Электрические схемы устройств для преобразования электрической энергии на постоянном и переменном токе. (Лекция 11)

При встречном включении первичных об-моток индуцируемая в них результирующая ЭДС е1, уравновешивающая прикладывае-мое к ним напряжение U1, создаётся разно-стью потоков Ф1 и Ф2. Эта разность изме-няется с частотой f1 питающего напряжения и не содержит чётных гармоник. Результи-рующая ЭДС, индуцированная в соединён-ных согласно вторичных обмотках, создаёт-ся суммой потоков Ф1 и Ф2, которая не со-держит нечётных гармоник. Поэтому ре-зультирующая ЭДС и выходное напряжение U2 определяются в основном второй гармо-никой потоков Ф1 и Ф2, т.е. изменяются с удвоенной частотой f2=2f1.
Амплитуду выходного напряжения U2 можно регулировать, изменяя силу тока подмагничивания.
Для того, чтобы по обмоткам подмагни-чивания не протекали переменные токи, со-зданные чётными гармониками ЭДС, в цепь их питания включается дроссель L.

Принцип работы преобразователей для утроения частоты питающего напряжения на на-грузке, выполненных на базе трансформаторов, основан на использовании третьей гармони-ки, возникающей при насыщении сердечников трансформаторов, подключённых к трёхфаз-ной сети.
На рис. 18а приведена принципиаль-ная электрическая схема трёхфазного трансформаторного преобразователя для утроения частоты, подключение на-грузки ко вторичным обмоткам которого осуществляется по схеме «разомкнутый треугольник».
При соединении вторичных обмоток трансформатора по такой схеме третьи гармоники ЭДС отдельных фаз совпада-ют по времени, циркулируя при этом с тройной частотой. Для получения боль-шей амплитуды третьей гармоники сер-дечники трансформатора выполняются насыщенными.
Тот же результат получается при использовании трёх однофазных трансформаторов (см. рис. 18б) или одного однофазного трансформатора и трёх дросселей с насыщающимися сердечниками, соединёнными по схеме рис. 18в. Ток в каждом из дросселей преобразователя, выполненного по последней схеме, неси-нусоидален и содержит значительную по величине третью гармонику. В нулевой точке сумма токов питаю-щей частоты равна нулю, а токи утроенной частоты, протекающие по первичной обмотке трансформатора

складываются. Поэтому во вторичной обмотке трансформаторе индуцируется ЭДС тройной частоты. Для компенсации падения напряжения в трансформаторе из-за утроенной частоты в цепи нагрузки включается конденсатор С.
Электромашинные преобразователи.
Электромашинные преобразователи предназначены для преобразования переменного тока в постоянный и наоборот, изменения величины напряжения, частоты, числа фаз и т.д. Несмотря на активное внедрение статических полупроводниковых преобразователей, позво-
ляющих заменить вращающиеся, роль последних ещё достаточна велика, а в некоторых случаях – исключительна.
Конструктивно преобразователи выполняются в виде электрической машины, на общем валу которой раз-мещаются, например, ротор трёхфаз-ного асинхронного двигателя (см. рис. 19) и якорь генератора постоянного то-ка (см. рис. 20). Поле каждой из элек-трических машин создаётся своей маг-нитной системой, для чего в корпусе над ротором (статоре) асинхронного мотора в пазах укладываются трёх-фазные обмотки, а над якорем гене-ратора постоянного тока – полюсы с

размещёнными на них обмотками возбуждения.

Структурная и принципиальная электри-ческая схемы электромашинного преобра-зователя трёхфазного переменного тока в постоянный приведены на рис. 21а и б соот-ветственно. Принцип работы преобразователя заклю-чается в следующем. При подаче питания от трёхфазной сети переменного тока на асин-хронный двигатель вал преобразователя на-чинает вращаться. Если обмотку возбужде-ния L генератора G запитать постояным то-
ком, то на зажимах его якорной обмотки появится ЭДС. При подключении к выходным зажи-мам нагрузки по цепи генератор – нагрузка потечёт ток, сила которого зависит от величины напряжения на зажимах, которая регулируется величиной тока в обмотке возбуждения гене-ратора. Преобразователь обладает свойством обратимости. Если якорную обмотку генератора за-питать от источника постоянного то-ка при сохранении поля машины (т. е. использовать ге-нератор в качестве мотора), то на зажимах асинхронной машины появится переменное на-пряжение. Аналогичным образом устроены электромашинные преобразователи частоты, фаз и др.

2. В настоящее время основной формой организации энергетического производства является энергетическая система. Энергетической системой (или энергосистемой) называют совокупность электрических станций, подстанций, электрических и тепловых сетей, соединённых между собой и связан-ных общностью производства, передачи, распределения и потребления электрической и теп-ловой энергии. Таким образом, энергетическая система состоит не только из котлов, турбин, генераторов, бойлеров, линий передач электрической и тепловой энергии, трансформаторов, но и из потребителей – электродвигателей, преобразователей электрической энергии в дру-гие, осветительных и нагревательных приборов и т.д., как в быту, так и на производстве.
Предприятия энергетической системы, в которых энергоресурсы преобразуются только в электрическую энергию, называются электрическими станциями, а в которых – в электри-ческую и тепловую энергию – теплоэлектрическими централями. Энергетические установки, которые служат для передачи и распределения энергии, назы-ваются энергетическими сетями – соответственно электрическими или тепловыми. Установки, в которых подводимая электрическая энергия преобразуется в какой-либо дру-гой вид энергии, называются потребителями. Электрическая часть электроэнергетической системы состоит из генераторов электро-станций, магистральных линий электропередачи, электрических подстанций и распредели-тельных электрических сетей с присоединёнными к ним приёмниками электрической энергии. В энергетической системе имеются элементы двух видов:
- передающие, основное назначение которых – передача энергии;
- преобразующие, в которых происходит преобразование электрической энергии по уровню напряжения, либо по роду тока.

Рис. 22. Электроэнергетической системы для питания подвижного состава железнодорожного транспорта
На рис. 22 приведён вариант электроэнергетической системы для питания подвижного со-става железнодорожного транспорта.

К передающим элементам относятся: воздушные и кабельные линии, устройства регули-рующие или прекращающие подачу энергии (выключатели, разъединители и т.д.).
К преобразующим относятся: генераторы, трансформаторы, выпрямители, инверторы, преобразователи частоты и т.д.
Поскольку генераторы электростанций вырабатывают электроэнергию трёхфазного
переменного тока с напряжением не выше 21 кВ, при котором передача её на расстояние
неэффективна вследствие больших потерь, обычно рядом с электростанциями располага-
ются электрические подстанции, повышающие напряжение до 35, 110, 220кВ, а при необхо-
димости передачи на большие расстояния – и до 330, 500, 750кВ и выше. В ряде случаев в
целях снижения потерь при передаче электроэнергии повышение напряжения сопровожда-
ется преобразованием переменного тока в постоянный.
Объединение отдельных электростанций и линий электропередачи в энергосистемы спо-собствует:
- уменьшению величины суммарного резерва мощности;
- уменьшению суммарного максимума нагрузки объединяемых энергетических систем;
- улучшению использования мощности и энергии гидроэлектростанций одной или нескольких энергетических систем и повышение их экономичности в целом;
- снятию остроты проблемы производства и получения энергии при сезонных изменениях мощностей электростанций и нагрузок потребителей, а также при проведении ремонтных работ и авариях.

Одновременность процессов производства, распределения и потребления электри-ческой энергии приводит к тому, что нельзя произвести электроэнергию, не имея потребите-лей её и наоборот – не имея производителей энергии, нельзя её потребить. Кроме того, сни-жение мощности производителя энергии при сохранении количества потребителей приводит к ухудшению качества вырабатываемой энергии. Изменение характера нагрузки также ска-зывается на качестве производимой энергии.
Быстрота протекания переходных процессов в электроэнергетической системе пре-допределяет высокую степень автоматизации, быстродействие системы управления режи-мами работы и защиты всех её элементов.

Развитие энергетических систем должно происходить опережающими темпами по от-ношению к росту потребляемой энергии, без диспропорций, с опережением развития сетей по отношению к электростанциям.
Так как энергетическая система состоит из отдельных элементов, то свойства энерге-тической системы как единого целого определяются свойствами или характеристиками от-дельных её элементов. Однако и свойства отдельных элементов системы, естественно, за-висят от свойств системы в целом. Кроме того, система как более сложный объект обладает более общими свойствами, связанными не только с характеристиками отдельных элементов, но и с их сочетанием.
Одной из важнейших характеристик каждого элемента системы является совокупность его номинальных данных, к которым относятся:
- нагрузочная и перегрузочная способность, т.е. мощность, которую данный элемент мо-жет развивать при преобразовании или передаче энергии без ущерба для его надёжности;
- номинальные значения качественных показателей подводимой, преобразуемой или пе-редаваемой энергии (величина напряжения, частота, cosφ и т.д.) и допустимые отклонения этих параметров от номинальных значений.
Работа энергетической системы может осуществляться в некотором режиме, под ко-торым подразумевается её состояние, определяемое значениями мощностей, напряжений, токов, частот и других переменных физических величин, характеризующих процессы преоб-разования, передачи и распределения энергии и называемых параметрами режима.
Классификация режимов работы энергосистем
1. По длительности сохранения параметров:
- установившиеся;
- переходные.