1.7. Энергетические характеристики выпрямителя

К важнейшим энергетическим характеристикам выпрямителей относятся коэффициент полезного действия (КПД) и коэффициент мощности.

А. КПД выпрямительной установки

С помощью КПД какого-либо устройства можно оценить потери активной мощности в устройстве. Для обеспечения энергосбережения потери мощности в устройствах снижают. КПД выпрямителя η равен отношению отдаваемой выпрямителем мощности Р_d к потребляемой из сети активной мощности Р:

η = (1.25)

где ΔР_ТР = ΔР_СТ + ΔР_М ≈ Р_ХХ + I_TP²ּR_TP – потери мощности в трансформаторе; ΔР_СТ – потери мощности в стали приближенно определяются по активной мощности холостого хода Р_ХХ трансформатора; ΔР_М = I_TP²ּR_TP – потери мощности в меди, то есть в обмотках трансформатора, зачастую определяют по мощности короткого замыкания Р_КЗ ;

ΔР_СПП = (U_oּI_пр + I²ּR_д) ּN – основные потери мощности в силовых полупроводниковых приборах, U_o – пороговое напряжение, I_пр, I – среднее и действующее значения тока в СПП, R_д – динамическое сопротивление СПП при прямом включении, N – количество силовых полупроводниковых приборов в выпрямительной установке;

ΔР_р = I_d² ּR_p – потери мощности в сглаживающем реакторе, R_p – активное электрическое сопротивление реактора;

ΔР_ВСП = 0,05ּР_d – потери мощности во вспомогательных устройствах выпрямителя (мощность принудительной системы охлаждения СПП, мощность, потребляемая устройствами защиты, мощность системы управления выпрямителем).

КПД можно рассчитывать в относительных единицах (1.25), или в процентах:

η = . (1.26)

Из (1.25, 1.26) следует, что минимизация потерь позволяет получить устройство с более высокими энергетическими показателями, а его КПД при этом приближается к 1, или к 100 %.

Потери мощности в трансформаторе зависят от отдаваемой им мощности. При номинальной нагрузке потери в меди обычно превышают потери в стали. Потери мощности в трансформаторе минимальны при 70 – 80% от его номинальной нагрузки, когда потери мощности в меди равны потерям мощности в стали.

Потери мощности в СПП расходуются на нагрев СПП, охладителей. Обычно все СПП загружены током равномерно. Потери мощности в СПП зависят от степени загрузки выпрямителя и в режимах управления изменяются. При больших частотах (свыше 400 Гц) необходимо учитывать дополнительные потери мощности в СПП: среднюю мощность от прямого тока утечки, среднюю мощность от обратного тока, среднюю мощность при включении приборов, среднюю мощность при выключении приборов. Для расчета дополнительных потерь мощности в СПП применяют специальные методики расчета и экспериментальные зависимости.

Мощность, расходуемая на охлаждение СПП, в значительной мере зависит от выбранной системы охлаждения. Естественное (конвективное) охлаждение является наиболее простым, нет шума, а потери мощности на охлаждение отсутствуют. Однако низкая эффективность (коэффициент теплоотдачи 8…15 Вт/м²ּ^оС) позволяет загружать СПП током не более 25 % от предельного тока при температуре охлаждающего воздуха +40 ^оС, что необходимо учитывать при расчете и выборе СПП для выпрямителя. Для наиболее распространенного воздушного принудительного охлаждения (коэффициент теплоотдачи 60…80 Вт/м²ּ^оС) скорость движения воздуха у поверхности охладителей СПП рекомендуется V = 12 м/С. При данной скорости воздуха СПП можно загружать до их предельного тока, посторонние частицы потоком воздуха в основном удаляются из каналов системы вентиляции, а потери мощности на охлаждение не превышают 5 % от Р_d. Вентилятор должен иметь производительность, обеспечивающую расход воздуха Q_охл = VּS, м³/С, где S – площадь поперечного сечения воздушного канала. Необходимая скорость движения воздуха V обеспечивается давлением в воздуховоде. Для определения расчетного напора суммируются потери напора на участках воздуховода, состоящие из потерь напора на трение о стенки воздуховода, о поверхности радиаторов, а также из вихревых потерь, возникающих при изгибах каналов или изменении их сечения. По расходу воздуха и напору выбирается вентилятор, электродвигатель и определяется мощность потерь на воздушное принудительное охлаждение. Водяные системы охлаждения (коэффициент теплоотдачи 200…3000 Вт/м²ּ^оС) могут быть проточными и циркуляционными. Чаще применяется циркуляционная система с расходом воды не менее 3 л/мин на 1 СПП. Насос, обеспечивающий циркуляцию воды в системе охлаждения, должен обладать напором, достаточным для преодоления сопротивления движению воды в теплообменнике и в трубопроводе системы охлаждения СПП (порядка 300 кПа). Для исключения возможности поражения людей электрическим током и для уменьшения блуждающих токов применяется дисциллированная вода, а в трубопроводы встраивают изоляционные шланги. По расходу и напору охлаждающей воды выбирается насос и электродвигатель, что позволяет определить потери мощности на водяное охлаждение. Так как эффективность отвода тепла жидкостью выше, чем воздухом, то у водяных систем охлаждения мощность меньше.

Потери мощности на защиту в выпрямителях являются минимальными из всех потерь мощности, в основном состоят из потерь мощности в фильтре защиты от радиопомех и потерь мощности на защиту СПП от перенапряжений. Параметры фильтра защиты от радиопомех рассчитывают из условия подавления помех высших гармонических составляющих (5,7,11,13,… гармоник), и они зависят от схемы выпрямителя, от его мощности, от наличия преобразовательного трансформатора, от длины питающего кабеля, от наличия экрана кабеля, заземления экрана и от других факторов. Защита СПП от внешних и коммутационных перенапряжений выполняют демпфирующими RC-цепями, кремниевыми ограничителями напряжения или варисторами, которые соединяют параллельно СПП, а также на входе и на выходе выпрямительной установки. Устройства защиты от перенапряжений снижают скорость нарастания напряжения du/dt на СПП, которая не должна быть больше допустимой (du/dt)_кр, указанной в паспорте СПП или в справочниках.

Мощность систем аппаратного управления выпрямителем обычно не превышает 20 Вт и зависит от типа управления и от электрической схемы системы управления. Программное управление постепенно вытесняет аппаратное управление, а в схемах систем управления применяют интегральные цифровые микросхемы вместо аналоговых микросхем и отдельных радиоэлементов. Мощность, масса и габариты у программных систем управления меньше, чем у аппаратных. Функциональные возможности, точность управления и помехозащищенность у программных систем управления значительно выше, чем у аппаратных систем управления.

Иногда КПД выпрямителя рассчитывают приближенно, путем учета только потерь мощности в трансформаторе, основных потерь в СПП выпрямительной установки и потерь мощности во вспомогательных устройствах:

η = η_трּ η_ву, (1.27)

где η_тр = - КПД трансформатора, Р₂ – активная мощность вторичной обмотки трансформатора, η_тр = 0,95…0,99;

η_ву = - КПД выпрямительной установки,

U_dα – среднее значение выпрямленного напряжения в режиме управления выпрямителем, ΔU_спп – падение напряжения на силовых полупроводниковых приборах.

Рис. 1.16. Зависимость КПД выпрямителя от величины

выпрямленного напряжения

Рис. 1.17. Зависимость КПД выпрямителя от величины

выпрямленного тока

КПД современных выпрямителей в зависимости от диапазона регулирования составляет η = 0,95…0,98, что является важнейшим достижением полупроводниковой техники.