = I CA − I BC . (2.16)
При соединении «звездой» и отсутствии нулевого провода происходит искажение симметрии фазных напряжений нагрузки и
поэтому приходится применять общие методы анализа сложных
26
U�
A
I�
c
U�
a
I�
a
U�
0
U�
c
U�
C
U�
B
I�
b
U�
b
Рис. 2.8.Векторная диаграмма токов и напряжений звезды без нулевого провода
цепей. Обычно используется метод узловых напряжений, причем за узловое напряжение принимается напряжение U0 между
нулевыми точками приемника и источника (см. рис. 2.3, б).
Уравнения для определения узлового напряжения U0 имеют
вид
U
U
U
1
1 1 
+ )U o = A + B + C . ( +
(2.17)
za zb zc
za
zb zc
Решив это уравнение, т. е. определив U0, можно далее найти
напряжения и токи фаз
U a = U A − U o , U b = U B − U o , U c = U C − U o , (2.18)
U
U
U
I A = a , I B = b , I C = c . za
zb
zc
(2.19)
На рис. 2.8 построена векторная диаграмма токов и напряжений для случая «звезды» без нулевого провода.
Если сопротивления проводов необходимо учитывать, то в
«звезде» эти сопротивления просто добавляются к сопротивлениям приемника, а в «треугольнике» этот последний предварительно преобразуется в эквивалентную «звезду» по известным
правилам. А далее расчет ведется так, как было указано выше.
Если часть приемников соединена «звездой», а часть – «треугольником», то отдельно находятся токи в той и другой схеме, а
затем линейные токи суммируются.
2.6. Вращающееся магнитное поле
Одним из свойств трехфазного тока, благодаря которому он
получил распространение на практике, значительно сократив
27
применение постоянного и однофазного токов, является возможность при его помощи получать вращающееся магнитное поле.
Оно широко используется в двигателях и некоторых специальных устройствах.
Для получения магнитного поля, вращающегося вокруг некоторой оси, необходимо подвести систему трехфазных токов к
трем катушкам, расположенным вокруг этой оси под углом 120°
относительно друг друга. На рис. 2.9 изображена схематично
конструкция (статор и ротор электрической машины), состоящая
из коаксиально расположенных ферромагнитных кольца и цилиндра. На внутренней поверхности внешнего кольца (статора)
имеются продольные пазы, в которые вложены проводники. Эти
проводники с торцов соединены между собой таким образом, что
образуются три катушки из попарно соединенных диаметрально противоположных проводников. На рис.2.9 каждая катушка
(например, HA – KA) состоит из одного витка (двух проводников),
обычно в пазы укладывается много проводников, так что катушки получаются многовитковые. Ось A катушки HA– KA направлена вертикально вверх, ось B катушки HB – KB направлена под
углом 120° к оси A, а ось С – под углом 240° к оси A. При протекании тока по каждой катушке последняя создает магнитное поле,
направленное по оси соответствующей катушки. Если бы токи в
катушках в любой момент времени были бы одинаковы, то три
одинаковых магнитных поля, направленные по осям катушек,
действуя одновременно, скомпенсировали бы друг друга.
В действительности катушки питают трехфазным током, из
диаграммы которого на рис. 2.10 видно, что токи катушек в любой момент времени различны. Например, в момент t1 ток iA макiC
iB
НC
+
статор
A
КB
i A КА
НА iA
B
C
iB
НB
ротор
+
+
KC
iC
Рис. 2.9.Конструктивная схема электрической машины
28
t1
0
t2
iC
iА
iB
i
t3
t
Рис. 2.10.Временная диаграмма токов
симален и создает поле, направленное вверх по оси A. Токи iB и
iC составляют половину от амплитуды и отрицательны, поэтому
их поля в два раза слабее и направлены в отрицательную сторону
осей B и C. В результате наложения полей результирующее поле
направлено по оси A.
На рис. 2.11, а показано направление токов в проводниках
для момента времени t1, откуда видно, что в результате получается как бы единая катушка с осью A, создающая поле вдоль этой
оси, т. е. как бы электромагнит с одной парой полюсов N и S.
В момент t2 максимум тока будет уже в катушке C, но отрицателен, а токи iA и iB – положительны и равны половине амплитуды. Результирующая картина поля показана на рис. 2.11, б. Для
момента t3 картина поля изображена на рис. 2.11, в.
Из сопоставления этих рисунков видно, что результирующее
поле вращается так, что его ось всегда совпадает с осью той каа)
A
S
A
б)
A
в)
S
N
+
+
+
C
S
B
+
C
+
B
+
+
N
C
+
+
B
N
Рис. 2.11.Картина магнитного поля статора для моментов времени: а) t = t1; б) t = t2; в) t = t3
29
тушки, где ток в данный момент максимален. Поэтому время одного полного оборота поля вокруг оси равно периоду тока Т.
Можно получить систему с меньшей скоростью вращения
поля, если расположить на окружности внешнего кольца не 6, а
12 пазов, причем соединять в виток проводники, лежащие не в
диаметрально противоположных пазах, а под 90° (см. рис. 2.12).
Тогда при питании трехфазным током получится, например, для
момента времени t1 картина магнитного поля, изображенная на
рис. 2.12, т. е. как бы четырехполюсный электромагнит. За период Т этот электромагнит поворачивается на полуоборот, а полный
оборот делает за время равное 2Т. Если число пазов увеличить до
18, то получится электромагнит с тремя парами полюсов и соответственно временем одного оборота, равным 3Т, и т. д. В общем
случае скорость вращения поля, называемая синхронной и измеряемая числом оборотов в минуту, определится по формуле
nc =
60f
, об/мин, P
(2.20)
где Р – число пар полюсов, f – частота тока, Гц.
Из формулы следует, что максимальная скорость при f = 50 Гц
будет nc = 3000 об/мин, ее уменьшение за счет пар полюсов возможно лишь ступенями: 1500 , 1000, 750 об/мин и т. д.
Как указывалось выше, ось результирующего поля совпадает всегда с осью катушки, в которой токи максимальны. Поэтому поле всегда вращается в сторону отстающей фазы, т. е. после
фазы с током iA поле поворачивается в сторону фазы с током iB
и далее в сторону фазы с током iC. Чтобы изменить направление
вращения поля, нужно переключить только две фазы.
Принцип действия двигателей трехфазного переменного тока
основан на том, что вращающееся магнитное поле, созданное тоНA1 К
C2
+
+
+
N
НC2
S
КB2
КА2
КА 1
+
КC1
+
НA2
Рис. 2.12.Четырехполюсный статор
30
+
S
N
НB2
НB1
КB1
НC1
ками в катушках статора, увлекает за собой ротор. Вращающий
момент, действующий на ротор, создается в результате взаимодействия поля статора с полем ротора. Последнее создается либо
электромагнитами ротора (иногда постоянными магнитами ротора), либо токами, наведенными в роторе полем статора.
В первом случае ротор вращается точно с той же скоростью,
что и поле статора. Такой двигатель называется синхронным.
Во втором случае ротор вращается несколько медленнее поля
статора. За счет отставания (скольжения) ротора от поля статора в специальной короткозамкнутой обмотке ротора наводится
электромагнитным путем ЭДС и ток. Этот ток создает поле ротора, взаимодействующее с полем статора, в результате чего возникает вращающий момент. При увеличении нагрузки скольжение
увеличивается, так как требуется больший вращающий момент,
т. е. больший ток в роторе. Такие двигатели, у которых скорость
вращения меньше скорости поля статора и уменьшается с возрастанием нагрузки, называются асинхронными.
31
3. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
3.1. Конструкция и принцип действия
Синхронный генератор переменного тока является основным
видом источников переменного тока в энергетике, на транспорте
и на автономных электростанциях, стационарных и передвижных. В зависимости от вида первичного двигателя, приводящего
во вращение генератор, различают гидрогенераторы, турбогенераторы, дизель-генераторы и т. д. Но в любом случае конструктивная схема и принцип действия генераторов один и тот же.
На рис. 3.1, а схематично изображен однофазный синхронный генератор в поперечном разрезе.
Статор (наружное кольцо), выполнен из набора пластин электротехнической стали с продольными пазами, в которые вложены
проводники. Эти проводники с торцов соединены между собой
перемычками (лобовыми частями) так, что образуются витки.
Внутри кольца (в расточке статора) расположен ротор, представляющий собой постоянный магнит или электромагнит, вращаемый первичным двигателем. Магнитный поток, созданный ротором, проходит через плоскость витка статора так, как это показано на рис. 3.1, б. При вращении ротора этот поток периодически
меняет свое направление, т. е. изменяется от +Фм до –Фм, где
Фм – максимальное значение потока при вертикальном расположении полюсов ротора. Воздушный зазор между статором и ротором выполнен неравномерным так, чтобы распределение магнитной индукции B по окружности было синусоидальным. Тогда
а)
б)
N
e0
+
S
Рис. 3.1.Однофазный генератор: а – конструктивная схема; б – виток
с силовыми линиями
32
магнитный поток через плоскость витка будет изменяться при
вращении ротора по косинусоидальному закону
(3.1)
где α = ωt – угол поворота ротора; ω – скорость вращения, 1/с;
R – радиус ротора, м; l – длина ротора, м; Bm – амплитуда индукции, Тл.
При изменении потока, проходящего через плоскость витка,
в этом витке, согласно закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, величина которой определяется из выражения
e0 = −
dΦ
d
= − (Φ m cos ωt) = ωΦ sin ωt. dt
dt
(3.2)
Для получения напряжения нужной величины в пазы укладывают катушку из нескольких (w) витков, поэтому ЭДС одной
катушки
e = we 0 = ωwΦ m sin ωt = 2πfwΦ m sin ωt = Em sin ωt. (3.3)
Действующее значение ЭДС в
E=
2 раз меньше амплитуды Em:
Em 2πfwΦ m
=
= 4,44fwΦ m. 2
2
(3.4)
Таким образом, на зажимах катушки статора появляется синусоидальное напряжение, равное ЭДС. Временная диаграмма
потока и ЭДС изображена на рис. 3.2. Следует отметить, что частота ЭДС и напряжения точно соответствует скорости вращения
ротора, поэтому генератор называется синхронным.
e, Ф
e
Ф
0
t
Рис. 3.2.Временная диаграмма магнитного потока и ЭДС
33
Для того чтобы получить систему трехфазных ЭДС, на статоре располагают не одну пару пазов, а три, но смещенные по окружности соответственно на углы 120 и 240о (рис. 3.3). Во всех
катушках будут индуцироваться ЭДС, но смещенные во времени
на те же углы:
e A = Em sin ωt, e B = Em sin(ωt − 120  ), e C = Em sin(ωt − 240  ), (3.5)
т. е. получается система трехфазных ЭДС, причем строго одной
частоты, так как они индуцируются одним и тем же ротором.
Поскольку ЭДС е связана с потоком Фм производной с обратным знаком (3.2), то в комплексной форме ЭДС фаз будут определяться следующими выражениями:


 , E = − jωwΦ
 e − j120 , E = − jωwΦ
 e − j240 , (3.6)
E A = − jωwΦ
B
C
 – комплексное изображение действующего значения погде Φ
тока.
На рис. 3.4 представлена векторная диаграмма потока и ЭДС
трех фаз при холостом ходе, т. е. при отсутствии нагрузки.
Так как действующее значение ЭДС и напряжения определяется выражением (3.4), то величина напряжения генератора
может регулироваться только изменением потока: число витков
катушки w не регулируется в процессе работы, а частота f задана условиями работы – первичным двигателем. У генераторов с
электромагнитным возбуждением поток зависит от тока возбуждения электромагнитного ротора. При изменении последнего изменяется поток и, следовательно, регулируется напряжение генератора. Зависимость напряжения U = E от тока возбуждения
НC
+j
КB
+
N
КА
+
+
НB
НA
S
�
Ф
E� C
π/2
2π/3
2π/3
+1
E� B
КC
Рис. 3.3.Конструктивная схема
трехфазного генератора
34
E� A
Рис. 3.4.Векторная диаграмма
U=E
0
Iв
Рис. 3.5.Характеристика холостого хода генератора
Iв называется характеристикой холостого хода. Вид ее показан
на рис. 3.5. Нелинейность характеристики объясняется насыщением магнитопровода (пути прохождения потока по ротору и
статору). Как видно из характеристики, поток и, следовательно,
напряжение растет только до определенного предела увеличения
тока возбуждения, далее рост напряжения практически прекращается.
3.2. Работа генератора под нагрузкой
При подключении к генератору нагрузки в катушках статора
(фазах) появляется трехфазный ток, который создает свое магнитное поле, называемое полем реакции якоря. Это поле вращается со скоростью ротора и в ту же сторону. Поток поля реакции
якоря достигает максимума в катушке любой фазы, где ток I в
данный момент максимален (см. подразд. 2.6), т. е. поток реакции якоря и ток в каждой катушке совпадают по фазе.
Вращающееся поле реакции якоря индуктирует в катушках
статора ЭДС Eя, аналогичную ЭДС холостого хода, называемую
ЭДС реакции якоря. Эта ЭДС Eя отстает по фазе от создавшего ее
потока Фя и тока I соответственно на 90°. Кроме того, так как Фя
пропорционален создавшему его току I, а Eя пропорциональна
потоку, то в итоге ЭДС Eя пропорциональна току I, т. е. можно
записать с учетом фазы
E я = − jx c I,
(3.7)
35
где xc – коэффициент пропорциональности, имеющий размерность сопротивления (Ом), который называют синхронным индуктивным сопротивлением.
Следует добавить, что в xc включают также небольшое индуктивное сопротивление рассеяния xs, обусловленное магнитными
полями, тоже созданными токами статора, но не входящими в
расточку статора, как, например, поля лобовых частей, поля
внутри пазов и т. д. В режиме нагрузки на сопротивлении провода катушек имеет место падение напряжения, совпадающее по
фазе с током.
Учитывая сказанное, можно составить эквивалентную схему
фазы синхронного генератора (рис. 3.6) и записать для нее уравнение напряжений
U = E − jx c I − RI. (3.8)
В соответствии с этим уравнением на рис.3.7 построены векторные диаграммы тока и напряжений фазы генератора для случая активно-индуктивной (рис. 3.7, а) и активно-емкостной (рис.
3.7, б) нагрузки. Как видно из этих диаграмм, в зависимости от
характера нагрузки, напряжение U на зажимах либо уменьшается (j > 0) либо возрастает (j < 0). Этим и объясняется вид так называемых нагрузочных характеристик генератора – зависимости
напряжения на зажимах от величины тока нагрузки (рис. 3.8).
а)
jxc I�
jxc
E�
RI�
E�
jxc I�
E�
RI�
U�
I�
RI�
R
U�
Z
U�
φ
Рис. 3.6.Эквивалентная
схема фазы генератора
36
jxc I�
б)
I�
I�
φ
Рис. 3.7.Векторная диаграмма: а) j> 0;
б) j < 0
U
φ<0
Iв
φ>0
φ=0
E
I0
φ=0
φ<0
φ>0
0
I
Рис. 3.8.Нагрузочные характеристики
0
I
Рис. 3.9.Регулировочные характеристики
Как видно из кривых, напряжение на зажимах генератора
нестабильно. Для поддержания его величины неизменной можно соответствующим образом изменять ЭДС E, как это следует
из уравнения (3.8). А так как согласно характеристике холостого хода E зависит от тока возбуждения, то напряжение U можно
поддерживать изменением тока возбуждения. Соответствующие
зависимости тока возбуждения от тока нагрузки называются регулировочными характеристиками. Их вид зависит от характера
нагрузки (рис. 3.9).
37
4. ТРАНСФОРМАТОРЫ
4.1. Устройство однофазного трансформатора
Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования величины переменного напряжения и тока и работающее на принципе электромагнитной индукции.
Кроме непосредственного изменения величины напряжения
и тока трансформаторы часто используются для потенциального
разделения (изоляции) двух или более цепей, энергетически связанных между собой. Иногда трансформаторы выполняют роль
преобразователя числа фаз, служат также для преобразования
формы кривых напряжения, и тока и т. д.
Однофазный трансформатор конструктивно состоит из ферромагнитного сердечника, на котором расположены катушки из
медного или алюминиевого провода. На рис. 4.1, а схематично
изображен трансформатор броневого типа. Сердечники трансформаторов выполняются обычно из листовой электротехнической стали в виде шихтованных пластин или ленты, навитой
на оправку. Такое расслоение массивного сердечника позволяет
уменьшить потери энергии при перемагничивании стали переменным током, так называемые потери на вихревые токи. Сердечник, как правило, выполняется замкнутым с целью облегчить
его перемагничивание. На сердечнике располагается концентрически две или более катушек. Одна, подключенная к источнику переменного тока, называется первичной, другая, к которой
подключаются приемники энергии (нагрузка), называется втоа)
б)
в)
Рис. 4.1.Однофазный трансформатор: а – броневой; б – стержневой;
в – тороидальный
38
ричной. Начало и концы обмоток при одинаковом направлении
намотки провода обозначаются либо H1-K1, H2-K2 либо A-X, a-x
либо однополярные зажимы обеих катушек обозначаются значком (звездочкой, точкой и т. п.).
По типу сердечников трансформаторы разделяют на броневые, рассмотренные выше, П-образные или стержневые и тороидальные. У стержневых трансформаторов (рис. 4.1, б) катушки
расположены на одном или обоих стержнях, а у тороидального
(рис. 4.1, в) обе обмотки равномерно намотаны на круглом сердечнике, имеющем форму бублика.
4.2. Холостой ход трансформатора
Для пояснения принципа действия трансформатора рассмотрим сначала режим холостого хода, когда первичная обмотка
подключена к источнику переменного напряжения, а вторичная
разомкнута.
На рис. 4.2 изображен сердечник трансформатора с двумя катушками, которые расположены на разных стержнях для удобства пояснения принципа действия.
К первичной обмотке H1-K1 подведено переменное напряжение U1 и ток i1. Последний обуславливает магнитодвижущую
силу F1 = I1w1 (w1 – число витков первичной обмотки), которая
создает магнитное поле. Силовые линии этого поля большей частью замыкаются по сердечнику, сцепляясь с витками вторичной
обмотки (w2 – число витков вторичной обмотки). Магнитный поФS1
Н1
ФМ
ФS2
i1
u1
К1
i2
Н2
u2
К2
Рис. 4.2.Картина магнитного поля трансформатора
39
ток, соответствующий этим силовым линиям, называется потоком взаимной индукции (ФМ). Другая, меньшая, часть силовых
линий, которым соответствует поток рассеяния (ФS1), не сцепляется с витками вторичной обмотки и замыкается по воздуху. Оба
эти потока ФМ и ФS1, как и создающий их ток i1, переменные,
поэтому потоки индуцируют в первичной обмотке электродвижущие силы
dΦ М
dΦ S1
и e S1 = −w1
(4.1)
,
e М1 = −w1
dt
dt
Эти ЭДС, также как и ток i1, потоки ФМ и ФS1 – синусоидальны. ЭДС отстают (вследствие дифференцирования со знаком минус) на 90° от соответствующих потоков и могут быть записаны в
комплексной форме следующим образом:
 , E = − 1 jw ωФ
 ,
E М1 = − 1 jw1ωФ
М
S1
1
S1
2
2
(4.2)
 ,Ф

где E М1, E S1, Ф
М
S1 – комплексные величины ЭДС и потоков;
w1, w2 и ω – числа витков обмоток и угловая частота соответственно.
Ввиду насыщения стали сердечника, ЭДС EМ1 зависит от тока
I1 нелинейно. Эта зависимость, называемая характеристикой намагничивания или холостого хода, имеет типичный вид, показанный на рис. 4.3.
ЭДС ES1, напротив, от тока I1 зависит линейно, так как поток
ФS1 в основном замыкается по воздуху. Поэтому для этой ЭДС
U1 ≈ EM1
0
Рис. 4.3.Характеристика намагничивания
40
I1 = Iµ
линейную зависимость от тока можно записать следующим образом:
E S1 = − jx S1I1, (4.3)
где xS1 – индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки.
Кроме этих ЭДС в первичной обмотке возникает падение напряжения на активном сопротивлении провода R1
U R1 = R1I1. (4.4)
Так как приложенное к первичной цепи напряжение U1 уравновешивается EМ1, ES1, UR1 то уравнение напряжений для первичной цепи будет
U 1 = − E М1 − E S1 + R1I1 = − E М1 + jx S1I1 + R1I1. (4.5)
Во вторичной обмотке поток ФМ также индуктирует ЭДС
dΦ М
(4.6)
e М2 = −w2
,
dt
величина, которой в комплексной форме
 .
E М2 = − 1 jw2ωФ
М
2
(4.7)
В режиме холостого хода, когда вторичная цепь разомкнута и
ток i2 = 0, напряжение U20 на зажимах Н2-К2 вторичной обмотки
будет равно ЭДС eМ2, т. е. в комплексной форме
 .
U 20 = − E М2 = − 1 jw2ωΦ
М
2
(4.8)
В первичной цепи при холостом ходе EМ1 много больше падения напряжения на xS1 и R1, поэтому можно считать
 .
U 1 ≅ − E М1 = 1 jw1ωФ
М
2
(4.9)
Соотношение напряжений равно
U1 EМ1 w1
=
=
= n, U20 EМ2 w2
(4.10)
где n – коэффициент трансформации.
Таким образом, трансформатор является преобразователем
напряжений, соотношение которых определяется отношением
чисел витков w1 и w2 первичной и вторичной обмоток.
41
4.3. Работа трансформатора под нагрузкой
Нагрузочный режим работы трансформатора возникает тогда, когда к вторичной обмотке подключаются потребители энергии и во вторичной цепи начинает протекать ток I2. Этот ток создает МДС F2 = w2I2, которая накладывается на МДС первичной
обмотки F1 = w1I1. В результате поток сердечника ФМ, индуктирующий ЭДС E1 и E2 при нагрузке создается совокупным действием обеих МДС, т. е. результирующей МДС:
Fµ = F1 − F2. (4.11)
Эта МДС Fμ может быть представлена как МДС, созданная
только в первичной обмотке некоторым током Iμ, эквивалентным по своему действию совокупности токов обеих обмоток и называемым намагничивающей составляющей первичного тока
Fµ = w1I µ = w1I1 − w2I2. (4.12)
Так как U1 ≈ EM1 = w1ωФМ, то при нагрузке ФМ мало отличается от потока при холостом ходе, а создающий его ток Iμ мало отличается от тока холостого хода. Так как этот ток относительно
мал (Iμ << I1 при нагрузке), то можно считать, что
w1I1 − w2 I2 ≅ 0, или
I1 w 2 1
=
= ,
I 2 w1 n
(4.13)
т. е. соотношение токов обратно соотношению напряжений. Так
как вторичной ток аналогично первичному создает поток и ЭДС
рассеяния E S2 = jx S2I2 (см. рис. 4.2.), а также падение напряжения на сопротивлении R2, то для вторичной цепи можно записать
уравнение напряжений
U 2 = − E М2 − E S2 − R 2I2 = − E М2 − jx S2I2 − R 2I2. (4.14)
Полученным уравнениям первичной (4.5) и вторичной (4.14)
цепей можно поставить в соответствие эквивалентную схему
трансформатора, изображенную на рис. 4.4. На этой схема EМ1
и EМ2 представляют те ЭДС, которые индуктируются в обеих обмотках основным магнитным потоком или потоком взаимной
индукции ФМ.
Для удобства количественного учета процессов в трансформаторе производят приведение обеих обмоток к одному числу
витков. Обычно вторичную обмотку приводят к первичной, т. е.
42
Н1
U1
К1
I1
1
R1
xS1
1'
EМ1
I2
xS2
EМ2
2
R2
2'
Н2
Н1
U2
U1
К2
Рис. 4.4.Эквивалентная схема
трансформатора
I1
1
R1
xS1
К1
I2′
Н2
R2′
′
EМ1 = EМ2
U2′
xS′ 2
К2
2
Рис. 4.5.Эквивалентная схема
приведенного трансформатора
расчетным путем заменяют вторичную с числом витков w2 на
обмотку с числом витков w′2 = w1, но с условием, чтобы это не
отразилось на энергетических процессах, на токе и мощности
первичной обмотки. Это условие эквивалентности вынуждает
изменить параметры вторичной обмотки, поэтому параметры
приведенной вторичной обмотки обозначают со штрихами E′M2,
I′2 U′2, R′2, x′S2. Эти величины соотносятся с величинами неприведенной вторичной обмотки следующим образом:
w
E′М2 = EМ2 1 = nEМ2, EМ2 = E1, U′2 = nU2,
w2
I′2w1 = I 2w2, I′2 = I 2
w2 I 2
= ,
w1 n
(4.15)
2
I 
I′22R′2 = I 2R 2, R′2 =  2  R 2 = n 2R 2,
 I′2 
x′S2 = n 2x S2.
Соотношения (4.15) выведены из условия, что МДС, мощности (полезная, потерь и реактивная) обеих вторичных обмоток в
силу их эквивалентности должны быть одинаковы.
Поскольку E′M2 = EM1, то точки I и I′, 2 и 2′ (см. рис. 4.4) можно попарно объединить и тогда получится эквивалентная схема
приведенного трансформатора (рис. 4.5). Векторная диаграмма
для этой схемы построена на рис. 4.6.
Однако ее построение затруднено тем, что заранее неизвестно направление вектора E M1 = E ′M2 и соответственно вектора
намагничивающего тока Iμ, который необходим для построения
тока I1 = I µ + I′2. Поэтому принято упрощать эквивалентную схе43
jxS1I�1
U�1
R1I�1
′ 2 I�2′
jxS
E� М1
R2′ I�2′
U� 2′
I�2′
I�1
φ2
I�μ
Рис. 4.6.Векторная диаграмма приведенного трансформатора
а)
Н1
U1
б)
RK I�
1
′
I�
1 = I2
xS′ 2 R2′
R1 xS1
К1
jxK I�
1
U�
1
�
′
I�
1 = I2
Н2
′
U�
2
U2′
φ2
К2
Рис. 4.7.После упрощения: а – эквивалентная схема; б – векторная
диаграмма
му, пренебрегая намагничивающим током Iμ. Тогда эквивалентная схема принимает вид, показанный на рис. 4.7, а.
Уравнения напряжений (4.5) и (4.14) преобразуются в одно:
U ′ = U ′ − R I − jx I − R′ I − jx I = U − z I ,
2
1
1 1
S1 1
2 1
S2 1
1
к 1
где zк = R к + jx к, R к = R1 + R′2, x к = x S1 + x′S2.
Соответствующая этому уравнению векторная диаграмма
представлена на pис. 4.7, б. Она значительно упростилась по
сравнению с диаграммой на рис. 4.6.
Как видно из уравнения и диаграммы, напряжение на нагрузке U2 отличается от напряжения при холостом ходе U20 из-за падения напряжения от тока I1 на активных сопротивлениях проводов обмоток и индуктивных сопротивлениях, обусловленных
магнитными потоками рассеяния.
44
Эти сопротивления учитываются величинами Rк, xк и
Z к = R к2 + x к2 , которые называются сопротивлениями (активными, индуктивными и полными) короткого замыкания.
Зависимость вторичного напряжения трансформатора от тока
нагрузки называется нагрузочной характеристикой. Эта характеристика может быть определена экспериментально. Однако
это связано с техническими трудностями создания соответствующих нагрузок. Поэтому предпочтительнее определить экспериментально параметры короткого замыкания (Rк, xк, Zк), а с их
помощью из векторных диаграмм для различных значений тока
нагрузки I2 определить вторичное напряжение U’2. На рис. 4.8
представлены нагрузочные характеристики при различном характере нагрузки. При j > 0, U2 с ростом I2 падает, а при j < 0
может даже возрасти.
При работе трансформатора часть подведенной мощности идет
на компенсацию потерь в трансформаторе. Различают потери в
стали сердечника на гистерезис и вихревые токи и потери в меди
обмоток на их нагревание. Первые зависят от приложенного напряжения и в нормальном эксплуатационном режиме постоянны. Их называют потерями холостого хода (обозначают PC), так
как определяют из опыта в режиме холостого хода.
КПД трансформатора при различных токах нагрузки определяется из формулы
P
P2
PC + PM
η= 2 =
=1−
=
P1 P2 + PC + PM
P2 + PC + PM
(4.17)
PC + R к I′22
=1−
,
U′2I′2 cos ϕ + PC + R к I′22
U2
U20
φ<0
φ=0
φ>0
0
I2
Рис. 4.8.Нагрузочные характеристики трансформатора
45
η
0
I2
Рис. 4.9.Кривая КПД трансформатора
где PC – потери в стали, которые экспериментально определяются
из опыта холостого хода при номинальном напряжении U1; PМ –
I
потери в меди при токе I′2 = 2 ; P2 = U2 I 2 cos ϕ 2 = U′2 I′2 cos ϕ 2 – поn
лезная мощность при токе I2.
Кривая зависимости η от тока нагрузки I2 показана на
рис. 4.9.
Максимум η получается при том токе I2, при котором PМ = PC,
в чем нетрудно убедиться, исследовав формулу (4.17) на максимум.
4.4. Трехфазные и измерительные трансформаторы
Для преобразования трехфазного тока в энергетике применяют специальные трехфазные трансформаторы, и только при
больших мощностях (свыше 2000 кВт) в каждой фазе используют по одному однофазному. Трехфазный трансформатор по конструкции напоминает однофазный броневого типа, только средний стержень у него такого же сечения, что и крайние, а обмотки попарно (первичные и вторичные) расположены на всех трех
стержнях (рис. 4.10).
При подключении первичных обмоток трехфазного трансформатора к трехфазному напряжению в обмотках возникает
трехфазная система токов, создающая в стержнях сердечника
магнитные потоки. В отличие от однофазного трансформатора,
где в сердечнике возникает один поток, совпадающий по фазе с
током, в трехфазном в каждом стержне возникает свой поток,
смещенный по фазе относительно потоков в других стержнях
на 120° и 240°, соответственно. Намагничивающие токи в фазах
46
Катушка
фазы А
Катушка
фазы B
Катушка
фазы C
Рис. 4.10.Трехфазный трансформатор
также смещены на 120° и 240°, но не одинаковы по величине, так
как длина силовых линий в среднем стержне короче, чем в крайних. Поэтому намагничивающий ток в обмотке среднего стержня меньше, чем в обмотке крайних. Магнитные потоки стержней
сердечника индуцируют в обмотках трехфазную систему ЭДС.
Таким образом, в каждой фазе происходит преобразование напряжения точно так же, как и в однофазном трансформаторе.
Для каждой фазы могут быть составлены уравнения и построены
одинаковые векторные диаграммы, только все диаграммы будут
сдвинуты относительно друг друга на 120° и 240°. Обмотки трехфазного трансформатора могут быть соединены по схеме «звезда» и «треугольник», причем способ соединения одной обмотки
не зависит от способа соединения другой. Наиболее распространенный способ соединения понижающих трансформаторов подстанций Y/Y0, т. е. первичная – «звезда», вторичная – «звезда
с нулем». Наличие «нуля» на стороне низкого напряжения позволяет иметь два напряжения – линейное 380 В и фазное 220 В.
При этом возможно подключение как двигательной нагрузки
380 В, так и осветительной 220 В. Если осветительная нагрузка
не предусмотрена, то возможно соединение Y/YΔ.
В зависимости от способов соединения обмоток принята классификация трансформаторов по группам соединения. Основанием для деления на группы служит величина угла между линейными напряжениями первичной и вторичной обмоток, что важно при подключении трансформаторов на параллельную работу.
47
У одинаковых групп этот угол должен быть тоже одинаковым.
Обозначение группы основано на сопоставлении с положением
стрелок часов. При этом минутная стрелка устанавливается на
цифре 12 и с ней совмещается вектор первичного напряжения.
Часовая же стрелка совмещается с вектором вторичного напряжения. Час, который показывает часовая стрелка, называется
группой соединения. Так, на рис. 4.11 для соединения Y/Y0 имеем группу «0» (ноль часов). На рис. 4.12 при соединении Y/YΔ
имеем группу «11».
В некоторых случаях, когда не хватает мощности трансформатора, вместо его замены можно добавить второй трансформатор, присоединив его параллельно. Но параллельное соединение
возможно лишь в том случае, если группы обоих трансформаторов одинаковы. В противном случае вторичные напряжения будут смещены по фазе и возникнет уравнительный ток, опасный
для обмоток трансформаторов.
A
UAB
A
B
C
UAB
Uab
a
11
b
12
10
9
C
c
1
UAB
2
Uab
Uab
3
8
4
7
6
5
Рис. 4.11. Группа соединения «0»
48
B
a
c
b
UAB
A
B
C
A
30°
a
Uab
11
b
12
10
9
c
B
C
a
Uab
1
UAB
60°
2
Uab
b
3
8
4
7
UAB
6
c
5
Рис. 4.12. Группа соединения «11»
Для электрических измерений в высоковольтных цепях и для
расширения пределов измерения приборов применяют измерительные трансформаторы напряжения и тока.
Трансформатор напряжения используется для подключения
приборов, реагирующих на напряжение: вольтметров, частотомеров, обмоток напряжения ваттметров и фазометров и т. п.
На рис. 4.13 представлена схема подключения приборов через трансформатор напряжения. Вторичная обмотка по ГОСТу
всегда рассчитана на подключение приборов с пределом 100 В,
а первичная – на измеряемое напряжение. Так как сопротивление приборов велико, то трансформатор работает практически в
режиме холостого хода. Поэтому соотношение напряжений довольно точно ровно коэффициенту трансформации:
U1 w1
=
= n, U1 = U2 ⋅ n.
U2 w2
49
A
X
a
x
V
I1 A
X
a
x
A
W
Ч
Рис. 4.13.Схема включения транс- Рис. 4.14.Схема включения трансформатора напряжения
форматора тока
Измерив прибором U2 и зная n, всегда можно определить первичное напряжение U1.
Трансформатор тока используется для подключения приборов, реагирующих на ток: амперметров, токовых обмоток ваттметров, фазометров и т. д. На рис. 4.14 представлена схема
включения приборов через трансформатор тока. Вторичная обмотка рассчитана на подключение приборов с пределом 5 А, а
первичная – на измерение любых токов. Так как сопротивление
токовых приборов мало, то трансформатор работает в режиме,
близком к короткому замыканию. В этом режиме можно пренебречь намагничивающим током. Тогда соотношение токов определяется коэффициентом трансформации.
I1 w 2 1
1
=
= , I1 = I 2 .
I 2 w1 n
n
При большой разнице в токах, когда измеряемый ток составляет сотни и тысячи ампер, число витков первичной обмотки
мало, очень часто всего один виток.
Следует обратить внимание на то, что приборы подключаются
к трансформатору напряжения параллельно, а к трансформатору тока последовательно.
50
5. СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
5.1. Неуправляемые выпрямители
В связи с успехами в создании полупроводниковых приборов
в электроэнергетике получили широкое применение различные
устройства силовой электроники. В сетях аэродромного питания
преобразователи переменного напряжения в постоянное (выпрямители) применяются для зарядки аккумуляторных батарей, а
преобразователи постоянного напряжения в переменное (инверторы) используются как источники резервного электроснабжения. Во всех этих полупроводниковых преобразователях в качестве основных силовых элементов используются кремниевые
диоды и тиристоры, а в последнее время – силовые транзисторы.
Кремниевый диод состоит из активной кремниевой пластины,
в которой методами диффузии создан p-n-переход, обладающий
вентильными (выпрямительными) свойствами, и корпуса, обычно металлического, с двумя выводами – анодом и катодом. Электрические свойства диода и его классификационные параметры
удобно рассматривать на примере схемы однополупериодного
выпрямления (рис. 5.1, а).
Диод VD вместе с нагрузочным сопротивлением R находится
под действием синусоидального напряжения
U12 = U m sin ωt.
В течение полупериода, когда U12 отрицательно, диод заперт,
т. е. практически тока не проводит. Но как только U12 станет положительным и превысит величину порогового (UП ≈ 1В), диод
становится проводящим. На рис. 5.1, б приведена вольтампера)
1
б)
VD 2 R
3
i
200
100
В 500
в)
A
1
uП
20
mA
В
1
Анод
uП
RД
3
Катод
u13
Рис. 5.1.Диод: а – классификационная схема; б – вольт-амперная характеристика; в – эквивалентная схема
51
ная характеристика диода, которой соответствует эквивалентная схема на рис. 5.1, в, а на рис. 5.2 – кривые выпрямленного
тока и напряжений: U12 – источника, U13 – на диоде, U32 – на
нагрузке R.
Электрические свойства диодов характеризуются «классификационными» параметрами, которые приводятся в справочниках. Эта параметры указываются для классификационной схемы однополупериодного выпрямления на активное сопротивление (рис. 5.1, а).
К этим параметрам относятся:
номинальное обратное напряжение U обр = U m = 2U12;
T /2
I
1
( I m sin ωt)dt = m ;
номинальный средний ток I ср =
T 0
π
прямое падение напряжения при токе Iср
U13 = UП + RД Iср, где RД – динамическое сопротивление диода, определяемое наклоном ВАХ.
Однополупериодная схема выпрямления в выпрямительных
устройствах используется редко из-за больших пульсаций тока
и напряжения на нагрузке. В однофазных цепях чаше используются двухполупериодная схема выпрямления (рис. 5.3, а) и мостовая (5.3, б). Первая требует обязательно использования трансформатора для создания нулевой точки, а вторая – не требует, в
чем ее преимущество.
∫
u32
u
0
t
uобр
u13
i
i
Iср
Im
t
Рис. 5.2.Однополупериодное выпрямление, кривые напряжения и тока
52
а)
б)
U
VD1
2
U
RН
u12
VD1
VD3
VD2
VD4
VD2
i
i
1
1
RН
2
u12
Рис. 5.3.Однофазное выпрямление: а – схема с нулевой точкой; б – мостовая схема
Среднее значение выпрямленного напряжения в обеих этих
схемах
U ср =
2
T
T /2
∫
0
2
2 2
(U m sin ωt)dt = U m =
U = 0,9U,
π
π
где U – действующее значение питающего напряжения.
Кривые выпрямленного напряжения и тока приведены на
рис. 5.4.
u 12
u
Uср
t
u
i
i
Iср
t
Рис. 5.4.Диаграммы напряжения и тока
53
В мощных выпрямительных установках, а также тогда, когда
требуются малые пульсации выпрямленного напряжения, применяют трехфазные и многофазные схемы выпрямления.
На рис. 5.5 и 5.7 показаны трехфазные схемы с нулевым выводом и мостовая, а на рис. 5.6 и 5.8 – диаграммы напряжений.
Первая требует обязательно использования трансформатора, а
вторая может применяться без него. Но обычно трансформатор
A
B
C
2
u 12
RН
iA
VD 1
VD 2
iB
iC
VD3
1
Рис. 5.5.Трехфазная схема выпрямления с нулем
u
u 12
Uср
t
uC
i
iA
uA
iB
uB
iC
t
Рис. 5.6. Диаграммы напряжений и токов
54
A
B
C
VD1
VD4
VD2
VD5
VD3
VD6
i
1
RН
2
u12
Рис. 5.7.Трехфазная мостовая схема выпрямления
u
uA
uB
uC
t
u 12
t
Рис. 5.8.Диаграммы напряжений
используется в обоих случаях, для того чтобы получить необходимую величину выпрямленного напряжения:
для нулевой схемы
5T
U ср
3
=
T
12
∫
T
( 2U sin ωt)dt = 2U
3 3
= 1,17U ф = 0,636U л;
π 2
12
55
для мостовой схемы
T
U ср
3
6
61
( 2 3U sin ωt)dt = 6U
=
= 2,34U ф = 1,35U л;
TT
π2
∫
6
В мостовой схеме время проводимости каждого диода в два
раза меньше времени проводимости диода в схеме с нулем, поэтому пульсации выпрямленного напряжения получаются меньше.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в силовых
выпрямителях применяют индуктивность, включаемую в цепь
выпрямленного тока, так называемый сглаживающий дроссель.
Этот дроссель является большим сопротивлением для высших
гармоник тока и поэтому подавляет их, в то время как на постоянную составляющую он не оказывает никакого влияния.
5.2. Управляемые выпрямители
Силовая часть управляемого выпрямителя (рис. 5.9) содержит следующие основные функциональные элементы: трансформатор Т, коммутатор К, состоящий из управляемых вентилей, и
сглаживающий фильтр Ф [5]. В качестве промежуточного фильтра в цепи постоянного тока выпрямителя, как правило, используется сглаживающий реактор.
Полупроводниковые выпрямители могут классифицироваться по следующим основным признакам:
по числу фаз источника питания: однофазные, трехфазные;
по схеме преобразования: нулевые, мостовые, каскадные;
по возможностям регулирования: неуправляемые и управляемые.
В агрегатах бесперебойного питания наиболее широко используются однофазные нулевая и мостовая и трехфазная мостовая
схемы преобразования [6].
Выпрямитель в составе агрегата бесперебойного питания
(АБП) подключается либо к аккумуляторной батарее (АБ) и инвертору, либо только к входу инвертора. Входная цепь инвертора
Источник
Т
К
Рис. 5.9.Структурная схема выпрямителя
56
Ф
Нагрузка
всегда содержит фильтр. В инверторах напряжения в качестве
фильтра используется конденсаторная батарея, включенная на
входе инвертора параллельно коммутатору. В инверторах тока
функции фильтра входной цепи выполняет включенный последовательно с коммутатором сглаживающий реактор.
Таким образом, выпрямители АБП работают в режиме сглаженного постоянного тока на нагрузку с противоЭДС.
Однофазная (двухполупериодная) нулевая схема преобразования, применяемая в управляемых выпрямителях небольшой
мощности с низким уровнем выходного напряжения (десятки
вольт), приведена на рис. 5.10, а. На рис. 5.10, б, в изображены
кривые тока первичной обмотки i1, напряжений на вентиле uV и
выпрямленного напряжения ud при идеально сглаженном токе
на выходе выпрямителя (Ld = ∞).
В интервале от 0 до π потенциал верхнего конца вторичной полуобмотки (помечен точкой на рис. 5.10, а) положителен по отношению к средней точке. Следовательно, анод вентиля VS1 положителен по отношению к катоду. При подаче в момент α (α – угол
управления) импульса управления на вентиль VS1 он включится
и будет проводить рабочий ток в интервале α – (π + α). В момент
(π + α) при подаче управляющего сигнала включится вентиль
VS2, так как напряжение нижнего конца обмотки трансформатора будет положительным по отношению к верхнему и анод VS2
б) u d
а)
π
uV
i1
VS1
Rd
id
Ld
ud
E0
+
2π ϑ
в)
i1,u V
Uпр. max
i1
VS2
ϑ
α
uV
Uоб. max
Рис. 5.10.Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней
точкой: а – схема; б, в – токи и напряжения на элементах
схемы
57
будет положителен по отношению к катоду. В образующемся
при этом контуре VS1 – VS2 – вторичная обмотка трансформатора возникнет быстро нарастающий ток коммутации. Направление этого тока противоположно направлению тока вентиля VS1.
Скорость нарастания определяется реактивным сопротивлением
рассеяния и напряжением вторичной обмотки в момент коммутации. За относительно малое время коммутации (угол коммутации обозначается γ) ток в вентиле VS1 снизится до нуля, а ток
вентиля VS2 возрастет до значения рабочего тока Id. Во втором
полупериоде процессы будут протекать аналогично первому.
Как видно из рис. 5.10, в, форма кривой напряжения на вентиле uV в случае управляемого выпрямителя зависит от угла α.
Токи вентилей, если положить γ = 0, представляют собой прямоугольные импульсы с амплитудой Id и скважностью Q = 2.
Если пренебречь углом коммутации, то можно записать следующие основные соотношения, характеризующие работу выпрямителя и его элементов:
2
Ud =
U2ф cos α = U d0 cos α;
π
U пр.max = 2 2U2ф sin α;
U об.max = 2 2U2ф;
(5.1)
I d = (U d − E0 )/ R d ;
I Vср = I d /2; I V = I d / 2; I 2 = I d / 2; I1 = I 2 / kТ;
где U2ф – действующее значение фазного напряжения вторичной
обмотки трансформатора; Ud – среднее значение выпрямленного
напряжения; Ud0 – то же при α = 0; Е0 – противоЭДС нагрузки;
Unp.max, Uоб.max – максимальные значения прямого и обратного
напряжений на вентиле; Id – средний выпрямленный ток; IVcp –
средний ток вентиля; IV – действующее значение тока вентиля;
I1, I2 – действующие значения тока первичной и вторичной обмоток; kТ – коэффициент трансформации; Rd – активное сопротивление цепи постоянного тока.
Расчетные мощности первичной и вторичной обмоток S1, S2 и
типовая мощность трансформатора ST будут
π
π
S1 = U1ф I1 =
Pd ;
S2 = U2ф I 2 = Pd ;
2
2 2
S + S2
π
=
SТ = 1
(1 + 2) = 1,34Pd .
2
4 2
58
Здесь Pd = UdId; U1ф = kТU2ф.
При более высоких напряжениях цепи постоянного тока АБП
(сотни вольт) и средних мощностях (до десятков кВ∙А) в выпрямителях используется однофазная мостовая схема (рис. 5.11, а).
Из диаграмм токов и напряжений (рис. 5.11, б–г) видно, что имеется почти полная аналогия процессов в однофазных нулевой и
мостовой схемах выпрямления. Суть различий схем заключается в том, что в мостовой схеме в цепи рабочего тока всегда оказываются последовательно включенными два вентиля. Из-за этого
потери в вентилях мостовой схемы при низких выпрямленных
напряжениях больше потерь в нулевой схеме. В то же время при
одинаковом выпрямленном напряжении напряжение на закрытых вентилях (Uпр.max и Uoб.max) в нулевой схеме в 2 раза выше,
чем в мостовой. Этими различиями и определяются области их
эффективного применения. Соотношения (5.1), за исключением
выражений для Unp.max и Uoб.max, справедливы и для мостовой
схемы. Расчетные мощности обмоток и типовая мощность трансформатора для однофазной мостовой схемы определяются из соотношений
S1 = S2 = ST = 1,11Pd .
В трехфазных АБП, как правило, используется трехфазная
мостовая схема выпрямления (рис. 5.12, а).
б) ud
π
а)
i1
VS1
VS3
id
i2
Rd
в) uV
Ld
Uпр. max
α
+
VS2
VS4
2π ϑ
ϑ
Uоб. max
E0
г)
i1
ϑ
Рис. 5.11.Однофазный мостовой выпрямитель: а – схема; б, в, г – токи
и напряжения на элементах схемы
59
б) u
α γ
ua
i V1
uc
iV3
iV5
ϑ
0
а)
ua
ub
iа
хs
ub
хs
uc
хs
VS1 VS 3 VS5
Ld
в)
ia,u d
Rd u d
+
uV VS VS VS E0
4
6
2
ia
ud
ϑ
г) uV
ϑ
Рис. 5.12.Трехфазный мостовой выпрямитель: а – эквивалентная схема; б, в, г – кривые токов и напряжений на элементах схемы
с учетом коммутации
Так же, как и в однофазной, в трехфазной схеме вентили
образуют две группы – анодную и катодную. В любой момент
времени в катодной группе будет открыт тот вентиль, потенциал анода которого выше потенциалов анодов других вентилей в
группе, а в анодной группе – вентиль, потенциал катода которого
ниже потенциала катодов других вентилей группы. Потенциал
отсчитывается по отношению к нулевой точке вторичной обмотки трансформатора. Коммутация тока с одного вентиля на следующий, очередной в данной группе, происходит под действием
разности фазных напряжений. В неуправляемых выпрямителях
это происходит в моменты, которые соответствуют пересечениям
синусоид фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора (точки естественной коммутации), а в управляемых – в моменты, определяемые углом α. Если пренебречь длительностью
процесса коммутации, то для трехфазной мостовой схемы будут
справедливы следующие соотношения:
60
Ud =
3 6
U2ф cos α = U d0 cos α;
π
U пр.max = 6U2ф sin α;
I d = (U d − E0 )/ R d ;
U об.max = 6U2ф;
I Vср = I d /3;
I V = I d / 3;
I 2 = I d 2/3; I1 = (1/ n) I d 2/3.
Расчетные соотношения для мощностей первичной, вторичной обмоток и типовой мощности трансформатора приведены
ниже:
S1 = S2 = ST = 3U1фI1 = 3U2фI2 = Pdπ / 3 = 1,05 Pd.
Трехфазные мостовые выпрямители применяются в АБП
средней и большой мощности (десятки кВ∙А и больше). При таких мощностях реактивное сопротивление рассеяния выпрямительного трансформатора значительно (eк = 6–7%). Рассмотрим
протекание процесса коммутации с учетом индуктивности в контуре коммутации. При работе вентилей VS1 и VS2 следующим
вентилем, вступающим в работу, является вентиль VS3. В момент
времени J1 на вентиль VS3 подается управляющий импульс и начинается коммутация тока Id с вентиля VS1 на вентиль VS3. Нетрудно заметить, что контур коммутации образован вторичными
обмотками трансформатора фаз а и b. Фаза с на процесс коммутации влияния не оказывает, так как через нее и вентиль VS2 в
этом интервале протекает неизменный ток Id. Процесс коммутации длится до тех пор, пока под действием разности напряжений
фаз а и b ток вентиля VS3 не достигнет величины Id. При этом ток
вентиля VS1 станет равным нулю. Уравнение коммутации [5,6]
имеет вид
cos α − cos(α + γ) = 2I dx s /(U2ф 6),
где xs – реактивное сопротивление рассеяния трансформатора.
В интервале коммутации кривая изменения потенциала узла,
к которому подключены коммутирующие вентили, определяется по формуле
u2 = (u a + u b )/2.
С учетом этого среднее выпрямленное напряжение
U d = U d0 cos α − 3I dx s / π.
61
б)
u
а)
A
B
α = 60°
u+
a
Ld
b
Rd
c
+
C
α = 30°
u+
E0
0
в)
ϑ
u–
ud
u–
ϑ
Рис. 5.13.Трехфазный мостовой выпрямитель с неполным числом управляемых вентилей: а – схема; б – диаграмма потенциалов
полюсов выпрямителя при α = 30° и 60°; в – диаграмма выпрямленного напряжения
Кривые фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора, токов и напряжений на элементах схемы на рис. 5.12, а
с учетом коммутации приведены на рис. 5.12, б–г.
В отдельных случаях в мостовой схеме только в одной из групп
(катодной или анодной) используются управляемые вентили.
Другую группу образуют неуправляемые вентили (рис. 5.13, а).
Как видно из рис. 5.13, б, в, кратность пульсаций в кривой выпрямленного напряжения при α ≠ 0 по сравнению с полностью
управляемой мостовой схемой изменялась, снизившись с шести
до трех.
Выпрямленное напряжение полууправляемой схемы определяется по формуле
Ud =
3 6
1 + cos α
1 + cos α
.
U2ф
= U d0
2
2
π
По сравнению с симметричной эта схема потребляет из сети
ток, содержащий как нечетные, так и четные гармоники, что
приводит к ухудшению коэффициента искажения, в то же время
из сети потребляется меньшая реактивная мощность [5,6].
5.3. Коэффициент мощности, потери и КПД выпрямителей
Параметры силовых трансформаторов и коммутационной аппаратуры определяются полной мощностью, потребляемой пре62
образовательным агрегатом. Для определения полной мощности
преобразователя при известной мощности на стороне выпрямленного тока необходимо знать коэффициент мощности выпрямителя и его КПД.
Как видно из рис. 5.14, а, выпрямитель потребляет из сети несинусоидальный ток, 1-я гармоника которого сдвинута в сторону отставания относительно кривой питающего напряжения на
угол j1.
На рис. 5.14, а, б представлены временные диаграммы напряжения питающей сети и потребляемого тока для однофазной
мостовой схемы в режиме работы с идеально сглаженным током
для идеализированного случая γ = 0 (рис. 5.14, а) и для реального
выпрямителя γ ≠ 0 (рис. 5.14, б). На рис. 5.14, в, г изображены
аналогичные кривые для трехфазной мостовой схемы при соединении питающего трансформатора «звезда – звезда».
а)
u, i
φ1
u
i (1)
Id /kT
ϑ
б)
u, i
u
i
ϑ
в) u, i
u
i
ϑ
г)
u, i
u
i
ϑ
Рис. 5.14.Диаграммы напряжения питающей сети и потребляемого из
сети тока для различных схем выпрямления
63
Коэффициент мощности λ в общем случае определяется как
отношение активной мощности, потребляемой выпрямителем Р,
к полной мощности выпрямителя S [5,6]:
λ=
P
.
S (5.2)
Так как напряжение питающей сети практически синусоидально, то активная и полная мощности записываются следующим образом:
P = U ⋅ I1 ⋅ cos ϕ1;
(5.3)
2
S = U ⋅ I = U I (1)
+ I (2n) ,
где U, I – действующие значения напряжения и тока питающей
сети; I(1) –действующее значение 1-й гармоники потребляемого
тока; I(n) – действующее значение гармоники тока n-го порядка;
j1 – угол сдвига 1-й гармоники тока по отношению к питающему
напряжению. С помощью (5.2) и (5.3) для λ можно получить
∑
λ=
I (1) cos ϕ1
2
I (1)
+
∑ I(2n)
= ν cos ϕ1,
где ν – коэффициент искажения кривой тока.
Для идеализированного выпрямителя, у которого j1 = α, коэффициент мощности
λ = ν ⋅ cos α.
Для прямоугольной формы кривой тока коэффициент искажения
ν = 2 2 / π,
и, следовательно,
λ=
2 2
cos α.
π
При наличии процесса коммутации j1 > α.
Угол сдвига j1 приблизительно можно принять равным j1 ≈
α + γ/2,
откуда
cos ϕ1 ≈ cos(α + γ /2). (5.4)
При углах γ < 30о
64
cos ϕ1 ≈ [cos α + cos(α + γ) ]/2. (5.5)
Коэффициент искажения при учете коммутационных участков определяется с достаточной степенью точности в предположении изменения тока при коммутации по линейному закону.
Погрешность, возникающая от такого допущения, крайне мала.
Значение коэффициента искажения для трапецеидальной формы
тока, потребляемого из сети, определяется следующим образом:
2 2
ν=
kД
π
где
kД =
2sin( γ /2)
.
γ 1 − 2γ /3π
В рабочем диапазоне изменения γ коэффициент kД близок к
единице.
Для трехфазного мостового выпрямителя при равенстве нулю
угла коммутации угол j1 = α, коэффициент искажения при этом
равен v = 3/π. Таким образом, для идеализированного трехфазного мостового выпрямителя можно написать
λ=
3U1ф I (1) cos ϕ 1
3U1ф I
3
= ν cos ϕ1 = cos α 1.
π
С учетом процесса коммутации cos j1 определяется по (5.4)
или (5.5).
Коэффициент искажения кривой тока, изображенной на рис.
5.14, г для случая γ ≠ 0, определяется по формуле
ν≈
γ γ2 
3
+ .
1 +
π  4π 24 
В результате для коэффициента мощности трехфазного мостового выпрямителя имеем
λ = ν cos ϕ1 =
γ γ2 
γ
3
+  cos(α + ),
1 +
π  4π 24 
2
или
λ=
γ γ 2  cos α + cos(α + γ)
3
.
+ 
1 +
π  4π 24 
2
65
Активные потери в схеме выпрямителя можно разбить на следующие основные составляющие: потери в вентилях – ΔPV; потери в питающем трансформаторе – ΔРт = ΔРс + ΔРм, где ΔРс – потери в стали магнитопровода, ΔРм – потери в обмотках; потери
в реакторах (анодных, сглаживающем) – ΔРр; потери во вспомогательных устройствах (системах управления, охлаждения) –
ΔРвс.
Потери ΔРс и ΔРвс практически постоянны и не зависят от нагрузки выпрямителя.
Потери в вентилях приближенно определяются следующим
образом:
∆PV = m∆U V I Vср ,
где m – число вентилей в схеме выпрямления; ΔUV – среднее значение прямого падения напряжения на вентиле.
Более точная формула для ΔPV получается при разбиении потерь в вентиле на две составляющие:
∆PV = m(U (ТО) I Vср + rT I V2 ).
Первая формула более удобна для расчета потерь в выпрямителях на средние и высокие напряжения, а вторая – для выпрямителей на низкие напряжения.
В выпрямителе со сглаженным током при малых пульсациях
кривой id можно считать Pd = Ud Id.
При этом КПД выпрямителя можно записать следующим образом:
η=
Ud Id
,
U d ⋅ I d + ∆Pc + ∆Pвс + mk1I d ∆U V + n1k32R1I d2 + n2k22R 2I d2 + ∆Pр
где k1 = IVср / Id; k2 = I2 / Id; k3= I1/Id; n1; n2 – числа отдельных обмоток на первичной и вторичной сторонах трансформатора; R1;
R2 – активные сопротивления первичной и вторичной обмоток.
Потери в реакторах схемы определяются следующим образом:
ΔРp = ΔРp.с + ΔРp.a,
где ΔРp.с= Rp.сId2 – потери в сглаживающем реакторе, активное
сопротивление которого Rp.с; ΔРp.a = m Rp.a k22 Id2 – потери в
анодных реакторах, активное сопротивление каждого из которых Rp.a.
Потери в магнитопроводах реакторов пренебрежимо малы.
66
5.4. Высшие гармоники напряжения и тока
в схемах выпрямителей
На рис. 5.15, а приведены кривые выпрямленного напряжения
иd для однофазной нулевой и мостовой схем, а на рис. 5.15, б – для
трехфазной мостовой схемы. Кривые ud являются периодическими функциями и могут быть разложены в ряд Фурье. Ряд будет
содержать постоянную составляющую, 1-ю гармонику, период
которой равен периоду исходной функции, и спектр высших гармоник, частоты которых кратны частоте первой гармоники.
В общем виде выпрямленное напряжение может быть записано следующим образом:
ud = Ud +
∞
∑ U(n)m sin(nω1t + ϑ (n) ),
n =1
где ω1 = mnω – угловая частота 1-й гармоники выпрямленного
напряжения; ω – угловая частота сети; тn – кратность пульсаций в кривой выпрямленного напряжения; (п) – порядок высшей
гармоники; U(n)m – амплитуда высшей гармоники n-го порядка;
J(n) – начальная фаза гармоники n-го порядка. U(n)m и J(n) определяются выражениями
а) ud
π
α
2π/m
2U2Ф
2π
ϑ
б) u d
α
2π/m
ϑ
Рис. 5.15.Диаграмма выпрямленного напряжения для различных схем
выпрямления
67
U (n)m = A n2 + Bn2 ;
ϑ (n) = arctg
An
,
Bn
где
An =
2
T1
T1
∫
u d (t)cos(nω1t)dt;
0
Bn =
2
T1
T1
∫ ud (t)sin(nω1t)dt;
0
T1 = 2π / ω1 – период повторяемости в кривой выпрямленного
напряжения.
Кривая ud в интервале повторяемости 0 - 2π/ тn описывается
выражением
u d = U m cos(ϑ − π / mn + α);
здесь J = ωt.
Это соотношение справедливо для любой схемы выпрямления, так как момент включения очередного вентиля всегда отстоит от нуля синусоиды соответствующего фазного напряжения
на угол π /2 – π/ т + α.
Um для однофазной нулевой и мостовой схем представляет собой амплитуду фазного напряжения вторичной обмотки
трансформатора, U m = U2ф 2. Для трехфазной мостовой схемы
U m = U2ф 6 является амплитудным значением линейного напряжения вторичной обмотки трансформатора.
В результате можно получить выражение для амплитудного
значения n-й гармоники выпрямленного напряжения
U ( n) m = U m
mn
π
2
sin
cos α( 2 2 ) 1 + mn2n 2tg 2α.
π
mn
mnn − 1
При этом для среднего выпрямленного напряжения управляемого выпрямителя справедливо соотношение:
U d = U d0 cos α = U m
mn
π
sin
cos α,
π
mn
где Ud0 – значение ud при α = 0. В результате для U(n)m можно
получить
U (n)m = U d0 cos α(
68
2
) 1 + mn2n 2tg 2α .
mn2n 2 − 1
Относительная амплитуда высших гармоник может быть определена следующим образом:
U * ( n) m =
U ( n) m
U d0
=
2cos α
1 + mn2n 2tg 2α . 2 2
mnn − 1
(5.6)
Анализ (5.6) показывает, что с увеличением угла управления
α наблюдается быстрый рост высших гармоник в кривой выпрямленного напряжения.
Кривая переменного тока, потребляемого выпрямителем из
питающей сети, несинусоидальна. Она содержит основную гармонику с частотой, равной частоте сети, и спектр высших гармоник.
На рис. 5.16 показаны наиболее характерные кривые токов,
потребляемых из сети управляемыми выпрямителями при Ld = ∞
и γ = 0.
На рис. 5.16, а изображена кривая первичного тока в однофазных нулевой и мостовой схемах. Кривые тока, показанные
на рис. 5.16, б, в, соответствуют трехфазной мостовой схеме выпрямителя при соединении первичной обмотки трансформатора
в «звезду» и «треугольник». Множитель 1/ 3 при амплитуде
кривой, показанной на рис. 5.16, в, принят из условия, что обе
а) i1
(1/kT)Id
π
б) i1
(1/kT)Id
2π
ϑ
2π/3
π
в) i1
2π
ϑ
Id / kT 3
Id / kT 3
π
2π
ϑ
Рис. 5.16.Диаграммы потребляемого из питающей сети тока для различных схем выпрямления
69
схемы имеют одинаковые выпрямленные напряжения и выпрямленные токи.
Кривая, изображенная на рис. 5.16, а может быть представлена следующим образом:
i=
4I d 
1
1
1
sin ϑ + sin(3ϑ) + sin(5ϑ) + ... + (sin nϑ) + ... .
3
5
πkT 
n

Разложение содержит только нечетные гармоники. Амплитуда любой гармоники в этом случае представляется выражением
I ( n) m =
4I d 1
⋅ .
πkT n
Относительные значения высших гармоник в долях амплитуды основной гармоники
1
I (*n)m = I (n)m / I (1)m = .
n
Разложение кривой тока трехфазного мостового выпрямителя при соединении первичной обмотки трансформатора в «звезду» будет иметь вид
i=
2 3 
1
1
1
I d cos ϑ − cos(5ϑ) + cos(7ϑ) − cos(11ϑ) + ... . (5.7)
5
7
11
πkT


В разложении (5.7) отсутствуют гармоники, кратные трем.
Амплитуда n-й гармоники определяется следующим образом:
I ( n) m =
2 3
1
⋅ Id ⋅ . πkT
n
(5.8)
При соединении первичной обмотки трансформатора в треугольник кривая первичного тока трехфазной мостовой схемы
имеет вид, приведенный на рис. 5.16, в. Фазные токи первичной
обмотки совпадают по форме с кривой, показанной на рис. 5.16, б.
Очевидно, что линейный ток, который является разностью фазных токов, содержит только гармоники, имеющиеся в фазных
токах.
При переносе начала отсчета вправо на π/2 для получения
симметрии кривой линейного тока относительно оси ординат
(рис. 5.16, в) разложение в ряд принимает простую форму:
i=
70
∑ I(n)m cos(nϑ),
где
2π
I ( n) m =
1
i(t)cos(nϑ)dϑ.
π0
∫
При этом разложение в ряд кривой тока (рис. 5.16, в) примет
вид
2 3 
1
1
1
I d cos ϑ − cos(5ϑ) + cos(7ϑ) − cos(11ϑ) + ... . (5.9)
5
7
11
πkT

 Из сравнения (5.7) и (5.9) следует, что гармонический состав
токов при соединении первичной обмотки трансформатора как в
«звезду», так и в «треугольник» одинаков. Различие наблюдается только в фазах некоторых гармоник (5-й, 7-й и т. д.).
Очевидно, что чем меньше амплитуда гармонической составляющей и чем выше ее порядок, тем легче решается вопрос ее
фильтрации.
Анализ показывает, что гармонический состав кривой первичного тока связан с периодом повторяемости в кривой выпрямленного напряжения T1. Кривая первичного тока кроме основной гармоники может содержать высшие гармоники порядка п = kт ± 1,
где k = 1, 2, 3, ... Относительные значения амплитуд высших гармоник определяются для всех схем при Ld = ∞ соотношением (5.8).
i=
5.5. Процесс включения и выключения выпрямителя
Включение управляемого выпрямителя в работу производится путем подачи импульсов управления на тиристоры выпрямителя, к которому уже подключено питающее переменное напряжение. При этом питание систем управления, защиты и сигнализации должно быть включено заблаговременно, так чтобы
переходные процессы в этих системах заканчивались к моменту
включения выпрямителя.
При работе выпрямителя с Ld-фильтром на противоЭДС АБ
ток id в переходном процессе при пуске выпрямителя изменяется по экспоненциальному закону (без учета пульсаций). Мгновенное значение выпрямленного тока в начальный момент mn-й
коммутации при пуске выпрямителя определяется следующей
формулой:
id ≈ Id [1–exp(mn / N)],
где N = 2π f Ld / (ΔJRн); f – рабочая частота; Ld, Rн – соответственно индуктивность сглаживающего реактора и сопротивление на71
ea
VS1
id ,ud
ud
+
eb
VS3 VS5
- Ld
ec
id
+
ec
VS4
ia
E
VS6 VS2
Рис. 5.17.Эквивалентная схема преобразователя
при переводе управляемого выпрямителя
в режим ведомого инвертора
ud
ϑ
Рис. 5.18.Диаграммы напряжений
и токов при выключении
выпрямителя путем перевода в режим ведомого инвертора
грузки; Id –установившееся значение выпрямленного тока; тn –
текущее значение количества межкоммутационных интервалов
ΔJ от начала переходного процесса. Для трехфазного мостового
выпрямителя ΔJ = π/3.
Длительность переходного процесса при пуске, измеряемая
числом интервалов π/3, равняется приблизительно mn ≈ 3…4N.
Выключение управляемого выпрямителя выполняется прекращением подачи управляющих импульсов на тиристоры выпрямителя. Ток нагрузки id при этом продолжает протекать через два плеча моста, проводивших ток на последнем до снятия
импульсов интервале до тех пор, пока id не уменьшится до нуля,
и тиристоры закроются.
Если индуктивность сглаживающего реактора Ld достаточно
велика, то ток id будет спадать до нуля относительно медленно и
эффективность такого способа выключения снизится. Поэтому в
ряде случаев выключение выпрямителей производится не просто снятием импульсов управления, а переводом выпрямителя в
режим ведомого инвертора. Источником питания для инвертора
при этом выступает ЭДС самоиндукции ес сглаживающего реактора, в котором к началу выключения накоплена энергия WL =
= Ld Id2 / 2 (рис. 5.17). Диаграммы напряжений и токов для этого случая изображены на рис. 5.18. В результате накопления в
реакторе Ld энергия передается в сеть переменного тока и выпрямитель выключается.
72
5.6. Инверторы
Инвертор обеспечивает преобразование постоянного тока в
переменный путем коммутации электрических цепей с помощью управляемых вентилей. Структурная силовая схема инвертора содержит следующие элементы: коммутатор К, фильтры Ф=
и Ф~ в цепи постоянного и переменного тока и трансформатор Т
(рис. 5.19). Различают две основные группы схем инверторов:
инверторы, ведомые сетью, и автономные инверторы [6]. У инверторов, ведомых сетью, частота, исходное напряжение и его
форма задаются сетью переменного тока. У автономных инверторов эти параметры определяются системой управления, схемой
силовой части и параметрами ее элементов, нагрузкой и ее характером, а также напряжением источников постоянного тока,
от которого питается инвертор.
Протекание электромагнитных процессов в ведомом инверторе и в управляемом выпрямителе подчинено общим закономерностям. Статический преобразователь на управляемых вентилях
может быть переведен из режима выпрямления в режим ведомого
инвертора и обратно изменением угла управления. Для иллюстрации этого положения рассматривается система преобразователь – электрическая машина (рис. 5.20). В диапазоне изменения
угла управления 0 < α < π/2 машина постоянного тока работает в
двигательном режиме, питаясь от выпрямителя. Если пренебречь
коммутационным падением напряжения и потерями в схеме, то
выходной ток выпрямителя определяется по формуле
Id = (Ud0 cosα–Ed)/Rd,
где Ud0 – напряжение холостого хода выпрямителя; Ed – противоЭДС машины постоянного тока; Rd – суммарное активное сопротивление цепи якоря машины и сглаживающего реактора.
В этом режиме поток мощности, потребляемой из сети переменного тока, направлен от выпрямителя к машине. Если при
увеличении угла α менять возбуждение машины, то, уменьшая
противоЭДС двигателя, можно поддерживать ток Id неизмен=
Вход
T
Ф=
К
Ф~
~
Выход
Рис. 5.19. Структурная схема инвертора
73
id
а)
uV
iV
ua VS 1 VS3 VS 5 Ld
ub
ud
VS4
б)
u
uA
uB
Ed
M
uc
Rd
VS6 VS 2
uC
u
ud
ϑ
Ud Ud0
iV
α
uA
uB
uC
ϑ
ϑ
ud
ϑ
α
Ud
Ud 0
ϑ
iV
α
ϑ
uA
uB
ud
uC
ϑ
Ud0
α
ϑ
iV
α
uV
δ
ϑ
ϑ
Рис. 5.20.Перевод преобразователя из выпрямительного в инверторный
режим: а – эквивалентная схема преобразователя и нагрузки;
б – диаграммы: фазных напряжение схемной обмотки трансформатора; потенциалов зажимов постоянного тока коммутатора; тока вентиля и напряжения на нем; напряжения на
стороне постоянного тока при различных значениях угла α
74
ным. При угле регулирования α = π/2 и противоЭДС, равной
нулю, потребление мощности из сети переменного тока прекратится. При дальнейшем увеличении угла (α > π/2) напряжение
Ud меняет полярность и становится отрицательным. Чтобы ток
Id и его направление остались прежними, напряжение на машине постоянного тока, которая теперь будет работать в качестве
генератора, должно сменить полярность и стать по абсолютной
величине больше напряжения на преобразователе (при этом необходимо изменить направление тока возбуждения машины):
|Ed|–|Ud0 cosα| = Rd Id.
Одновременно с изменением знака напряжения на преобразователе произойдет изменение направления потока мощности,
т. е. мощность будет передаваться преобразователем в сеть переменного тока путем преобразования постоянного тока в переменный – инвертирования тока.
Как в режиме выпрямления, так и в режиме ведомого инвертора коммутация вентилей осуществляется напряжением сети переменного тока (см. п. 5.2). При включении очередного вентиля
(например, VS3 на рис. 5.20, а) образуется контур коммутации, в
котором к проводящему рабочий ток вентилю VS1 прикладывается отрицательное напряжение, равное иB – иА. Под действием
этого напряжения в контуре, образованном VS3 – фаза В – фаза А – VS1, протекает ток коммутации, направленный навстречу
току в вентиле VS1. Когда ток коммутации станет равным рабочему току вентиля VS1, он закроется, и рабочий ток станет проводить вентиль VS3.
После выключения вентиля VS1 к нему прикладывается напряжение uV, которое, как видно из рис. 5.20, б, где приведены
диаграммы токов и напряжений в схеме инвертора, в интервале
β является для него обратным. Угол d связан с углом управления
α соотношением α + d = π. В интервале действия отрицательного
напряжения uV происходит восстановление запирающей способности вентиля. Если угол d будет меньше ωtq, где tq – время выключения вентиля, произойдет нарушение коммутационной устойчивости инвертора и после того, как напряжение на вентиле
станет положительным, вентиль VS1 включится повторно. Вновь
включившийся вентиль VS1 совместно с вентилем, проводящим
рабочий ток в нижнем плече моста (в рассматриваемом примере
вентиль VS4), образует контур, в котором согласно действуют напряжения фазы А, фазы С и цепи постоянного тока Ed. В резуль75
тате возникает аварийный режим – опрокидывание инвертора,
при котором ток ограничивается только внутренним сопротивлением контура.
Коммутация вентилей напряжением сети получила название
естественной в отличие от искусственной (принудительной) коммутации, осуществляемой в автономных инверторах.
Способы искусственной коммутации определяются типом используемых в преобразователях вентилей. Так как полностью
управляемые вентили – запираемые тиристоры и транзисторы –
не только включаются, но и выключаются по цепи управления,
коммутация таких вентилей осуществляется по цепи управления. Для выключения не полностью управляемых вентилей – тиристоров – применяются так называемые схемы искусственной
коммутации. При этом для выключения вентиля необходимо создать следующие условия:
обеспечить спадание анодного тока до нуля;
исключить появление на аноде положительного напряжения
прежде, чем восстановится запирающая способность вентиля.
При всем многообразии схем искусственной коммутации все
они основаны на использовании заряженных конденсаторов.
Одна из таких схем приведена на рис. 5.21 [6].
Формирование переменного напряжения на нагрузке осуществляется поочередным отпиранием основных тиристоров
VS1, VS2 и VS3, VS4. Выключение этих тиристоров обеспечивается с помощью вспомогательных контуров коммутации Lк, Ск и
вспомогательных тиристоров VS1′, VS2′, VS3′, VS4′. при включении которых в определенные моменты времени в контурах коммутации формируются импульсы тока. Длительность этих импульсов много меньше длительности интервалов работы основных тиристоров. Принцип коммутации поясняется с помощью
VS1′
CК
VD1
LК
VS1
VS3
iн
LК
+
E
VD 3
VS3′
CК
Rн
VS4′
VD4
VS4
VS 2
VD 2
VS2′
Рис. 5.21. Инвертор напряжения с искусственной коммутацией
76
эквивалентных схем и диаграмм токов и напряжений в интервале коммутации, показанных на рис. 5.22, а, б. Например, для
выключения основного тиристора VS1 предварительно заряженный до напряжения uс(0) конденсатор Ск через индуктивность Lк
вспомогательным тиристором VS′1 подключается параллельно
тиристору VS1. При этом в контуре Ск – Lк – VS1 – VS′1 возникает
колебательный процесс и ток контура iк, будучи направлен навстречу току основного тиристора, выключает его. В интервале
0 – t1 (рис. 5.22) с момента включения вспомогательного тиристора VS′1 ток колебательного контура iк замыкается через основной
тиристор VS1, который открыт до тех пор, пока iк < Iн (предполагается, что в интервале коммутации ток нагрузки iн = Iн = const).
б)
а) +
VS1
E
_
+
VS1′
VS1′
E
_
VS1′
VS1′
+
E
_
t
Iн
iк
iк
VS2′
+
VD1
Iн
iк
VD2
Iн
+
t1 – t2
+
+
VS2′
t2 – t3
t
iVS3
iVD1
iVD3
Iн
VD3
+
VD4
Iн
VD3
t
Iн
VS2′
+
t
E
i VS1
iк
t
0 – t1 uC
+
uc (0) VS2
+
E
_
t1 t 2t3t4
t=0
VS1 I н
+
iк
+
E
_
iн
VS2
E
_
+
Iн
t
t3 – t4
VS2′
t > t4
VD4
Рис. 5.22. Процесс коммутации в инверторе напряжения
77
При iк = Iн тиристор VS1 запирается и перезаряд конденсатора
продолжается через диод VD1. В интервале t1 – t2 iк > Iн и к тиристору VS1 приложено небольшое обратное напряжение, равное
падению напряжения диода VD1. В момент t2 диод VD1 запирается, и перезаряд конденсатора Ск продолжается током нагрузки
Iн. В момент t3, когда напряжение на конденсаторе становится
равным напряжению источника питания Е, открывается диод
VD3. В интервале t3–t4 за счет энергии индуктивности реактора
Lк происходит дозаряд конденсатора, и при iк = 0 процесс коммутации заканчивается.
Одновременно с коммутацией тиристора VS1 аналогично происходит коммутация тиристора VS2.
Характерными особенностями рассмотренной схемы инвертора являются: изменение полярности напряжения на нагрузке
и момент коммутации; наличие обратных диодов, включенных
встречно-параллельно основным тиристорам, которые обеспечивают непрерывность тока активно-индуктивной нагрузки и
возврат части энергии нагрузки в источник питания; непрямая
коммутация токов основных тиристоров.
Вариант схемы, аналогичной схеме на рис. 5.21, но выполненной на полностью управляемых вентилях, показан на рис. 5.23, а.
Работу схемы можно пояснить с помощью диаграмм токов и напряжений, приведенных на рис. 5.23, б–г.
Пусть ток нагрузки iн проводят тиристоры VS1 и VS2 (интервал
t1 –t2 на рис. 5.23, б). В момент t2 выключаются тиристоры VS1 и
VS2 и включаются тиристоры VS3 и VS4. При этом ток нагрузки,
сохраняя свое направление, переходит на обратные диоды VD3 и
VD4 и протекает через них до момента t3. В момент t3 ток iн проходит через нуль и далее, меняя знак, переходит на уже открытые
тиристоры VS3 и VS4, которые проводят ток iн в интервале t3 – t4.
В момент t4 закрываются тиристоры VS3 и VS4 и открываются
VS1 и VS2. Ток нагрузки в интервале t4 – t5 протекает через обратные диоды VD1, VD2 и в момент t5, меняя знак, переходит на
тиристоры VS1, VS2. Далее процессы повторяются.
На рис. 5.23, в, г показаны токи обратных диодов iVD и ток id,
потребляемый от источника. Как видно из рис. 5.23, г, ток id в
пределах периода дважды меняет знак, и, следовательно, в процессе работы инвертора происходит обмен энергией между источником и преобразователем. Источник в этом случае или должен быть обратимым, или на его выходе должен стоять мощный
емкостный фильтр Сф.
78
id
а)
VD 1
VS1
VS3
VD3
VS2
VD 2
t4
uн
iн
+
E
CФ
uн
VD 4
б)
VS4
uн , i н
t2
t1
t3
t5
t
iн
в)
iVD
VD3; VD4
VD 1; VD2
г)
id
+
–
д)
t
VD1; VD 2
uн
–
+
+
–
–
t
T
E
tи
t
Рис. 5.23.Инвертор напряжения на полностью управляемых вентилях
79
Выходное напряжение нерегулируемого инвертора пропорционально напряжению цепи постоянного тока. При питании
инвертора от АБ или от нерегулируемого выпрямителя, как
это имеет место в АБП, необходимо обеспечить стабилизацию
выходного напряжения инвертора при всех изменениях напряжения на входе. В инверторах напряжения это осуществляется
изменением длительности проводящего состояния рабочих вентилей – широтным регулированием, как это проиллюстрировано
на рис. 5.23, д для активной нагрузки. В этом случае связь между входным Е и действующим значением выходного напряжения
Uн выражается формулой [6]
U н = E tи /T ,
где tи – длительность импульса напряжения.
Путем изменения tи можно регулировать выходное напряжение. Однако по мере уменьшения tи относительное содержание
высших гармоник выходного напряжения, действующие значения которых определяются по формуле
U (n) = [4E / ωTn]sin(nωtи /2),
где n = 1, 3, 5, ..., будет увеличиваться, что крайне нежелательно. Для уменьшения высших гармоник используется основанный на широтном регулировании метод широтно-импульсной
модуляции (ШИМ).
При ШИМ выходное напряжение преобразователя формируется в виде серии импульсов, имеющих более высокую частоту
по отношению к 1-й гармонике выходного напряжения. Частота
повторения импульсов называется несущей частотой. Напряжение на выходе преобразователя при ШИМ имеет сложный гармонический состав. Выделение 1-й гармоники напряжения на нагрузке осуществляется как с помощью фильтров, так и выбором
характера модуляции.
Различные варианты формы кривой выходного напряжения
при ШИМ показаны на рис. 5.24, а–в, штриховой линией обозначены огибающие средних (в пределах периода несущей частоты)
значений напряжения.
Путем регулирования скважности импульсов Q = Tн /tи можно
менять не только выходное напряжение, но и его гармонический
состав (здесь Tн – период несущей частоты). Меняя скважность
импульсов по определенной программе, например по закону
80
а)
tи
uн
t
б)
uн
TН
tи
t
в)
tи
uн
t
TН
TВ
Рис. 5.24.Выходное напряжение инвертора при различных вариантах
ШИМ
1 / Q ~ sinωt (рис. 5.24, в), получаем форму кривой выходного напряжения, близкую к синусоидальной (здесь ω = 2/Тв, а
Тв – период 1-й гармоники выходного напряжения). Аналогичный результат получаем, используя при регулировании принцип
отслеживания мгновенного значения выходного напряжения
ШИМ-инвертора [6].
В следящем ШИМ-преобразователе осуществляется сравнение мгновенных значений эталонного синусоидального напряжения (сигнала задания) и выходного напряжения преобразователя. При определенной разности этих величин производится
соответствующая коммутация вентилей силовой схемы.
Применение ШИМ позволяет реализовать быстродействующую систему регулирования выходного напряжения, так как
81
время задержки воздействия регулятора на преобразователь будет близко к значению Тн. Поскольку Tн << Tв, реакция системы
регулирования существенно ускоряется.
В качестве недостатка метода ШИМ следует отметить повышенную долю коммутационных потерь в силовых вентилях, так
как по сравнению с обычным преобразователем при ШИМ число
коммутаций в интервале периода выходного напряжения увеличивается в Tв / Tн раз.
Несколько иной способ искусственной коммутации реализуется в схеме на рис. 5.25, а, в которой при переключении вентилей осуществляется изменение полярности тока на выходе
коммутатора [7]. В этой схеме для подключения заряженного
конденсатора С к вентилям VS1, VS4, проводящим рабочий ток,
включаются вентили VS3, VS2. В образующихся таким образом,
контурах VS1 – С–VS3, VS2 – С– VS4 ток коммутации очень быстро (почти мгновенно) нарастает до значения, равного токам вентилей VS1, VS4, к которым после их выключения прикладывается отрицательное напряжение перезаряжаемого конденсатора.
Одной из особенностей рассмотренной схемы является наличие в
цепи постоянного тока реактора Ld, ограничивающего ток перезаряда конденсатора после окончания коммутации вентилей.
Рассмотренные выше схемы (рис. 5.23, а и 5.25, а) являются
типичными представителями двух основных классов инверторов: автономных инверторов напряжения и инверторов тока. В
инверторах напряжения при коммутациях формируется кривая
выходного напряжения на нагрузке (режим генератора напряжения). Для инверторов тока характерным является формирование тока в выходной цепи преобразователя (режим генератора
а) +
C
VS3
RН
E
iк
VS2
_
б)
Ld VS
1
uк , iк
uк
iк
i к1
LН
uк
VS4
φк
ωt
Рис. 5.25.Инвертор тока с одноступенчатой коммутацией на основной частоте
82
тока). До последнего времени инверторы тока проектировались
исключительно на тиристорах. В инверторах напряжения применяются и «обычные», и запираемые тиристоры, а также транзисторы.
На практике в АБП используются как инверторы тока, так
и инверторы напряжения [6]. Применяемые в АБП инверторы
тока во многих случаях выполнены по схеме параллельного инвертора с вентильным компенсирующим устройством [7]. Достоинствами этой схемы являются:
практически синусоидальная форма кривой выходного напряжения, получаемая без применения специальных фильтров
(в трехфазном варианте);
возможность применения тиристоров с относительно большим временем выключения;
простота симметрирования трехфазного напряжения при несимметричной нагрузке;
простота обеспечения работоспособности схемы в диапазоне
изменения нагрузки от холостого хода до короткого замыкания.
Особенности работы параллельного инвертора тока удобнее
рассмотреть на примере однофазной схемы (рис. 5.25, а).
При рассмотрении приняты следующие допущения: напряжение на выходе коммутатора имеет синусоидальную форму,
коммутация тока с вентиля на вентиль происходит мгновенно,
потери в элементах системы и соединительных проводах равны
нулю, постоянный ток на входе инвертора идеально сглажен.
Связь выходного напряжения с входным в этом случае описывается выражением
Uк = Ud / (kcx cos jк),
(5.10)
где Ud – среднее значение напряжения источника постоянного
тока; Uк – действующее значение напряжения на выходе коммутатора; kсх – коэффициент, характеризующий схему соединения
вентилей коммутатора (для мостовых схем преобразования: однофазной 2 2 /π и трехфазной 3 6 / π, jк – угол сдвига фаз между 1-й гармоникой тока и напряжением на выходе коммутатора,
соответствующий при сделанных допущениях углу запирания
вентилей δ = π – α.
Из рис. 5.25, б, где изображены кривые тока в цепи нагрузки
iк, его 1-й гармоники iк1 и напряжения uк видно, что при принятых допущениях угол jк равен углу запирания вентилей инвертора δ. Более точно угол δ и соответствующее ему время t3 =
83
= δ/ωк следует называть углом (временем), предоставляемым для
запирания вентилей инвертора.
Очевидно, что коммутатор потребляет реактивную мощность
Qк = Pн tgjк,
где Рн – активная мощность нагрузки.
Из (5.10) следует, что напряжение на выходе коммутатора Uк
есть функция угла jк, который определяется способом управления вентилями коммутатора.
При синусоидальном напряжении на выходе коммутатора
tgϕ к =
Qк QC − Qн
Rн
,
=
= ω кCR н −
Pн
Pн
ω к Lн
где Qc – реактивная мощность конденсатора; Qн – реактивная
мощность нагрузки; ωк – частота выходного напряжения.
С учетом (5.10) получаем
UK =
Ud
Rн 2
(ω KCR н −
) + 1.
kcx
ω K Lн
Если импульсы управления вентилями коммутатора синхронизируются от независимого генератора (независимое управление), то ωк – величина постоянная, не зависящая от нагрузки и
определяемая частотой задающего генератора. При независимом
управлении и Ud = const выходное напряжение с изменением нагрузки меняется как по значению, так и по фазе. При этом фаза
тока на выходе коммутатора определяется моментами подачи
управляющих импульсов и от нагрузки не зависит.
Характеристики инвертора при этом способе управления имеют вид (рис. 5.26)
ωк = const; Uк = f(Rн, Lн); jк = f (Rн, Lн) при Ud = const.
При зависимом управлении управляющие импульсы синхронизируются выходным напряжением ик. Угол jк в этом случае определяется только системой управления и не зависит от нагрузки.
Следовательно, выходное напряжение прямо пропорционально
напряжению на входе инвертора. Переменной величиной, зависящей от нагрузки, при этом оказывается выходная частота ωк:
2
ωк =
84
 tgϕ к 
tgϕ к
1
+ 
,
 +
2R нC
2
R
C
L

н 
нC
Uк* = Uк /Ud
а)
10
φк1
б)
100 о
cosφн = 1
cosφн = 1
8
80 о
6
60 о
0,8
о
0,4
4
0,8
40
2
0,4
20 о
0
2
4
6
8
RН* = φ кСRН/tq
10
0
2
4
6
RН*
8
10
Рис. 5.26.Зависимости выходного напряжения и угла jк от нагрузки
(для инвертора с независимым управлением) при различных
значениях коэффициента мощности нагрузки: а – выходного
напряжения; б – угла jк
Увеличение нагрузки (уменьшение Rн, Lн) приводит к росту
выходной частоты (рис. 5.27).
Таким образом, при Ud = const и при зависимом управлении
Uк = const; jк = const; ωк = f (Rн, Lн).
Напряжение на выходе коммутатора определяется средним
значением входного напряжения Ud и углом jк. Регулировать
это напряжение можно изменением угла jк, который зависит от
ωк* = ωк tq /φк
1,2
0,8
0,6
0,8
cosφн = 1
0,4
0
1
2
3
R Н*
Рис. 5.27.Зависимости выходной частоты от нагрузки (для инвертора с зависимым управлением):___ tg jк = 0,035 (50 Гц); - - - tg
jк = 0,29 (400 Гц)
85
параметров цепи переменного тока. В эту цепь входят нагрузка
и конденсаторы, служащие источником реактивной мощности и
обеспечивающие коммутацию вентилей.
Один из способов регулирования выходного напряжения состоит в том, что в цепь переменного тока коммутатора включается устройство, состоящее из реакторов и встречно-параллельных
вентилей. Сущность работы этого устройства состоит в компенсации избытка емкостной составляющей реактивной мощности,
возникающего в системе при изменении нагрузки. При наличии
такого компенсирующего устройства, потребляющего только реактивную мощность Qк.y, основные характеристики параллельного инвертора приобретают вид
tgϕ к = (Qс − Qк.у − Qн )/ Pн;
2
U  Q − Qк.у − Qн 
Uк = d  с
 + 1.
kcx 
Pн

Очевидно, что путем изменения Qк.y можно регулировать выходное напряжение коммутатора.
Принцип действия компенсирующего устройства для трехфазного инвертора иллюстрируется схемой и диаграммами, приведенными на рис. 5.28, 5.29. При угле отпирания вентилей компенсирующего устройства α, который отсчитывается от момента
A
В
uк
iк
С
uVк
Lк
iL
Lк
Lк
i Vк
Рис. 5.28. Схема трехфазного компенсирующего устройства
86
uк
i L (α = 0)
iL
ILm
ϑ
α
iк
ϑ
uVк
iVк
ϑ
Рис. 5.29.Токи и напряжения на элементах компенсирующего устройства
прохождения напряжения через максимум, несинусоидальный
ток в реакторе описывается выражением
i L = I Lm (sin ϑ − sin α),
где ILm= Uкт / Хк – амплитуда тока при α = 0; Uкm – амплитуда
напряжения ик; Хк = ωк Lк.
Действующее значение 1-й гармоники этого тока определяется по формуле
I L1 =
U к  2α sin2α 
−
1 −
,
Xк 
π
π 
и реактивная мощность
Qк.у =
3U к2  2α sin2α 
−
1 −
.
Xк 
π
π 
Наряду с 1-й гармоникой ток iL содержит все нечетные гармоники высших порядков. Удельный вес этих гармоник можно
87
оценить по рис. 5.30, на котором представлены зависимости относительных действующих значений ILn* = ILn / IL для 1-, 3-, 5- и
7-й гармоник от угла α (здесь IL = Uн.л /ωкLк, Uн.л – действующее
значение линейного напряжения на нагрузке).
Следует отметить, что в трехфазной схеме при соединении
трех однофазных компенсирующих устройств в треугольник в
линейном токе устройства исчезнут гармоники, кратные трем, и
во внешнюю цепь будут генерироваться только 5-, 7-, 11-я и т. д.
гармоники, амплитуды которых относительно невелики.
Схема трехфазного параллельного инвертора с вентильнореакторным компенсирующим устройством приведена на рис.
5.31.
Основные соотношения, связывающие параметры элементов
схемы, нагрузки и источника постоянного тока, записываются
в виде [6]
π
1
;
U н.л = kт
Ud
cos ϕ к
3 2

R
1 
tgϕ к = ω кCR н  1 − 2
 − 2 н ,
ω
ω
L
C
к э 
к Lн

Lк
– эквивалентная индуктивность, Rн,
1 − 2α / π − (sin2α)/ π
Lн – активное сопротивление и индуктивность нагрузки при их
параллельном соединении.
где Lэ =
ILn*
0,8
IL1*
0,6
IL3*
0,4
IL5*
I L7*
0,2
0
15о 30 о
45 о
60 о
75о
α
Рис. 5.30. Гармоники тока в фазах компенсирующего устройства
88
C
Ld
+
T
Lф
Id
Uк
Ud
Нагрузка
iн
Uн
L
R
_
Lк
Рис. 5.31.Трехфазный инвертор тока с параллельными конденсаторами и компенсирующим устройством
Особенностью инверторов тока является появление переменной составляющей в напряжении на входе коммутатора. Это напряжение, определяемое как противоЭДС инвертора, в рассматриваемой схеме содержит 6-ю и кратные ей гармоники, амплитуды которых зависят от угла jк, как показано на рис. 5.32. Эти
гармоники напряжения вызывают пульсации постоянного тока,
которые ограничиваются реактором Ld. Оценка этих пульсаций
может быть произведена по формуле
а)
φк
в)
ud
ΔUd
Uлm
Ud
ϑ
φк
б)
Ud6m/Ud
1,0
ΔU d/2Ud
0,8
0,6
Ud 12m/Ud
0,4
ΔUd
Ud
ϑ
0,2
Ud18m/Ud
0
20о 40о 60 о 80о φк
Рис. 5.32.ПротивоЭДС инвертора: а, б – диаграммы противоЭДС при
различных углах jк; в – зависимости относительных значений пульсаций от угла jк
89
I dm = ∆U d /(12ω к Ld ),
где ΔUd = Uлm [1 – cos(jк+ π/6)] при jк < π/6 и ΔUd = Uлm sinjк при
jк > π/6; Uлm – амплитуда линейного напряжения ком­мутатора.
Наличие двух управляемых вентильных групп – коммутатора
и компенсирующего устройства (компенсатора) – позволяет реализовать для каждой группы два способа управления – независимое и зависимое и их различные сочетания (комбинированное
управление) [6,7].
При независимом управлении системы управления коммутатором и компенсатором синхронизируются от специально задающего генератора.
При зависимом управлении в обеих системах управления в
качестве синхронизирующего сигнала используется выходное
напряжение коммутатора.
При комбинированном управлении возможны два варианта:
система управления коммутатором синхронизируется от задающего генератора, а компенсатором – выходным напряжением преобразователя;
система управления коммутатором синхронизируется выходным напряжением, а компенсатором – от задающего генератора.
В рассматриваемой схеме параллельного инвертора стабильность выходной частоты при изменении нагрузки обеспечивается в тех случаях, когда хотя бы одна из вентильных групп синхронизируется напряжением задающего генератора постоянной
частоты. Если в качестве синхронизирующего сигнала обеих
вентильных групп используется выходное напряжение коммутатора, выходное напряжение параллельного инвертора не зависит
от параметров нагрузки. Однако в этом случае существует линейная зависимость напряжений на входе и выходе коммутатора, а
частота выходного напряжения есть функция нагрузки, поэтому
для обеспечения стабилизации или в общем случае регулирования параметров выходного напряжения необходимо изменять
фазу управляющих импульсов вентильных групп.
Динамические характеристики и коммутационная устойчивость (под которой понимается выполнение условия δmin ≥ kз ωк tq,
где δmin – минимально допустимый угол запирания; tq – паспортное время восстановления запирающей способности тиристора –
время выключения, kз – коэффициент запаса) при переходных
процессах в нормальных и аварийных режимах существенно зависят от способа управления.
90
На практике наиболее широко используется зависимое управление коммутатором и независимое управление компенсатором.
Этот вид комбинированного управления повышает коммутационную и динамическую устойчивость инвертора и облегчает реализацию режимов параллельной работы преобразователей.
Одним из специфических требований, предъявляемых к инверторам АБП, является коммутационная устойчивость в режиме короткого замыкания в нагрузке и обеспечение заданного
тока короткого замыкания. Этим требованиям отвечает модификация параллельного инвертора, цепь переменного тока которого содержит реактивный элемент, включенный последовательно
с нагрузкой. Последовательно включенный элемент повышает
коммутационную устойчивость инвертора в режимах аварийных перегрузок и при коротких замыканиях в нагрузке, а также
обеспечивает протекание в поврежденных цепях нагрузки тока,
достаточного для срабатывания защиты и отключения поврежденной цепи.
Однако без применения специальных мер установленная мощность силового оборудования схемы модифицированного параллельного инвертора может существенно возрасти по сравнению
с параллельным инвертором. Для улучшения технико-экономических показателей инвертора в качестве последовательного
элемента используются реактор Lф (см. рис. 5.31) и специальные
алгоритмы управления, обеспечивающие формирование требуемых последовательностей импульсов управления тиристорами
коммутаторной и компенсаторной групп в зависимости от нагрузки (рабочего диапазона, допустимой перегрузки или короткого замыкания в нагрузке) [6,7].
Увеличение нагрузки выше предельно заданной сопровождается ростом частоты. Выходные параметры инвертора в этом
режиме определяются естественными характеристиками схемы,
под которыми понимаются следующие зависимости:
kω = f1(r, l); Uн = f2(r, l); Iн = f3(r, l); Id = f4(r, l),
где kω = ω/ωном; r = Rн kω ωном С; l=Lн kω2 ω2ном C; lф = 3 Lф kω2 ω2ном C.
На рис. 5.33, а, б представлены эти характеристики в относительных единицах. В качестве базисных приняты значения параметров номинального расчетного режима: rб, cosjб, Uн.б, Ud.б,
ωном, Iн.б.
91
а)
б)
kω , Uн/Uн.б
δ
2,0
=
о
,4 о
8о
о
52
о
о
35
0
δ=
24
,
35
0,5
о
4,8
0 2
о
2
UН/UН.б
0
0,2 0,4 0,6 0,8
δ = 0о о
24,8
35о
52,4о
о
4
о
1,0
Iн/Iн.б
6
,4
52
52
,4
о
35
,8
24 о
0
1,5
kω
I н/Iн.б, Id/Id.б
I d/Id.б
r/rб
0
0,2
0,4
0,6
0,8
r/rб
Рис. 5.33.Естественные характеристики инвертора при коротком
замыкании
Как видно из рис. 5.33, а и б, частота и ток при глухом коротком замыкании определяются по формулам [6]
ω к.з =
92
r cos ϕ б U dб
1
; I н.к.з* = б
1 + tg 2δ.
3L ф C
3I ф kcxU н.б
6. СИСТЕМЫ ГАРАНТИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
6.1. Структурная схема СГЭ
Современные системы гарантированного электроснабжения,
обобщенная структурная схема которых приведена на рис. 6.1,
содержат источники электроэнергии и агрегат бесперебойного
электропитания.
Иногда применяется термин «система бесперебойного питания» [6], под которым понимается совокупность преобразователей, коммутационных аппаратов и накопителей энергии, например аккумуляторных батарей, способная обеспечить непрерывное питание нагрузки в случае выхода из строя источника
питания. В таком понимании система бесперебойного питания
представляет собой совокупность АБП и накопителя энергии.
Термин «система гарантированного «электроснабжения»
(СГЭ) является более полным, так как охватывает не только совокупность преобразователей коммутирующих устройств и накопителей энергии, но и различные виды источников электропитания (энергосистемы, местные электростанции, электроагрегаты с бензиновым, дизельным или газотурбинным двигателем и
т. п.) поэтому он нашел в отечественной практике более широкое
применение.
АЭА
К
С
АБП
Н
К
К
АБ
Рис. 6.1.Структурная схема СГЭ: С – сеть; АБП – агрегат бесперебойного питания; АБ – аккумуляторная батарея; АЭА – автоматизированный электроагрегат; Н – нагрузка; К – коммутационный аппарат
93
Составными частями статических АБП являются полупроводниковые преобразователи параметров электроэнергии и коммутационные аппараты с двумя и более входами от первичных
источников переменного и (или) постоянного тока и одним или
несколькими выходами переменного тока. Агрегаты бесперебойного питания обеспечивают требуемое качество напряжения
на нагрузке и перевод нагрузки с одного источника на другой в
целях непрерывного питания потребителей при исчезновении
напряжения или ухудшении качества электрической энергии на
входе (входах) переменного тока сверх допустимых пределов [6].
Под непрерывным понимается питание нагрузки напряжением, параметры которого поддерживаются в пределах нормированных допусков в установившемся и переходном режимах. С
этой точки зрения отказом СГЭ и АБП, т. е. перерывом питания
нагрузки, считаются любые отклонения их выходного напряжения от нормированных значений.
В основном рабочем режиме СГЭ (см. рис. 6.1) источником
энергии служит промышленная сеть. С помощью коммутационных устройств, входящих в состав АБП, потребитель подключен
либо непосредственно к сети, либо к выходу преобразователя, который получает энергию из сети.
При обесточении сети источником энергии становится аккумуляторная батарея (АБ). Для питания потребителей переменного тока постоянное напряжение АБ преобразуется и переменное.
Если напряжение промышленной сети в течение определенного
времени не восстанавливается в нормируемых пределах, то запускается автоматизированный электроагрегат, который как
источник энергии замещает сеть, и питание нагрузок осуществляется аналогично основному рабочему режиму.
Состав и режим работы СГЭ определяются требованиями нагрузки к качеству питающего напряжения в статических и динамических режимах, допустимой длительностью перерыва питания и требованиями к надежности (безотказности) системы.
Этим определяется различие структур и состава СГЭ. Общим для
всех СГЭ является наличие резерва (избыточности). Резервом называются дополнительные источники питания и составные части АБП, введенные в СГЭ для повышения надежности питания
потребителей.
Различают два вида резерва [6]: выделенный и параллельный.
При выделенном резерве одно или несколько преобразовательных устройств включаются в работу в случае отключения пов94
режденного рабочего устройства. Резерв называется параллельным, когда дополнительные устройства частично нагружены.
При повреждении основного или дополнительного устройства
оно отключается, а оставшиеся принимают на себя полную нагрузку. Например, электроагрегат, включаемый только при отказе промышленной сети, находится в выделенном резерве (см.
рис. 6.1).
Аккумуляторная батарея, подсоединенная к шинам постоянного тока АБП, находится в параллельном резерве, так как участвует в компенсации провалов напряжения в цепи постоянного
тока в динамических режимах (т. е. частично загружается) и при
отказе промышленной сети не требуется ее подключения к нагрузке. Увеличение загрузки АБ происходит сразу после отключения основного источника.
Аккумуляторная батарея, если она отделена от шин постоянного тока АБП запорным устройством, находится в выделенном
резерве, так как хотя на ее шинах и имеется напряжение, она не
нагружена и подключается к нагрузке только при отказе промышленной сети переменного тока.
6.2. Режимы работы и алгоритмы управления СГЭ
Режимы работы и алгоритмы управления СГЭ определяются
видом содержания резерва. Так, в СГЭ, в состав которой входят
резервный источник питания АБ и резервный агрегат бесперебойного питания АБП2 (рис. 6.2), могут быть реализованы следующие виды резерва:
выделенный резерв для источника питания и для АБП2
(рис. 6.2, а);
параллельный резерв для источников питания и для АБП1 и
АБП2 (рис. 6.2, б);
выделенный резерв для источника питания и параллельный
резерв для АБП (рис. 6.2, в);
параллельный резерв для источников питания и выделенный
резерв для АБП2 (рис. 6.2, г).
При авариях и недопустимых отклонениях напряжения сети
в СГЭ с параллельным резервом источников питания (рис. 6.2,
б и г) отключаются ключи К1 и К4, ключи К3 и К6 были включены и питание АБП2 (если он был включен) и АБП1 продолжается
от АБ. Перерыва в питании нагрузки и коммутаций ключей на
выходе АБП не происходит. После восстановления напряжения
95
а)
К1
АБП1
К2
К3
С
АБ
К6
К4
АБП2
К1
б)
АБП1
К5
К2
К3
С
АБ
К6
К4
АБП2
К1
в)
АБП1
К5
К2
К3
С
АБ
К6
К4
АБП2
К1
г)
АБП1
К5
К2
К3
С
АБ
К6
К4
АБП2
К5
Рис. 6.2.Структурные схемы СГЭ в различных режимах работы
96
сети ключи К1 и К4 включаются и восстанавливается исходный
режим. При авариях в АБ и ее восстановлении отключаются и
включаются (после восстановления) ключи К3 и К6 без перерыва
в питании нагрузки.
В СГЭ с выделенным резервом источников питания отказ АБ
не влияет на выходные параметры АБП, так как АБ отделена от
АБП: ключи К3 и К6 разомкнуты (рис. 6.2, а и в). При авариях в
сети включаются ключи К3 и К6 и отключаются ключи K1 и К4.
Для исключения перерыва питания в нагрузке ключи К3 и К6
выполняются быстродействующими. В выходном напряжении
АБП возможен переходный процесс, вызванный изменением напряжения на входе инвертора, осуществляющего преобразование постоянного напряжения в переменное, так как напряжения
при питании от сети и от АБ могут оказаться разными.
В СГЭ с параллельным резервом АБП (рис. 6.2, б, в) при отказе, например АБП1, отключаются ключи K1, K2 и К3 (если он был
включен). Питание нагрузки продолжается от АБП2. Перерыва
питания не происходит. Возможен переходные процесс, вызванный набросом части нагрузки на АБП2. После восстановления
АБП1 включаются ключи К1–К3, и питание нагрузки осуществляется по исходной схеме.
В СГЭ с выделенным резервом АБП (рис. 6.2, а и г) при отказе АБП1 отключаются ключи К1–К3, и включается ключ К5. Отсутствие перерыва питания обеспечивается применением быстродействующего ключа К5. При этом АБП2 должен работать на
холостом ходу. Переходный процесс на выходе АБП определяется набросом полной нагрузки на резервный АБП2. При переводе
нагрузки на основной модуль после его восстановления наблюдается аналогичный переходный процесс при отключении ключа
К5 и включении К2.
При выключенном резервном агрегате (АБП2) отказ основного
(АБП1) приводит к перерыву в питании нагрузки на время пуска
резервного модуля. В других режимах переходные процессы и
коммутации ключей K1, К2, К3 и К5 аналогичны работе резервного АБП2 на холостом ходу.
Наличие более сложных структур СГЭ или СГЭ с комбинированным резервом (частичный резерв, наличие одновременно параллельного и выделенного резервов) не меняет описанного алгоритма замещения отказавшего функционального устройства
исправным.
97
6.3. Резервные источники электроэнергии
переменного тока
В качестве резервного источника электроэнергии переменного тока могут использоваться второй независимый сетевой ввод
или электроагрегат с двигателем внутреннего сгорания Основные параметры дизельных и бензиновых электроагрегатов и автоматизированных электростанций нормируются стандартами,
их значения приведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Ряд номинальных мощностей, кВт
Номинальное линейное напряжение, В, электроустановок мощностью:
до 200 кВт
свыше 200 кВт
Частота переменного тока, Гц
Коэффициент мощности нагрузки электроустановок мощностью:
до 200 кВт
свыше 200 кВт
Нестабильность при плавном изменении нагрузки
от 0 до 100%:
напряжения
частоты
Допустимая асимметрия нагрузки фаз, %
Допустимая асимметрия линейных напряжений, %, при асимметрии нагрузки фаз 25% для
электроустановок мощностью:
до 100 кВт
свыше 100 кВт
Показатели качества переходных процессов при
коммутации 100%-ной нагрузки:
отклонение напряжения, %
отклонение частоты, %
Время переходного процесса, с:
по напряжению
по частоте
*Для
98
бензиновых электроагрегатов.
1, 2, 4, 8, 16, 30, 60,
100, 200, 315, 500,
630 800, 1000, 1600,
2000 3150, 5000
230, 400
400, 630, 1050
50, 400
0,8–1 (отстающий)
0,6–1 (отстающий)
2
1
25
10
5
20
6(8)*
2(5) *
3(5) *
Одной из важных характеристик электроагрегата является
время ввода его в работу. Для дизельных электроагрегатов время предпускового подогрева охлаждающей жидкости и масла до
температуры, обеспечивающей пуск, включая время пуска устройства подогрева, составляет не более 30 мин для электроагрегатов мощностью до 30 кВт и не более 60 мин для электроагрегатов мощностью от 60 кВт и выше. Время от подачи сигнала на
пуск электроагрегата, находящегося в прогретом состоянии, до
выхода на режим зависит от степени автоматизации и составляет
10–20 с для дизельных агрегатов мощностью до 100 кВт; 20–40 с
для дизельных электроагрегатов мощностью от 100 до 500 кВт
и 40–60 с для агрегатов свыше 500 кВт. При этом минимальное
время соответствует дизельным электроагрегатам с воздушностартерным пуском, а максимальное – с воздушным пуском.
Время пуска дизельных электрагрегатов со стартерным пуском
занимает промежуточное положение (меньше, чем в схемах с
воздушным пуском, но больше, чем в схемах с воздушно-стартерным пуском). Электроагрегаты запускаются автоматически
при исчезновении напряжения на сборных шинах или при снижении его более чем на 20%. При этом сигнал на автоматический
пуск подается с выдержкой времени 5–15 с. При восстановлении
напряжения основного источника отключение резервного электроагрегата производится с выдержкой времени не менее 10 с.
6.4. Резервные источники электроэнергии
постоянного тока
В качестве резервных источников постоянного тока в СГЭ наиболее широко применяются кислотно-свинцовые, никель-кадмиевые и никель-железные щелочные АБ.
Свинцовые АБ выдерживают многочисленные перезарядки
при постоянном напряжении, длительные режимы разряда (до
одного часа и более), относительно дешевы. Специальные типы
свинцовых АБ могут работать без обслуживания в течение нескольких лет [6]. Находят применение также и свинцово-кальциевые АБ, которые характеризуются меньшим выделением
газа, требуют значительно меньшей вентиляции и небольших
эксплуатационных расходов [6].
Никель-кадмиевые АБ обладают высокой перегрузочное способностью при разряде, имеют хорошую устойчивость при низких температурах, они значительно компактнее, чем свинцовые,
99
но более дорогие [6]. Особенно эффективны они при малых перерывах питания и больших токах.
Для диапазона малых и средних мощностей в СГЭ применяют
газонепроницаемые никель-кадмиевые, а также не требующие
обслуживания свинцовые АБ в закрытом исполнении. Такие АБ
удобны в эксплуатации, не требуют специальных помещений и
позволяют размещать их в единых конструктивах с АБП для питания персональных компьютеров, электронной регулирующей
аппаратуры, радио- и светосигнального оборудования.
Количество энергии, отдаваемой АБ в нагрузку, определяется
напряжением на ее шинах, емкостью и режимом разряда АБ.
Основные уравнения, характеризующие баланс напряжения
АБ при заряде и разряде, имеют вид
up = e – ipr; u3 = e + i3r,
где е – ЭДС АБ; uз, uр – напряжение АБ при заряде и разряде;
iз, ip – ток АБ при заряде и разряде; r – полное внутреннее сопротивление АБ постоянному току. Внутреннее сопротивление r
нелинейно зависит от тока, протекающего через АБ: чем больше
ток, тем меньше r. В процессе разряда значение сопротивления
возрастает из-за изменений состава электролита и поверхностного слоя электродов. При заряде АБ значение r падает.
Зависимость отдаваемой АБ емкости от интенсивности разряда описывается эмпирической формулой [6]
Qp = Qномс/(1 + a / Tp ),
где Qp – емкость, отдаваемая АБ при Tр-часовом режиме разряда; Qном – номинальная емкость АБ; а, с – постоянные, определяемые типом АБ.
Время, необходимое для заряда АБ, является важной характеристикой при оценке надежности СГЭ. Чем оно короче, тем
меньше вероятность отказа системы из-за неготовности АБ к
приему нагрузки.
Если в течение всего цикла заряда АБ ток поддерживается
стабильным, то ориентировочно время заряда можно рассчитать
по формуле
tз ≈ Qp /(η0 i3),
где η0 – коэффициент полезного использования зарядного тока;
Qp – емкость, на которую разряжена батарея.
Основные параметры свинцово-кислотных АБ типов С, СЗ,
СЭ, СК, СКЭ и СН, применяемых в СГЭ, приведены в табл. 6.2.
100
Таблица 6.2
Параметр
Номинальная емкость, А∙ч
Номинальное напряжение, В
Максимальный ток заряда, А
Ток 10-часового режима разряда, А
Емкость при 10-часовом режиме, А∙ч
Ток 3-часового режима разряда,
Емкость при 3-часовом режиме разряда, А∙ч
Ток 1-часового режима разряда, А
Емкость при 1-часовом режиме разряда, А∙ч
Ток 30-минутного режима разряда, А
Емкость при 30-минутном режиме разряда, А∙ч
Ток 15-минутного режима разряда, А
Емкость при 15-минутном режиме разряда, А∙ч
Ток 1-минутного режима разряда, А
С, СЗ, СЭ, СК,
СКЭ
36
2
9
3,6
36
8
27
18,5
18,5
25
12,5
32
8
-
СН
40
2
8
4
40
10
30
20
20
30
15
40
10
50
Конечное напряжение при режимах разряда от
1,8
10-часового до 3-часового, В
1,8
Конечное напряжение при режимах разряда
короче 3-часового, В
1,75
1,75
Примечание. Емкости и токи АБ других номеров определяются умножением соответствующих значений на номер интересующей нас АБ
(1, 2, 3–6, 8, 10–20, 24, 28–148).
Электродвижущая сила стационарных АБ составляет 2,05–
2,06 В. Внутреннее сопротивление кислотных АБ типа С можно
приближенно определить как 0,0036 / N, где N – номер АБ [6],
у полностью разряженных АБ оно увеличивается приблизительно в 2 раза. На рис. 6.3 представлены зависимости отдаваемой
емкости АБ типов СК (кривая 1) и СН (кривая 2) при разряде токами Тр-часового режима. Емкость выражена в долях номинальной. Для стационарных АБ за номинальную емкость принимается емкость при 10-часовом режиме разряда. Наилучшее совпадение значений фактических и расчетных емкостей для АБ типов
СК и СН достигается при а = 3,16 и с = 2. Для наглядности на рис.
6.3 штриховой линией 3 показана расчетная кривая. Разница
расчетных и фактических значений емкости на большом участке
101
Qp/Qном
0,8
1; 2; 3
0,6
0,4
0,2
0
1
2
3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Тр , ч
Рис. 6.3.Зависимость электрической емкости АБ типов СК и СН от
режима разряда: 1 – для СК; 2 – для СН; 3 – расчетная кривая
кривой не превышает 10% и только при режимах разряда короче 30-минутного она несколько возрастает. Нормальный режим
заряда стационарных АБ соответствует заряду постоянным по
значению и направлению током, численно равным 1/6 его номинальной емкости, до напряжения 2,5–2,8 В. Характер изменения напряжения при этом показан на рис. 6.4. Так как в СГЭ АБ
в любой момент времени может быть переведена из режима заряда на разряд, напряжение на ее выводах за счет инерционности
процесса поляризации аккумуляторов будет в начальной стадии
разряда близко по значению предшествовавшему зарядному напряжению (рис. 6.5).
Для сокращения диапазона изменения напряжения АБ заряд
при переходе из режима заряда на разряд можно вести с ограничением верхнего значения зарядного напряжения на уровне
2,2–2,4 В. При этом заряд АБ выполняют стабилизированным
током до тех пор, пока напряжение не достигнет верхнего значения. Далее это напряжение поддерживается неизменным, пока
зарядный ток не снизится до установившегося значения. После
этого заряд считается законченным.
Для компенсации саморазряда АБ их необходимо подзаряжать. Для свинцово-кислотных АБ напряжение постоянного
подзаряда принимается равным (2,15 ± 0,05) В. При этом напря102
U, В
2,6
2,4
2,2
2,0
1
2
3
4
5
6
t, ч
Рис. 6.4.Изменение напряжения кислотной АБ в процессе заряда номинальным током
U, В
2,5
2,3
2,1
А
0
60
120
180
Б
0
1
2
3
t1, с
t 2, ч
Рис. 6.5.Изменение напряжения кислотной АБ после отключения от
зарядного источника
жении ток подзаряда составляет (численно) в амперах 0,001–
0,0003 номинальной емкости АБ. При работе выпрямителя СГЭ
в буфере с АБ напряжение подзаряда должно корректироваться
в зависимости от конкретных условий эксплуатации и характера
нагрузки. При этом следует иметь в виду, что чрезмерные токи
подзаряда могут сократить срок службы АБ.
103
Основные характеристики щелочных никель-кадмиевых и
никель-железных АБ приведены в табл. 6.3 и на рис. 6.6.
Таблица 6.3
Тип
Номинальная
емкость, А∙ч
Ток, А, для режима
заряда (номинально­го)
в течение 6 ч
НК-3
НK-I3
НК-28
НК-55
НК-80
НК-125
НЖ-22
НЖ-45
НЖ-60
НЖ-100
3
13
28
55
80
125
22
45
60
100
0,75
3,3
7
14
20
31
5,5
11,25
15
25
Ток, А (конечное
напряжение 1 В),
при режиме разряда
8-часовом
1-часовом
0,28
1,25
2,75
5,65
7,5
12,5
2,75
5,65
7,5
12,5
2
13
25
55
80
125
22
45
60
100
Примечание. При одночасовом режиме разряда емкость не нормируется.
ЭДС щелочных АБ определяется состоянием активной массы
электродов. У свежезаряженных никель-железных аккумуляторов ЭДС составляет 1,5 В. У разряженных АБ она снижается до
1,3 В. В аналогичных условиях ЭДС никель-кадмиевых аккумуляторов изменяется от 1,4 до 1,27 В.
Внутреннее сопротивление АБ этих типов находится в пределах от 0,22/Qном до 0,32/Qном.
Со щелочных АБ можно снять их номинальную емкость независимо от интенсивности разряда. Однако при этом конечное напряжение при разряде тем ниже, чем интенсивней разряд (рис.
6.6, а–г).
Ток нормального режима заряда щелочных АБ численно равен 1/4 их номинальной емкости. Конечное напряжение заряда
при этом составляет 1,78–1,8 В. При больших зарядных токах,
а также при очень малых никель-кадмиевые АБ, получив зарядную емкость, оказываются заряженными не полностью, оптимальная кратность зарядного тока лежит в пределах от 0,5 до
1,1 относительно тока нормального режима. При подключении
щелочных АБ на заряд нормальным током и напряжение повышается с 1,28–1,3 В (напряжение в состоянии покоя у разряжен104
а)
б)
U, В
U, В
1,8
1,7
1,7
1,6
1,6
1,5
1,5
0
в)
20 40
U, В
60
80 100
1,2
1,0
2
1
Q, %
г)
3
2 4
U, В
6
8
10 t, мин
1,2
1,1
0,8
0,6
0 1
1,4
0
1,0
2
3
4
5
6 7
8 t, ч
0,9
0
20
40
60
80
100
Q, %
Рис. 6.6.Изменение напряжения аккумуляторов типа НК: а – в процессе заряда; б – после отключения от источника зарядного
тока; в – при разряде токами 3-часового (кривая 1), 5-часового
(кривая 2) и 8-часового (кривая 3) режимов; г – при разряде
током 3-часового режима в зависимости от снятой с АБ емкости
ных АБ) скачком до 1,6 В. Дальнейшее увеличение напряжения
происходит медленно (см. рис. 6.6, а). Подзаряд щелочных АБ
осуществляется при напряжении 1,5–1,6 В. Ток подзаряда в
этих условиях численно составляет 0,005–0,008 номинальной
емкости АБ.
Наличие больших пиковых нагрузок может привести к значительным снижениям напряжения АБ. Отмеченное обстоятельство осложняет совместную работу нескольких модулей АБП от
одной АБ при возникновении аварийных режимов в одном из
них.
Для ограничения уменьшения напряжения АБ в режиме разряда число элементов АБ увеличивают. Эти дополнительные
элементы, не используемые в номинальном режиме, подключают специальным регулирующим устройством по мере разряда
АБ, стабилизируя напряжение. Соотношение основной и дополнительной частей АБ составляет 10:1. Для стабилизации напряжения при разряде АБ применяют также включение диодов или
105
тиристоров последовательно с АБ, которые шунтируют по мере
разряда АБ. Наиболее эффективным способом стабилизации является использование широтно-импульсных преобразователей,
включаемых между АБ и нагрузкой [6].
6.5. Структуры и режимы работы агрегатов
бесперебойного питания
В состав статических АБП входят инверторы, которые обеспечивают преобразование постоянного тока в переменный; выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный, и
коммутационные устройства, осуществляющие включение и
отключение выпрямителей, инверторов, основных и резервных
источников питания.
В зависимости от состава АБП и схемы соединения его составных частей образуются различные структуры АБП. Использование той или иной структуры определяется исходя из требований
надежности, стоимости и других технико-экономических показателей при проектировании СГЭ. При относительно небольшом
наборе типоисполнений выпрямителей, инверторов и коммутационных устройств можно обеспечить питание потребителей в широком диапазоне номинальных мощностей и требований к качеству
электроснабжения, использовав различные структуры АБП.
Основные структуры АБП приведены в табл. 6.4.
В соответствии с международными стандартами [6] простейшей структурой является единичный АБП, содержащий только
один модуль АБП. Модуль АБП представляет собой комплектное
устройство, состоящее из инвертора И и выпрямителя В. Применяются различные модификации единичного АБП (табл. 6.4).
При применении управляемого выпрямителя обеспечивается не
только питание инвертора, но и подзаряд (заряд) батареи (табл.
6.4, п. 1). Если в составе АБП используется неуправляемый выпрямитель, то для заряда батареи необходим отдельный выпрямитель (табл. 6.4, п. 2). Для повышения надежности электроснабжения единичный АБП дополняется обводной цепью и переключающим устройством (табл. 6.4, п. 3). Входы переменного тока в
единичном АБП с обводной цепью могут питаться от общей сети
или от двух независимых друг от друга сетей переменного тока.
Под обводной цепью понимается электрическая цепь, позволяющая осуществлять питание нагрузок от сети переменного тока,
минуя преобразователи АБП.
106
Таблица 6.4
№
п/п
Классификационное
название структуры АБП
1
Единичный АБП (модуль
АБП) с выпрямителем,
общим для инвертора и АБ
2
Единичный АБП с независимым зарядом аккумуляторной батареи.
ЗУ – запорное устройство
3
Единичный АБП с обводной цепью. П – переключающее устройство.
Выпрямитель может быть
общим для инвертора и
батареи
4
5
Графическое изображение
В
И
В
И
ЗУ
П
В
И
ЗУ
И
Частично параллельный
АБП. Цепь постоянного
тока может быть отделена
запорным устройством
В
И
Параллельный АБП.
Цепь постоянного тока
может быть отделена запорным устройством
В
И
В
И
П
В
6
Параллельный АБП с
обводной цепью
И
ЗУ
В
И
ЗУ
107
Продолжение табл.
№
п/п
7
Классификационное
название структуры АБП
АБП с выделенным резервом
Графическое изображение
Модуль
АБП
П
Модуль
АБП
Модуль
АБП
8
9
АБП с выделенным резервом и обводной цепью
АБП с параллельным
резервом. К – коммутационное устройство
АБП с параллельным резервом и обводной цепью.
10 Количество обводных
цепей может быть произвольным
П
Модуль
АБП
Модуль
АБП
К
Модуль
АБП
К
Модуль
АБП
К
Модуль
АБП
К
Модуль
АБП
К
К
Примечания. 1. В структурах АБП по п. 3–9 питание переменным
током может быть общим. 2. В структурах АБП по п. 5, 6 питание постоянным током может быть общим.
Режим питания от сети через обводную цепь может быть как
основным, так и резервным. Если режим питания нагрузки от
сети является основным, то различают активное и пассивное состояния готовности преобразователей к работе. При активном
108
состоянии инвертор работает в режиме холостого хода. В случае
исчезновения напряжения в обводной цепи инвертора за счет
энергии АБ поддерживает непрерывность питания нагрузки.
При пассивном состоянии готовности к работе инвертор в нормальном режиме работы выключен. При исчезновении напряжения сети инвертор включается и обеспечивает питание нагрузки
за счет энергии АБ. В обоих случаях время переключения оценивается интервалом, в течение которого ток нагрузки переходит с
одного источника на другой.
АБП, содержащий два или более модулей, работающих параллельно, классифицируется как параллельный (табл. 6.4, п. 5, 6).
При этом АБП с инверторами, работающими параллельно и питаемыми от общей аккумуляторной батареи и (или) выпрямителя, определяется как частично параллельный (табл. 6.4, п. 4).
Входы переменного тока могут питаться с общей сети или от нескольких независимых друг от друга сетей переменного тока.
АБП с резервированием отдельных преобразователей (инверторов, выпрямителей) относится к группе с частичным резервом.
АБП с полным резервом содержит резервный модуль АБП.
АБП, в котором один или несколько модулей выделены и сохраняются в резерве, называется АБП с выделенным резервом
(табл. 6.4, п. 7 и 8).
АБП с несколькими параллельно работающими и частично нагруженными модулями (т. е. нагруженными мощностью,
меньшей номинальной) определяется как АБП с параллельным
резервом (табл. 6.4, п. 9, 10).
В схемах электроснабжения ответственных потребителей широко применяются структуры (рис. 6.7, а–в), которые обозначаются как АБП-1; АБП-2; АБП-3 [6].
АБП-1 соответствует наиболее простой структуре агрегатов
бесперебойного питания (модуль АБП) и в силу этого имеет наименьшие стоимость и массогабаритные показатели. Пара­метры
напряжения на нагрузке в этой структуре определяются характеристиками инвертора. Надежность АБП-1 практически определяется инвертором, так как отказ выпрямителя, если его время восстановления меньше времени разряда АБ, не приводит к
нарушению электроснабжения потребителя и как отказ не классифицируется.
АБП-1, дополненный переключающим устройством, классифицируется как АБП-2. Структура АБП-2 позволяет реализовать два режима работы:
109
АБП1
а)
~
В
И
~
Н
в)
1
АБП3
~
АБП1
К
~
АБ
б)
2
~
АБП1
Н
К
АБП2
1
2
~
АБП1
~
~
П
~
Н
АБ
АБ
Рис. 6.7.Типовые структурные схемы АБ
питание нагрузки через АБП-1 является основным;
питание нагрузки через обводную цепь является основным, а
через АБП-1 – резервным.
С учетом того, что средняя наработка на отказ инверторов на
порядок больше, чем сети, а время восстановления инверторов
находится в диапазоне от 0,5 до 1 ч, вероятность одновременного
отказа инвертора и питающей обводную цепь сети переменного
тока пренебрежимо мала по сравнению с отказом переключающего устройства. Поэтому надежность АБП-2 практически определяется надежностью переключающего устройства. Статические
и динамические характеристики АБП-2 определяются как инвертором, так и сетью. АБП-2 может допускать перегрузки больше предельной мощности инвертора. Для этого при перегрузках
(пуск двигателя, включение трансформатора) питание потребителя переводится на сеть, мощность которой больше мощности
инвертора. Для исключения бросков пусковых токов при переключении источников автономные инверторы должны работать
синхронно и синфазно с сетью. При коротком замыкании в цепи
нагрузки ее также можно подключать к сети, и после ликвидации короткого замыкания производить обратное переключение
нагрузки на инвертор. Поэтому в АБП-2 весьма просто обеспечивается согласование уставок защитных аппаратов при коротких
замыканиях в нагрузке, а также нормирование напряжения по
значению и частоте в неповрежденных фазах во время короткого
замыкания и в послеаварийном режиме. Значения тока корот110
кого замыкания и напряжения в неповрежденных фазах определяются сетью; параметрами сети определяются и возможные
перенапряжения на нагрузке после окончания короткого замыкания.
В СГЭ применяются и АБП-2, в которых основным режимом
является питание нагрузки от сети, а инвертор работает на холостом ходу. При нарушении качества напряжения в сети питание
нагрузки переводится на инвертор с помощью переключающего устройства. Такой АБП-2 классифицируется как единичный
АБП с обводной цепью и активным состоянием готовности преобразователя к работе. Основные характеристики (энергетические,
массогабаритные, статические и динамические) и показатели надежности этого варианта АБП-2 и АБП-2 с основным питанием
нагрузки от инвертора близки.
Единичный АБП с обводной цепью и пассивным состоянием
готовности, в котором инвертор находится в выключенном состоянии, также представляет собой АБП-2. Статические характеристики этого варианта такие же, как и у рассмотренных АБП-2.
Динамические характеристики такого АБП уступают АБП-2
с активным состоянием готовности преобразователя к работе
и АБП-2 с основным питанием нагрузки от инвертора, так как
при переключении с сети на инвертор всегда существует перерыв
питания на время пуска инвертора. Наличие этого перерыва не
позволяет переключить нагрузку с большим пусковыми токами,
превышающими допустимый по коммутационной устойчивости
предел, на инвертор. Надежность АБП-2 при пассивном состоянии готовности может быть ниже, чем в других структурах с
обводной цепью. В АБП с обводной цепью и пассивным состоянием готовности преобразователя к работе инвертор находится в
выключенном состоянии. Непрерывный контроль выключенного инвертора практически невозможен. Без обеспечения такого
контроля АБП неисправность инвертора может быть необнаруженной, восстановление его не будет начато своевременно (т. е.
сразу после отказа) и вероятность отказа сети при неисправном
инверторе будет повышенной. Поэтому применение этой структуры определяется сравнением затрат на контроль исправного
состояния инвертора с заданной периодичностью с экономией от
исключения потерь инвертора на холостом ходу.
В тех случаях, когда требуется более высокое качество напряжения, чем в промышленной сети, и большая надежность, чем
обеспечивается АБП-1, применяется АБП-3, который состоит
111
из двух комплектов АБП-1 и двух тиристорных быстродействующих отключающих устройств с искусственной коммутацией,
обеспечивающих отключение отказавшего АБП-1 за несколько
миллисекунд.
В целях уменьшения габаритов и массы практикуется совмещение функций в преобразователях АБП. Преобразователи с
совмещенными функциями применяются в АБП, в которых основное питание нагрузки производится от сети, а инвертор находится в резерве. В этом случае, как правило, совмещаются функции инвертора и выпрямителя. Встречаются случаи применения
совмещения функций сетевого фильтра и выходного фильтра
инвертора.
Совмещение в одном преобразователе функций инвертора и
выпрямителя означает, что при исправной сети преобразователь
работает как зарядный выпрямитель, и потери холостого хода
инвертора отсутствуют. При нарушении качества напряже­ния
сети последняя отключается от нагрузки коммутационным устройством, преобразователь переходит в инверторный режим
работы и подключается к нагрузке, т. е. энергетические режимы работы структуры полностью совпадают со структурой АБП
с обводной цепью и пассивным состоянием готовности. Режимы
работы преобразователей определяются структурой АБП.
При отсутствии обводной цепи нагрузка во всех эксплуатационных режимах получает питание от инверторов. В этом случае
все требования, предъявляемые ответственными потребителями
к источнику питания, должны обеспечиваться инвертором. Наиболее существенным требованием является обеспечение необходимого качества напряжения АБП:
при изменении нагрузки в диапазоне от холостого хода до перегрузки;
при скачках нагрузки;
в широком диапазоне изменения напряжения цепи постоянного тока, которое может изменяться как плавно, так и скачкообразно;
при несимметричной трехфазной нагрузке;
при нелинейной, в том числе импульсной, нагрузке.
При питании нагрузки от инвертора стабильность напряжения и его частоты, форма кривой напряжения на шинах нагрузки могут быть лучше, чем в промышленной сети. Инверторы
АБП должны обеспечивать прямой пуск двигателей, подключение трансформаторов, отключение (срабатывание) защитных
112
аппаратов при коротких замыканиях в цепи нагрузки. Должна
обеспечиваться параллельная работа инверторов.
В структурах АБП с обводной цепью основным требованием
является синхронная и синфазная работа инвертора с промышленной сетью и электроагрегатом при изменении напряжения
сети по частоте в заданном диапазоне. Для структур АБП, в которых нагрузка постоянно питается от промышленной сети, а инвертор работает на холостом ходу, инвертор должен быть готов
принять 100%-ный наброс нагрузки. В режиме, когда силовая
часть выключена, а функционирует только система управления
инвертора, время пуска инвертора должно быть минимальным.
В составе АБП используются как управляемые, так и неуправляемые выпрямители. Применение управляемого выпрямителя позволяет реализовать работу АБ в «буферном» режиме, а
также обеспечить режим заряда батареи. В нормальном эксплуатационном режиме выпрямитель питает инвертор и подзаряжает АБ. При посадке напряжения питающей сети в определенных
пределах напряжение на выходе выпрямителя поддерживается
на заданном уровне. При более глубоких посадках напряжения
выпрямитель отключается, и питание инвертора осуществляется от АБ. При восстановлении нормального уровня переменного напряжения (питающей сети, электроагрегата) выпрямитель
включается в работу. Автоматическое повторное включение
(АПВ) выпрямителя производится с выдержкой времени, чтобы
исключить подключение выпрямителя к источнику питания, в
котором не закончились переходные процессы. Управляемый
выпрямитель в составе АБП должен обеспечивать:
стабилизацию выпрямленного напряжения на входе инвертора в статических режимах при различных значениях нагрузки и
напряжения питающей сети;
уменьшение динамических отклонений выпрямленного напряжения и времени переходного процесса при всплесках и провалах напряжения сети и быстрых изменениях нагрузки;
ограничение токов при авариях в цепи постоянного тока (при
коротких замыканиях в АБ, при опрокидывании инвертора, в
режиме, когда АБ отключена);
АПВ с определенной выдержкой времени;
ограничение пульсаций выпрямленного напряжения на уровне, определяемом техническими условиями на АБ.
При использовании неуправляемого выпрямителя АБ находится в режиме «подпора», т. е. отделена от шин постоянно113
го тока специальным запорным устройством. Все возмущения
питающей сети переменного напряжения передаются на выход
выпрямителя практически без изменения до тех пор, пока они
не превысят допустимые. При глубоких посадках переменного
напряжения срабатывает запорное устройство, подключающее
АБ к инвертору. При этом возможно скачкообразное изменение
напряжения на входе инвертора, величина которого определяется разностью выпрямленного напряжения и напряжения на
батарее в момент срабатывания запорного устройства. АПВ неуправляемого выпрямителя осуществляется аналогично АПВ
управляемого выпрямителя. Кроме обеспечения работы при заданных напряжениях и токах на входе и выходе специальных
требований к неуправляемому выпрямителю не предъявляется.
Запорное устройство обеспечивает включение и отключение АБ
и представляет собой диод или тиристор или комбинацию указанных приборов с электромеханическими коммутационными
аппаратами. Применение неуправляемого выпрямителя в АБП
позволяет уменьшить массу, габариты, повысить коэффициент
мощности по питающей сети и снизить стоимость АБП, однако
при этом требуется дополнительный зарядный выпрямитель для
обеспечения режимов заряда и подзаряда АБ.
В качестве коммутационных устройств, обеспечивающих необходимые алгоритмы переключений, применяются:
электромеханические коммутационные аппараты при допустимой длительности коммутации 0,01 с и более;
электронные, на базе тиристоров и диодов, если необходимо
произвести отключение за время не более 0,01 с;
гибридные, содержащие механические контакты, шунтируемые полупроводниковыми приборами, и сочетающие высокое
быстродействие электронных приборов с малым падением напряжения на контактах электромеханических аппаратов.
Коммутационные устройства АБП обеспечивают:
требуемое быстродействие при коммутациях цепей (включение, отключение, переключение) с учетом четырех групп ответственных потребителей;
селективную работу защитных аппаратов одиночной и разветвленной нагрузок;
контроль параметров напряжения в коммутируемых цепях;
предотвращение создания контура короткого замыкания
между переключаемыми источниками.
114
Библиографический список
1. Бардинский С. И. Источники гарантированного питания
средств управления воздушным движением и радиосветотехнического оборудования аэропортов: текст лекций/СПб.: ГААП,
1995. 64 с.
2. ГОСТ 13109–97. Нормы качества электрической энергии у
ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего
назначения. М.: Изд-во стандартов, 1996.
3. ГОСТ 19543–93. Совместимость вычислительных машин
электромагнитная. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1993.
4. Гурвич И. С. Защита ЭВМ от внешних помех. М.: Энергоатомиздат, 1984. 224 с.
5. Ефимов А. А. Основы силовой электроники: текст лекций.
Часть 1. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2004. 163 с.
6. Статические агрегаты бесперебойного питания/Г. Г. Адамия, Е. И. Беркович, А. С. Картавых и др. Под ред. Ф. И. Ковалева. М.: Энергоатомиздат, 1992. 288 с.
7. Стабилизированные автономные инверторы с синусоидальным выходным напряжением/Ф. И. Ковалев, Г. П. Мосткова,
В. А. Чванов, А. И. Толкачев. М.: Энергия, 1972. 152 с.
115
Учебное издание
Бардинский Сергей Иванович
Ефимов Александр Андреевич
Мельников Сергей Юрьевич
ЭНЕРГОСИЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
АЭРОПОРТОВ
Учебное пособие
Редактор А. В. Подчепаева
Верстальщик С. Б. Мацапура
Сдано в набор 23.01.08. Подписано к печати 11.03.08.
Формат 60×84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ л. 6,7.
Уч.-изд. л. 6,9. Тираж 100 экз. Заказ № .
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
21
Размер файла
2 585 Кб
Теги
bardinskiy
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа