Понятие о коррекции коэффициента мощности

Типичный импульсный источник питания состоит из сетевого выпрямителя, сглаживающего конденсатора и преобразователя напряжения. Такой источник потребляет мощность только в те моменты, когда напряжение, подаваемое с выпрямителя на сглаживающий конденсатор, выше напряжения на нем (конденсаторе), что происходит в течение примерно четверти периода. В остальное время источник не потребляет мощности из сети, так как нагрузка питается от конденсатора. Это приводит к тому, что мощность отбирается нагрузкой только на пике напряжения, потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержит набор гармонических составляющих (см. рис.12.1).

Рисунок 12.1 Ток и мощность, потребляемые

источником питания без коррекции

Вторичный источник питания, имеющий коррекцию коэффициента мощности, потребляет ток с малыми гармоническими искажениями, равномернее отбирает мощность от сети, имеет коэффициент амплитуды (отношение амплитудного значения тока к его среднеквадратичному значению) ниже, чем у некорректированного источника. Коррекция коэффициента мощности снижает среднеквадратическое значение потребляемого тока, что позволяет подключать к одному выводу электросети больше разных устройств, не создавая в ней перегрузок по току (см. рис. 12.2).

Рисунок 12.2. Ток и мощность, потребляемые источником

питания с коррекцией

Первичная электрическая цепь переменного тока достаточно чувствительна к характеру нагрузки, подключаемой к ней. Оптимальной нагрузкой является активное линейное сопротивление - R_н . В этом случае при синусоидальной форме питающего напряжения u(ωt)=U_msin(ωt) ток, протекающий в такой цепи будет также описываться синусоидальной функцией:

При этом мгновенная мощность, потребляемая от сети:

Учитывая, что где U и I – действующие значения токов и напряжений в сети, а получим

Таким образом, мощность, потребляемая из сети и выделяемая в нагрузке, пульсирует с удвоенной частотой.

Средняя мощность Р, которая определяет энергию, необратимо преобразуемую в нагрузке в тепловую (или в какую-то иную форму) в единицу времени:

На практике нагрузка наиболее часто носит активно-индуктивный характер.

Тогда

где

Мгновенная мощность, потребляемая в этом случае от сети:

,

Также имеет пульсирующий вид, но она знакопеременна.

Положительные участки зависимости мощности от времени характеризуют передачу энергии из сети в нагрузку, а отрицательные – возврат части энергии, накопленной в магнитном поле индуктивности, в сеть. Первая составляющая в предыдущей формуле порождает активную мощность Р, а вторая – реактивную Q.

Средняя (активная) мощность, выделяемая в нагрузке:

Реактивная мощность Q бесполезно перекачивается из сети в нагрузку и обратно, вызывая потери в сетевых проводах и не производя полезной работы.

Произведение называется полной мощностью, а cosφ – коэффициентом мощности нагрузки, который учитывает фазовый сдвиг тока относительно напряжения. Полная мощность S, с одной стороны характеризует максимальную мощность, которую сеть могла бы отдавать нагрузке при cosφ=1, а с другой – является паспортной величиной для электрических машин, аппаратов и т. д. Мощности связаны друг с другом:

В реальной электрической сети всегда имеются потери Р_пот. При этом мощность потерь в ней определяется не только полезной активной мощностью, передаваемой в нагрузку, но и бесполезной реактивной мощностью:

Очевидно, что увеличение индуктивной части нагрузки приводит к увеличению фазы тока относительно напряжения и, следовательно, к уменьшению что, в свою очередь, ведёт к увеличению реактивной мощности и потерь в электрических сетях.

Ситуация ещё более ухудшается, если подключённая к сети нагрузка является не только реактивной, но и нелинейной, так как она вносит серьёзные искажения в форму потребляемого тока. В этом случае его можно представить суммой первой гармоники и гармоник высшего порядка:

Тогда мгновенная мощность, потребляемая из сети:

а средняя мощность в нагрузке:

Известно, что для гармоник с n > 2

и поэтому активная мощность, выделяемая в нагрузке:

,

где φ – угол сдвига первой гармоники тока относительно напряжения.

Таким образом, активную мощность в нагрузку передаёт только первая гармоника тока, потребляемого от сети. Отношение активной и полной мощностей характеризуется коэффициентом мощности нагрузки:

.

Из этого выражения следует, что коэффициент мощности зависит не только от угла сдвига первой гармоники тока φ₁, но и от отношения I₍₁₎/I, которое определяет степень искажения тока высшими гармониками, т. е. от формы тока.

На рисунке 12.3 показаны формы возможных форм тока, потребляемых некоторыми нагрузками (в частности, вторичными импульсными источниками питания) из сети и соответствующие им коэффициенты мощности.

Рисунок 12.3 Возможные формы тока, потребляемые некоторыми нагрузками

Низкий коэффициент мощности порождает ещё ряд серьёзных проблем в системе электропитания. При большом количестве электронной аппаратуры и нерациональном её подключении к питающей трёхфазной сети возможен перекос фаз. При этом часть электронной аппаратуры будет работать при повышенном напряжении, а другая – при пониженном. И в том и в другом случае аппаратура будет плохо работать и даже может выйти из строя. Для устранения перекоса фаз в трёхфазную сеть вводят «нулевой» провод, который выравнивает напряжение во всех фазах. При импульсном характере потребляемого тока и большом числе его гармонических составляющих возможна перегрузка «нулевого» провода, так как сечение этого провода в 2…2,5 раза меньше, чем у фазных проводов. При этом, по технике безопасности запрещается защищать «нулевой» провод плавкими предохранителями или автоматами защиты сети. Очевидно, что при неблагоприятных условиях возможно перегорание нулевого провода и возникновение перекоса фаз.

Импульсные источники электропитания состоят из входного мостового выпрямителя с емкостным фильтром и высокочастотного преобразователя напряжения. Обладая высокими значениями КПД, хорошими массогабаритными показателями, такие источники, к сожалению, имеют низкий коэффициент мощности – 0,5…0,7.

12.2 Коэффициент мощности в цепи переменного тока вентильного преобразователя (на входе выпрямителя и выходе инвертора) определяется отношением активной мощности к полной. Для выпрямителя это дает

(12.1)

где — отношение действующего значения первой гармоники тока первичной обмотки трансформатора к действующему значению первичного тока, называемое коэффициентом искажения тока.

Сдвиг первой гармоники первичного тока относительно кривой первичного напряжения, имеющего синусоидальную форму, обусловлен в вентильном преобразователе двумя причинами. Во-первых, наличием угла коммутации γ, во-вторых, наличием угла регулирования α, что позволяет записать приближенно

(12.2)

Коэффициент 1/2 берется при α, близких к 90°, а коэффициент 2/З — при α, близких к малым углам. При линейной аппроксимации коммутационного участка тока всегда надо брать коэффициент 0,5. Для режима зависимого инвертора аналогично (12.2) получаем

(12.3)

Итак, в соответствии с (12.1) коэффициент мощности можно интерпретировать как степень полезного использования пропускной способности электротехнического оборудования, которое выбрано на полную мощность, а через него будет пропущена для преобразования в другие виды энергии активная мощность . Кроме того, качество входного тока определяет степень негативного обратного влияния вентильного преобразователя на сеть переменного тока.
Особенно показательным становится выражение для коэффициента мощности вентильного преобразователя при допущении Хa = 0, Хd =∞ , когда γ = 0, = α. Тогда (1) преобразуется к следующему виду:

(12.4)

Эта важнейшая энергетическая характеристика преобразователя показывает, какой ценой на входе дается регулирование напряжения на выходе.
Таким образом, коэффициент мощности вентильного преобразователя линейно зависит от степени регулирования напряжения в звене постоянного тока. Это «ахиллесова пята» всех (рассмотренных) вентильных преобразователей на вентилях с неполным управлением (тиристорах). Наличие большой доли вентильной нагрузки в электрической сети обостряет для энергетиков проблему поддержания коэффициента мощности в сети на нормативном или оптимальном уровнях (обычно порядка 0,9). Это делает актуальной задачу построения вентильных преобразователей с улучшенными энергетическими показателями (коэффициентом мощности и КПД).