1.2 Экспериментальная часть

В ходе проведения опытов фиксировались и сводились в таблицы (пример заполнения – таблица 1.1) следующие характеристики:

•  – время, с;

• t – температура теплоносителя,;

• Р_с– мощность, потребляемая из сети, Вт;

• U₌(U_вх) – постоянное напряжение, В;

• I₌ – постоянный ток, А.

На протяжении каждого опыта такие характеристики, как мощность, потребляемая из сети переменного тока (P_с), напряжение (U₌) и ток (I₌), поддерживались на определенном уровне.

Таблица 1.1 — Пример заполнения таблицы измеряемых величин

τ, c	t, °C	Pc, Вт	U=, В	I=, А
0	23,6	1100	274	4
120	26,6	1100	274	4
240	30,1	1100	274	4
360	33,8	1100	274	4
480	36,8	1100	274	4
600	40	1100	274	4
720	43,8	1100	274	4
840	46,4	1100	274	4
960	50	1100	274	4

Для каждого типа полупроводникового преобразователя напряжения (1 – на полевых транзисторах; 2 – на транзисторах типа IGBT) были проведены серии экспериментов при разных частотах (11 кГц, 13 кГц и 15 кГц), а также при разных значениях постоянного тока.

На нагрузке (электронагревательной прибор в емкости с теплоносителем) наблюдалась трапецеидальная форма напряжения (рисунок 1.3). Выбор такой формы напряжения обусловлен с экономической точки зрения [1].

а)

б)

в)

Рисунок 1.3 — Характерные осциллограммы напряжения на нагрузке:

а — при частоте f = 11 кГц; б — при частоте f = 13 кГц; в — при частоте f = 15 кГц

1.3 Расчётная часть

Расчёт энергий учитывает нагрев теплоносителя и ёмкости теплоносителя, энергию, потребляемую из сети, а также потери через теплоизоляцию.

Расчет энергий проводился по следующим соотношениям:

• Энергия, передаваемая полупроводниковому преобразователю, Дж

• Энергия на нагрев теплоносителя и ёмкости, Дж

где С_тн– удельная теплоемкость теплоносителя,

m_тн– масса теплоносителя, кг;

где С_ёмк– удельная теплоемкость ёмкости,

m_ёмк– масса ёмкости, кг;

(t–t_н) – изменение температуры,

• Потери энергии через теплоизоляцию, Дж

• КПД полупроводникового преобразователя, %

1.4 Характерные зависимости

По результатам измерений и расчетов были получены характерные зависимости КПД от частоты (рисунок 1.4) и от мощности на входе преобразователя (рисунок 1.5).

Рисунок 1.4 — Зависимость КПД от частоты, η = F(f):

1 — полевые транзисторы, Р₌ = 600 Вт; 2 — транзисторы IGBT, P₌ = 1100 Вт

Рисунок 1.5 — Зависимость КПД от мощности на входе преобразователи, η = F(Р₌)

Из рисунка 1.4 видно, что КПД полупроводникового преобразователя напряжения практически не зависит от частоты. Кривая КПД для преобразователей на транзисторах IGBTлежит выше. Это связано с внутренним сопротивлением самих транзисторов: у полевых транзисторов FQA11N90C оно на порядок выше, чем уIGBT. Следовательно, у полевых транзисторов больше потери и меньше значение КПД.

Из рисунка 1.5 видно, что с увеличением входной мощности значения КПД снижаются. Поведение кривой зависимости КПД от мощности на входе преобразователя – предмет дальнейших исследований.

Таким образом, по предложенной энергетической методике полученные результаты измерения КПД полупроводниковых преобразователей напряжения повышенной частоты составили не ниже 97% на полевых транзисторах и не ниже 98,5% на транзисторах IGBT.