Энергетические показатели промышленного электрооборудования.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"Рязанский государственный радиотехнический университет"

Кафедра теоретических основ электротехники

Электронные преобразователи

Электрической энергии.

Учебное пособие по дисциплине

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Составил: доц. Романов А.В.

Рязань 2011

Содержание.

Энергетические показатели промышленного электрооборудования.

Электрооборудованием промышленных предприятий принято считать такое техническое устройство (установку, комплекс тех­нических устройств), которое является преобразователем электрической энер­гии в полезную работу или продукт.

Энергетические показатели промышленного электрооборудования характеризуют эффективность потребления и использования электрической энергии этим оборудованием.

Полная (габаритная) потребляемая мощность (S) характеризует величину загруженности сети оборудованием, равна произведению действующих значений напряжения и тока:

, [ВА] (1.1)

Полная мощность определяется тремя составляющими мощности:

, (1.2)

где Р – активная мощность [Вт]; Q – реактивная мощность [ВАр]; N – мощность искажения [ВА].

Активная мощность обеспечивает полезную работу и производительность оборудования. Она определяется, как средняя за период мгновенная мощность (p(t)):

. (1.3)

При синусоидальном напряжении и несинусоидальном токе, потребляемом оборудованием, активная мощность определяется мощностью первой гармоники:

, (1.4)

где φ₁ – фазовый сдвиг между первыми гармониками напряжения (u₁) и тока (i₁).

При аналогичных условиях реактивная мощность:

. (1.5)

Реактивная мощность в общем случае представляет собой разность индуктивной и емкостной реактивных мощностей:

. (1.6)

Мощность искажения характеризует степень различия в формах напряжения и тока. При синусоидальном потреблении (для линейных нагрузок) – N = 0.

Коэффициент мощности (K_М)характеризует эффективность потребления энергии оборудованием и представляет собой отношение активной мощности к полной:

. (1.7)

Здесь K_Н – коэффициент нелинейности (другое название – коэффициент искажения):

(1.8)

– отношение действующего значения первой гармоники потребляемого тока к действующему значению всей кривой тока:

, (1.9)

где n – номер гармоники; I_n – действующее значение n-ой гармоники тока.

Если в потребляемом токе отсутствует постоянная составляющая I₀ (нулевая гармоника), то для определения коэффициента мощности можно использовать другие коэффициенты, характеризующие форму кривой несинусоидального тока.

Коэффициент искажения синусоидальности характеризует степень отклонения формы периодической кривой тока от синусоидальной (другое название – коэффициент гармоник):

. (1.10)

По определению ГОСТ 13109-97 K_Г – отношение действующего значения высших гармоник к действующему значению первой гармоники.

Коэффициент нелинейных искажений определяется как отношение действующего значения высших гармоник к действующему значению всей кривой тока:

, (1.11)

Два последних коэффициента (K_Г и K_НИ), если они известны (или один из них) позволяют получить коэффициент нелинейности, прямо влияющий на коэффициент мощности:

, (1.12)

. (1.13)

Коэффициент полезного действия характеризует эффективность использования энергии оборудованием и представляет собой отношение выходной активной мощности к потребляемой:

% (1.14)

Энергетический коэффициент – обобщенный показатель эффективности оборудования:

(1.15)

Как следует из последнего выражения один из факторов повышения эффективности оборудования – увеличение коэффициента мощности. K_M зависит от фазового сдвига (φ₁) между первыми гармониками напряжения и тока и коэффициента нелинейности (K_H).

Электрические потребители индуктивного характера (например, электродвигатели) потребляют из сети не только активную, но и индуктивную реактивную мощность, величина которой пропорциональна sinφ₁. Появление этой составляющей мощности приводит к увеличению действующего значения тока, потребляемого из сети и, как следствие, к увеличению потерь в кабелях, трансформаторах и других распределительных устройствах систем электроснабжения. Увеличиваются общие расходы на электроэнергию. Необходимо предусматривать меры по снижению реактивной мощности потребляемой из сети.

Это можно достичь с помощью подключения определенной емкостной нагрузки – конденсаторов, которые снижают суммарную реактивную мощность, потребляемую из сети (см. выражение 1.6).

Устройства, обеспечивающие компенсацию реактивной мощности, и, следовательно, повышающие коэффициент мощности оборудования, называются компенсаторы реактивной мощности (КРМ).

Гармоники тока, создаваемые нелинейными нагрузками, могут представлять собой серьезные проблемы для систем электропитания. Гармонические составляющие представляют собой токи с частотами, кратными частоте сети, и вызывают появление мощности искажения, приводят к искажению формы тока. Увеличение общего действующего значения тока при наличии высших гармоник в системе приводит к перегреву всего оборудования распределенной сети электропитания, снижению коэффициента мощности, снижению электрического и механического КПД нагрузок, ухудшению характеристик защитных автоматов и завышению требуемой мощности автономных электрогенераторов. Искажение синусоидальности тока влияет также на форму напряжения сети.

Борьба с гармоническими искажениями – один из элементов мероприятий по повышению как надежности, так и энергоэффективности в энергоснабжении.

Среди основных способов подавления высших гармоник в системах электроснабжения:

- применение пассивных фильтров;

- применение активных фильтров (активных кондиционеров гармоник – АКГ, Active Harmonic Conditioner - AHC).

Принцип действия АКГ основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. Как результат этого, высшие гармонические составляющие тока нейтрализуются в точке подключения АКГ. Это означает, что они не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть, не снижают K_M и не искажают напряжения первичного источника энергии.

Рис. 1.1. Схема включения активного кондиционера гармоник (АКГ).

Ток нелинейной нагрузки (i_NL) содержит основную (i₁) и высшие (i_n) гармоники:

(1.16)

Ток АКГ (i_ANC) содержит противофазные току нагрузки высшие гармоники:

(1.17)

В результате ток, потребляемый от сети (i_PS), практически синусоидален, так как содержит только основную (первую) гармонику:

(1.18)

Таким образом, источник обеспечивает только основную гармонику тока нагрузки, а АКГ покрывает практически весь спектр высших гармоник. АКГ может быть установлен в любой точке распределительной сети и способен компенсировать высшие гармоники от одной или нескольких нелинейных нагрузок. На рис. 1.2 изображены кривые токов в системе с АКГ при работе на нелинейную нагрузку с трехфазным мостовым выпрямителем на входе.

Рис. 1.2. Кривые токов в системе с АКГ:
a) ток нагрузки; б) ток АКГ; в) ток источника.

Основным средством повышения коэффициента нелинейности и коэффициента мощности инверторного электрооборудования с бестрансформаторным входом (на входе – выпрямитель) является применение активного корректора коэффициента мощности (ККМ, Power Factor Correction – PFC). Активный высокочастотный ККМ позволяет обеспечить коэффициент мощности до 0,99.

Классический вариант высокочастотного ККМ строится на основе повышающего преобразователя с дросселем, включенным после выпрямителя.

На рис. 1.3 – входная цепь AC/DC-преобразователя без ККМ и формы напряжений и токов. На рис. 1.4 – то же с ККМ.

Рис. 1.3. Входная цепь AC/DC-преобразователя без ККМ и формы напряжений и токов.

Рис. 1.4. Входная цепь AC/DC-преобразователя с ККМ и формы напряжений и токов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: