Тема 5. Энергетические показатели выпрямителей

Энергетические показатели вентильных преобразователей и, в частности, выпрямителей, определяются двумя факторами: коэффициентом полезного действия (кпд) и коэффициентом мощности. КПД характеризует соотношение между мощностью полезной, потребляемой нагрузкой, и мощностью потерь:

(5-1)

Коэффициент мощности χ характеризует влияние вентильного преобразователя на питающую сеть:

, (5-2)

где: U₁ - действующее значение напряжения первичной обмотки силового трансформатора;

I₁ - действующее значение тока в первичной обмотке трансформатора;

I₁₍₁₎ - действующее значение первой гармоники первичного тока;

 - угол сдвига между напряжением U₁ и первой гармоникой первичного тока I₁₍₁₎.

Числитель выражения (5-2) представляет собой активную составляющую мощности, потребляемой из питающей сети, в знаменателе значение полной мощности, потребляемой вентильным преобразователем.

В выражении (5-2) соотношение — коэффициент искажения вентильного преобразователя.

Тогда полный коэффициент мощности

(5-3)

В многофазных вентильных преобразователях, в частности, в трехфазных, в выражении (5-3) может присутствовать еще третий сомножитель:

(5-4),

где К_н — коэффициент несимметрии, учитываемый только тогда, когда многофазная система несимметрична по какой-либо причине. В симметричных многофазных системах К_н=1. Таким образом, физический смысл коэффициента мощности заключается в следующем. Как известно, в вентильных преобразователях полезная мощность, выделяющаяся в нагрузке, переносится только первой гармоникой тока, потребляемого из питающей сети. В свою очередь, из всей мощности, переносимой первой гармоникой, только активная мощность может совершать полезную работу в нагрузке. Реактивная же мощность, переносимая этой же первой гармоникой, полезную работу совершить не может, так как будучи знакопеременной, все время колеблется между вентильным преобразователем и питающей сетью, направляясь из питающей сети в вентильный преобразователь, когда ее знак положительный и имеет обратное направление, когда ее знак отрицательный. Как известно, причиной возникновения реактивной мощности является фазовый сдвиг  между током и напряжением, который может возникнуть, например, из-за наличия в электрических цепях накопителей энергии в виде конденсаторов или индуктивностей. Следует отметить, что в вентильных преобразователях фазовый сдвиг между током и напряжением может возникать и вследствие искусственного затягивания момента перевода вентиля в проводящее состояние в результате регулирования угла управления . Действительно, как показывает теория, фазовый сдвиг между первой гармоникой потребляемого из сети тока I₁₍₁₎ и напряжением на первичной обмотке трансформатора U₁.

 =  +  /2, (5-5),

где  - угол управления вентилями вентильного преобразователя;

 - угол коммутации вентилей.

Таким образом, чем в большем диапазоне регулируется угол , тем большее значение может приобретать реактивная мощность, которая бесполезно загружает питающую сеть, вызывая необходимость в увеличении массы и габаритов силового трансформатора и т.д. Коэффициент мощности χ учитывает реактивную мощность коэффициентом сдвига - cos.

Кроме реактивной мощности в вентильном преобразователе существует также мощность искажения, которая вызывается наличием в потребляемом токе кроме первой гармоники также и высших гармоник, мощность которых знакопеременна, как и реактивная мощность, и, следовательно, также не может совершать полезную работу, непрерывно колеблясь между вентильным преобразователем и питающей сетью. Но физическая природа этой мощности принципиально отличается от природы мощности реактивной.

В коэффициенте мощности χ эта составляющая мощности учитывается коэффициентом искажения.

.

Чем больше процентное содержание высших гармоник в кривой первичного тока i₁, тем больше загрузка питающей сети мощностью искажения и тем ниже общий коэффициент мощности.

Точно также, как реактивная мощность и мощность искажения ведет себя и мощность несимметрии, возникающая в многофазных вентильных преобразователях при различных видах несимметрии.

Как известно, несимметричную многофазную систему можно представить в виде суммы трех симметричных: прямой последовательности, обратной последовательности. Причем полезная мощность в нагрузку переносится только системой прямой последовательности, а остальная часть полной мощности ведет себя также как мощность искажения и реактивная мощность, еще более загружая питающую сеть без увеличения полезной мощности в нагрузке и, следовательно, в еще большей степени снижая полный коэффициент мощности χ. На диаграммах мощность активная Р и реактивная Q изображаются в виде векторов, сдвинутых друг относительно друга на 90 (рис. 5-1).

И х геометрическая сумма равна

(5-1)

Тогда мощность искажения Т логично изобразить в виде вектора под углом 90 к суммарному вектору активной и реактивной мощности. Тогда геометрическая сумма трех векторов, изображающих Р, Q, T равна:

.

Аналогично мощность несимметрии H изображается в виде вектора, расположенного под углом 90 к суммарному вектору трех мощностей Р, Q и T. И следовательно, полная мощность, потребляемая вентильным преобразователем из питающей сети:

. (5-6)

Итак, составляющие полной мощности определяются из выражений:

P = U₁ I₁₍₁₎ cos (5-7)

Q = U₁ I₁₍₁₎ sin (5-8)

Поскольку по аналогии с может быть представлен как , что, как следует из рис.119, представляет собой косинус угла, противолежащего вектору Т, обозначенного как τ, т. е.

(5-9)

Отсюда находится величина Т:

(5-10)

Аналогично из рис. 5-1 находим мощность несимметрии Н:

, (5-11)

где σ — угол, противолежащий вектору Н.

(5-12)

Поскольку из двух параметров, характеризующих энергетические показатели вентильного преобразователя, только коэффициент мощности χ зависит от схемы преобразователя и режима его работы, то в дальнейшем основное внимание будем уделять, в основном, расчету этого параметра. Коэффициент полезного действия, в основном, определяется свойствами самих элементов вентильного преобразователя и в значительно меньшей степени — от режима его работы.