СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И МОЩНОСТИ
METHOD OF CONTROLLING VOLTAGE AND POWER

Заявляемое изобретение относится к области электротехники, в частности к области силовой электроники, и предназначено для регулирования напряжения и мощности в мощных низковольтных однофазных резистивных нагревателях различных электротермических установок, питаемых через стандартные однофазные низкочастотные трансформаторы частотой 50 Гц при наличии трехфазной сети частотой 50 Гц.
В России и за рубежом имеется большое количество предприятий, на которых используется мощное электротермическое оборудование, в составе которого для оптимизации конструкции используются низковольтные сильноточные однофазные нагреватели. Максимальное напряжение таких нагревателей составляет менее 10 В при токах, достигающих 10 кА, при этом требуется глубокое регулирование напряжения и мощности нагревателей. Питаются такие нагреватели через мощные однофазные силовые трансформаторы стандартной частоты.
Такое электротермическое оборудование применяется, в том числе, на предприятиях по выращиванию слитков искусственного сапфира по методу Киропулоса. Каждая применяемая электротермическая установка имеет мощность 60-80 кВт, а количество установок на предприятиях достигает нескольких сотен штук. Для регулирования напряжения и мощности эксплуатируемых в настоящее время установок массово применяются однофазные тиристорные регуляторы напряжения с известной схемой силовой части, представленной на фиг. 1 и известной из открытых источников, например рис. 2.95а на стр. 100 [1]. Регуляторы получают питание от двух фаз трехфазной сети и регулируют выходное напряжение, используя фазоимпульсный принцип регулирования напряжения.
Использованием однофазных регуляторов объясняется наличие крайне низкого уровня энергоэффективности потребления электроэнергии, так как:
- подключение регуляторов к двум из трех фаз вызывает неравномерное нагружение током фаз - «перекос фаз», полностью не устранимое даже при распределении и подключении электротермических установок к разным парам фаз;
- фазоимпульсный принцип регулирования напряжения является причиной низкого коэффициента мощности из-за сдвига фаз между кривыми напряжения и тока в нагрузке (значения коэффициента мощности близки к значениям 0,7-0,75);
- фазоимпульсный принцип регулирования напряжения приводит к появлению в сети высших гармоник тока и напряжения, отрицательно сказывающихся на других потребителях электроэнергии и энергосетевом оборудовании.
Применение трехфазных тиристорных схем с фазоимпульсным регулированием напряжения по первичной и вторичной стороне трехфазного трансформатора, приведенным на рис. 2, 3, 4 [2], для мощных низковольтных однофазных нагревателей также нецелесообразно из-за больших потерь в выпрямителях на вторичной стороне трехфазных трансформаторов, к тому же не устраняет приведенных выше недостатков схемы однофазного тиристорного регулятора.
Схемой, направленной на устранение всех недостатков вышеперечисленных тиристорных регуляторов, является схема, содержащая трехфазный диодный выпрямитель, однофазный транзисторный инвертор и выходной фильтр, изображенная на рис. 5 [2] и на фиг. 2. На выходе данной схемы с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) формируется регулируемое однофазное синусоидальное напряжение по широко известному алгоритму, которое прикладывается к первичной обмотке низкочастотного однофазного трансформатора, уже имеющегося в составе электротермических установок. В России используются трансформаторы со стандартной частотой 50 Гц. Приведенная схема неработоспособна без фильтра звена постоянного тока, однако главный ее недостаток состоит в том, что для нее не исследована и не указана оптимальная частота выходного напряжения, а предполагаемая частота выходного напряжения стандартна и равна 50 Гц, так как выходное напряжение прикладывается к первичной обмотке трансформатора, рассчитанного на питание от сети 50 Гц.
В качестве аналога может быть применена схема, приведенная на фиг. 2. Использование данной схемы призвано устранить все недостатки вышеперечисленных тиристорных схем, однако это не так. Более подробное исследование с использованием математического моделирования с последующим испытанием опытного образца транзисторного преобразователя мощностью 80 кВт показало, что при равенстве частоты входного и выходного напряжения токи, потребляемые нагрузкой из разных фаз, существенно не равны между собой, а коэффициент мощности составляет не 0,95, а 0,93. Коэффициент несимметрии токов, вычисляемый по формуле:
,
A
B
C
max
где I, I, I - действующие значения токов фаз, ΔI - наибольшая разность токов двух фаз, достигает значения 12%.
Этот эффект связан с противоречием между трехфазным характером выпрямления сетевого напряжения и однофазным характером потребления энергии с одинаковой частотой.
Объясняется описанный выше эффект тем, что при одинаковой частоте входного и выходного напряжения выходная синусоида напряжения по-разному расположена по отношению к трем синусоидам входного сетевого напряжения и доли энергии, поступающие на выход схемы и в нагрузку из разных фаз сети различны. (При формировании однофазной выходной синусоиды, когда ее частота в несколько раз превышает частоту трехфазной питающей сети, эффект «перекоса фаз» нивелируется, а при наличии трехфазного инвертора отсутствует).
Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков, связанных с перекосом фаз и снижением коэффициента мощности, которые присутствуют при формировании выходной синусоиды напряжения транзисторного преобразователя со стандартной частотой 50 Гц.
Техническим результатом от использования изобретения является снижение нагрузки на питающую трехфазную сеть и улучшение формы питающих напряжений, повышение энергоэффективности работы электротехнического оборудования и повышение срока его эксплуатации, возможность модернизации существующих электротермических установок без замены существующих дорогостоящих силовых трансформаторов.
Экономический эффект связан со снижением финансовых затрат на потребление электроэнергии в расчете на единицу продукции, повышением надежности и эффективности работы электротехнического оборудования электротермических установок и оборудования электрических сетей.
Указанная задача решается с помощью способа регулирования напряжения и мощности, в котором используют транзисторный преобразователь, состоящий из входного трехфазного диодного выпрямителя, сглаживающего LC-фильтра звена постоянного тока и однофазного транзисторного мостового инвертора, на выход которого подключен LC-фильтр переменного тока, отличающегося тем, что транзисторный преобразователь питает низковольтные резистивные нагреватели через стандартный понижающий однофазный трансформатор синусоидальным напряжением с частотой, в полтора раза превышающей частоту питающей трехфазной сети.
Исследования показали, что по мере увеличения частоты выходного напряжения выше 50 Гц «перекос фаз» снижается и становится равным нулю, когда частота выходной синусоиды в 1,5 раза превышает частоту трехфазной питающей сети, а коэффициент мощности увеличивается и становится максимальным и равным 0,95.
Из всего вышесказанного следует, что для выравнивания токов фаз и получения максимального коэффициента мощности при частоте питающей сети 50 Гц на выходе преобразователя необходимо формировать синусоиду напряжения с частотой 75 Гц.
Схема транзисторного преобразователя с подключенной нагрузкой и указанием частоты питающей сети 50 Гц и частоты выходного напряжения 75 Гц изображена на фиг. 3.
На схеме фиг. 3 введена следующая нумерация блоков: 1 - трехфазный диодный мостовой выпрямитель, 2 - сглаживающий LC-фильтр звена постоянного тока, 3 - однофазный транзисторный мостовой инвертор, 4 - выходной LC-фильтр переменного тока, 5 - однофазный силовой трансформатор, 6 - однофазная низковольтная резистивная нагрузка.
Так как напряжение повышенной частоты 75 Гц прикладывается к первичной обмотке однофазного силового трансформатора, рассчитанного на питание от сети частотой 50 Гц, то необходимо оценить влияние эффекта повышения частоты питающего напряжения на трансформатор.
С одной стороны, с увеличением частоты синусоидального напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора, растут потери в стали трансформатора. С другой стороны, при замене однофазного тиристорного регулятора (см. фиг. 1) на транзисторный преобразователь с синусоидальным выходным напряжением становятся равными нулю потери в стали от высших гармоник несинусоидального напряжения. Сравнительные испытания, проведенные на опытном образце транзисторного преобразователя и серийного тиристорного регулятора, показали, что с транзисторным преобразователем температура корпуса трансформатора при той же мощности нагрузки уменьшилась, а дребезг и шум снизились.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
Фиг. 1 - силовая часть однофазного тиристорного регулятора напряжения,
Фиг. 2 - схема, содержащая трехфазный выпрямитель и однофазный инвертор,
Фиг. 3 - схема изобретения (с подключенной нагрузкой).
Разработанный транзисторный преобразователь имеет широкую область применения как для модернизации существующего электротермического оборудования, так и для применения в электротермических установках нового поколения.
Транзисторный преобразователь реализован в виде опытного образца и принят к производству ФГУП «Экспериментальный завод научного приборостроения со Специальным конструкторским бюро РАН».
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Электрооборудование и автоматика электротермических установок: (Справочник) / Альтгаузен А.П., Бершидский И.М., Бершидский М.Д. и др., Под ред. А.П. Альтгаузена, М.Д. Бершидского, М.Я. Смелянского, В.М. Эдемского. - М.: Энергия, 1978. - 304 с., ил.
2. Тиристорный преобразователь как средство модернизации однофазных печей. http://www.elec.ru/articles/tiristornyj-preobrazovatel-kak-sredstvo-modernizac/