5.4. Коэффициент полезного действия выпрямителя

Под коэффициентом полезного действия выпрямителя понимается отношение отдаваемой в нагрузку мощности постоянного тока P_d к потребляемой из питающей сети активной мощности P_d+P:

. (5.15)

Суммарные потери мощности

; (5.16)

где Р_Т – потери в трансформаторе; Р_В – потери в вентилях; Р_Ф – потери в сглаживающем фильтре; Р_СН – потери в устройствах собственных нужд выпрямительного агрегата (обычно это потери на принудительное охлаждение вентилей).

Потери мощности в трансформаторе складываются из потерь холостого хода и потерь короткого замыкания. Потери холостого хода зависят от габаритной мощности трансформатора, а потери короткого замыкания – от тока нагрузки. Наименьшими эти потери будут в схеме, обладающей наилучшим коэффициентом использования трансформатора по мощности S_Т/P_d, то есть в двенадцатипульсовом выпрямителе.

Потери мощности в вентилях зависят от величины прямого напряжения на открытом вентиле, прямого тока через вентиль и количества вентилей. В разделе 3.6 было показано, что количество однотипных вентилей не зависит от схемы выпрямителя, поэтому снижения потерь в вентилях можно добиться лишь уменьшением их общего числа, то есть применением вентилей более высоких классов и на большие предельные токи.

Потери мощности в сглаживающем фильтре складываются из потерь в сглаживающем реакторе РБФАУ и в резонансных контурах фильтра. Эти потери уменьшаются с увеличением числа пульсов выпрямленного напряжения (см. главу 6), следовательно, и по этому критерию двенадцатипульсовые выпрямители имеют преимущество.

Потери на принудительное охлаждение можно исключить, применяя выпрямительные агрегаты с естественным воздушным охлаждением, например ТПЕД.

Например, величина коэффициента полезного действия шестипульсового выпрямителя составляет 0,982, а двенадцатипульсового - 0,986.

Контрольные вопросы

1. Что такое коммутация вентильных токов?

2.Почему ток в фазе, выходящей из работы, не может прекратиться мгновенно?

3.Как влияет индуктивное сопротивление фазы Х_а на величину угла коммутации вентильных токов?

4. Как зависит угол коммутации вентильных токов от тока нагрузки выпрямителя?

5. Приведите формулу для расчёта  для неуправляемого и управляемого выпрямителя.

6. Как влияет угол управления  на величину угла коммутации вентильных токов ?

7. Приведите формулу для расчёта внешней характеристики выпрямителя.

8. Как влияет число пульсов выпрямленного напряжения выпрямителя на наклон внешней характеристики?

9. Приведите формулу для расчёта коэффициента мощности выпрямителя.

10. Как влияет число пульсов выпрямленного напряжения выпрямителя на коэффициент мощности?

11. Что такое коэффициент искажения формы тока и как он зависит от числа пульсов выпрямленного напряжения выпрямителя?

12. Как определяется коэффициент полезного действия выпрямителя?

13. Какие технические решения повышают коэффициент полезного действия выпрямителя?

6. Пульсации выпямленнго напряжения

6.1. Высшие гармоники

Определим переменные составляющие выпрямленного напряжения трёхфазных выпрямителей. Всякая переменная составляющая, как любая периодическая функция, может быть представлена в виде суммы синусоид высших гармоник с убывающей амплитудой (ряд Фурье). Амплитудное значение напряжения гармоники зависит от выходного напряжения выпрямителя, числа пульсов, угла регулирования тиристоров в управляемом выпрямителе и номера гармоники, и может быть определено по формуле:

, (6.1)

где U_d0 – напряжение холостого хода выпрямителя;

р – число пульсов выпрямленного напряжения;

n – номер гармоники;

 - угол регулирования тиристоров управляемого выпрямителя (для выпрямителя на диодах  = 0).

Действующее значение напряжения гармоники будет меньше амплитудного в раз и составит:

, (6.2)

Отношение действующего значения напряжения гармоники к напряжению холостого хода выпрямителя

(6.3)

называется коэффициентом волнистости n-ой гармоники. При  = 0 и  = 0 .

В табл. 6.1 приведены значения коэффициентов волнистости для шести и двенадцати пульсовых трёхфазных выпрямителей.

Таблица 6.1

Коэффициенты волнистости для шести и двенадцати пульсовых

трёхфазных выпрямителей

Схема выпрямителя	6-ти пульсовая			12-ти пульсовая
Номер гармоники n	1	2	3	1	2	3
Частота гармоники f, Гц	300	600	900	600	1200	1800
Коэффициент волнистости	0,0404	0,0099	0,0044	0,0099	0,00025	0,00011
Коэффициент полной волнистости	0,042			0,0143

Как следует из выражения (6.1), наибольшую амплитуду имеет первая гармоника выпрямленного напряжения.

Кроме отдельных коэффициентов волнистости для каждой гармоники применяется коэффициент полной волнистости, учитывающий все гармоники:

, (6.4)

где U_doэ – эффективное значение выпрямленного напряжения (см. пункт 3.2).

Очевидно, что коэффициент полной волнистости больше, чем коэффициент волнистости первой гармоники .

С ростом тока нагрузки, когда угол коммутации вентильных токов  > 0, и в управляемых выпрямителях при  > 0, коэффициенты волнистости возрастают.

Указанные значения коэффициентов волнистости вычислены при условии, что фазные напряжения питающей сети симметричны. Если же из-за больших однофазных нагрузок симметрия напряжений питающей сети нарушается, то в 6-ти пульсовых выпрямителях кроме гармоник с частотами 300, 600 и 900 Гц появляется гармоника с частотой 100 Гц. Из-за взаимодействия с основными гармониками появляются комбинационные гармоники:

1. 300 – 100 = 200 Гц – разностная частота первой гармоники и гармоники 100 Гц;

2. 300 + 100 = 400 Гц – суммарная частота первой гармоники и гармоники 100 Гц;

3. 600 – 100 = 500 Гц – разностная частота второй гармоники и гармоники 100 Гц.

Напряжения комбинационных гармоник более высоких порядков обычно невелики, и ими пренебрегают.