Вычисление мощности в цепи с вентильным элементом при её моделировании

Abstract

Исследуется проблема, возникающая при измерениях отдаваемой источником и потребляемой нагрузкой мощностей в системах с нелинейными элементами. Парадокс ситуации заключается в не сбаллансированности измеренных мощностей, что противоречит классической теории мощности. В качестве примера рассматривается простейшая электрическая система, в которой резистивная нагрузка питается через идеальный электрический вентиль от источника синусоидального напряжения. На виртуальной SimPowerSystem модели такой системы продемонстрировано, что измерения мощностей в источнике и нагрузке при помощи PQ-измерителей мощности приводит к ошибочным результатам. Такое неравенство мощностей обусловлено тем, что в основу PQ- измерителя положено измерение основных гармоник токов и напряжений, что является неприемлемым для систем с нелинейными элементами, так как такая оценка не учитывает наличие интервалов нулевого тока в системах с вентилями. Схожее несовпадение результатов дает и применение виртуальных измерителей, оценивающих мощность по действующим значениям тока и напряжения элемента. Для достижения точного замера мощностей разработан виртуальный измеритель мощности, основанный на использовании мгновенной мощности элемента. Именно мгновенная мощность учитывает отсутствие потребления мощности для случаев, когда присутствует лишь одна из величин, определяющих мощность, то есть либо при отсутствии напряжения, либо при нулевом токе. Ключевым элементом такого измерителя служит интегратор, который осуществляет интегрирование мгновенной мощности. Адекватность оценок мощности при использовании его в системе с вентилем продемонстрирована на визуальной модели. Проведено исследование влияния угла управления тиристором на амплитуду и угол, первой гармоники, сдвиг тока относительно питающего напряжения и мощности источника и на нагрузке. Установлено, что при изменении угла управления расхождений между потребляемой и отдаваемой мощностями не наблюдается.The problem that arises in measurements given by the source and the consumed power load in systems with non-linear elements is investigated. The paradox of the situation lies in the imbalance of the measured powers, which contradicts the classical theory of power. As an example, we consider the simplest electrical system in which a resistive load is supplied through an ideal electric valve from a sinusoidal voltage source. On a virtual SimPowerSystem model of such a system, it was demonstrated that measuring power in the source and load using PQ power meters leads to erroneous results. This power inequality is due to the fact that the basis of the PQ meter is the measurement of the main harmonics of currents and voltages, which is unacceptable for systems with nonlinear elements, since this estimate does not take into account the presence of zero current intervals in systems with valves. A similar discrepancy in the results is also obtained by the use of virtual meters that evaluate power by the effective values of the current and voltage of the element. To achieve accurate power metering, a virtual power meter is developed, based on the use of the instantaneous power of the element. It is the instantaneous power that takes into account the absence of power consumption for cases when there is only one of the quantities that determine the power, that is, either in the absence of voltage or at zero current. The key element of such a meter is an integrator that integrates instantaneous power. The adequacy of power ratings when used in a valve system is demonstrated on a visual model. The effect of the thyristor control angle on the amplitude and angle, the first harmonic, the current shift relatively to the supply voltage and power of the source, and on the load are studied. It is established that when the control angle is changed, no discrepancy between the consumed and given power is observed.