Теория мощности в силовой электронике - Учебное пособие

ТЕОРИЯ МОЩНОСТИ В СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ Учебное пособие для студентов, обучающихся по специальности Содержит изложение электромагнитных процессов в линейных и нелинейных одно-и трехфазных цепях переменного тока, в том числе при работе сети на вентильные преобразователи электрической энергии, рассматриваются способы повышения коэффициента мощности, что позволяет использовать пособие при подготовке к практическим занятиям, выполнении курсовых и дипломных работ. Предназначено для студентов специальности «Промышленная электроника».При анализе, разработке и применении преобразовательных устройств необходимо принимать во внимание три аспекта: Устройство должно удовлетворять требованиям потребителя как по величине выходного напряжения (или тока), так и по его качественным показателям, среди которых важнейшим является гармонический состав напряжений и токов на выходе преобразователя; Преобразователь не должен оказывать негативного воздействия на источник энергии, т.е. на питающую сеть. При изучении курса «Основы преобразовательной техники» рассмотрение первых двух аспектов не вызывает больших трудностей, хотя в дальнейшем специалистам по силовой электронике, как правило, необходимо более глубокое знакомство с характеристиками и особенностями работы потребителей преобразованной энергии. Рассмотрение же процессов в системе «питающая сеть переменного тока - преобразователь» должно основываться на фундаментальных знаниях в области Теории мощности, и здесь студенты испытывают значительные трудности, так как в курсе «Теоретические основы электротехники» этот раздел представлен очень кратко, и многие существенные для специалистов по силовой электронике проблемы не затрагиваются. Знакомство с преобразователями ограничено изучением идеализированных устройств, при этом вопросы, связанные с первыми двумя аспектами анализа преобразователей, почти не затрагиваются.Изображенный на рис.1.1,а двухполюсник потребляет электрическую энергию, если полярность напряжения u(t) и тока i(t) совпадают, и, напротив, является источником мощности, если полярности напряжения и тока противоположны. Произведение тока на напряжение p(t) = u(t) ·i(t) называется мгновенной мощностью. Таким образом, если мгновенная мощность положительна, p(t) > 0, энергия потребляется двухполюсником, а при отрицательной мгновенной мощности, p(t) <0, - отдается во внешнюю цепь. Рассмотрим приложение синусоидального напряжения u = Umsinq к активной нагрузке R, где Um - амплитудное значение напряжения u(t); q = wt; w - круговая частота питающего напряжения. Временные диаграммы тока i, напряжения u и мгновенной мощности p представлены на рис.Рассмотрим в качестве примера работу синусоидального источника напряжения на активно-индуктивную нагрузку с последовательным соединением резистора и дросселя. Тогда протекающий в цепи ток имеет синусоидальную форму и отстает от напряжения на фазовый угол нагрузки: где I = - действующее значение тока. Временная диаграмма мгновенной мощности p(?) = u(?) · i(?) = 2 UI ·sinq · sin(q - j) = UI [cosj - cos(2? - j)] также приведена на рис. Кривая мгновенной мощности является знакопеременной: на интервалах от j до p и от (p j) до 2p мгновенная мощность положительна, и энергия передается от источника в нагрузку; напротив, на интервалах от 0 до j и от p до (p j) мгновенная мощность отрицательна, и энергия возвращается из нагрузки в источник питания. Кривую мгновенной мощности также разложим на две составляющие: активную составляющую мгновенной мощности, обусловленную активной составляющей тока, и реактивную, обусловленную реактивной составляющей тока: р = ра рр = UI·cosj ·sin2 q UI · sinj ·sin (q - p/2)·sinq .При передаче энергии от электростанции через линии электропередач (ЛЭП) к потребителю осуществляется многократная трансформация электроэнергии, которая сопровождается не только потерями энергии, но и снижением коэффициента мощности, что обусловлено индуктивными сопротивлениями трансформаторов. В энергосистеме необходимо поддерживать баланс не только активных, но и реактивных мощностей. Реактивная мощность не связана с выполнением работы. Для передачи потребителю той же активной мощности при снижении коэффициента мощности необходимо увеличение токов, это требует увеличение затрат на проводниковые изделия, трансформаторы, коммутационные устройства. Система «потребитель энергии - КРМ» должна иметь бoльший коэффициент мощности, чем потребитель без компенсатора.Обобщенная схема трехфазной сети показана на рис. Трехфазная система может быть трехпроводной или «без вывода нейтрали» (нулевой провод, показанный на рис. В симметричной четырехпроводной системе («с выводом нейтрали») потенциалы средних точек источника напряжения и нагрузки равны (u0 = 0) и ток по проводу, показанному на рис. Соединение нагрузки может быть различным (звезда, треугольник, смешанное соединение разветвленной нагрузки), однако при анализе полагаем, что известными методами электротехники любая нагрузка пересчитана в звезду.

Оглавление

Введение

1. Энергетические процессы в синусоидальной сети с линейной нагрузкой

1.1 Работа сети на активную нагрузку

1.2 Комплексная нагрузка. Реактивная мощность сдвига

1.3 Источники и компенсаторы реактивной мощности

1.4 Энергетические процессы в симметричных трехфазных цепях

1.5 Энергетические процессы в несимметричных трехфазных цепях

1.6 Анализ энергетических процессов методом симметричных составляющих

2. Энергетические процессы в синусоидальной сети с нелинейной нагрузкой

2.1 Нестационарные процессы в линейной нагрузке

2.2 Коэффициент мощности неуправляемых выпрямителей

2.3 Коэффициент мощности управляемых выпрямителей

2.4 Способы компенсации мощности искажения

3. Энергетические процессы в несинусоидальной сети

3.1 Сеть ограниченной мощности

3.2 Составляющие полной мощности при питании линейной нагрузки

3.3 Составляющие полной мощности при питании нелинейной нагрузки

3.4 Работа трехфазной нагрузки от сети ограниченной мощности

3.5 Нормативы на показатели качества электрической энергии

Заключение

Контрольные вопросы и задачи

Библиографический список