Коефіцієнт потужності та коефіцієнт корисної дії перетворювачів
Коефіцієнт потужності в електроустановках змінного струму – це відношення активної потужності до повної. У перетворювачах під час визначення коефіцієнта потужності слід враховувати несинусоїдальність струму, що споживається з мережі чи генерується у мережу. Наявність зсуву фаз струму мережі відносно напруги засвідчує, що перетворювач споживає з мережі реактивну потужність.
Несинусоїдальний струм можна представити у вигляді гармонійного ряду. З рис. 4 в та рис. 12 г видно, що форма струму мережі наближається до трапецеподібної, а при малих кутах комутації (g 0) – до прямокутної. З [2] відомо, що струм прямокутної форми (меандровий) можна представити такою функцією
де Іm – амплітудне значення вихідного (прямокутного) струму. У випадку абсолютного згладжування струму (Ld" ) значення Іm дорівнює Іd/n .
Наявність складових вищих гармонік призводить до збільшення діючого значення струму мережі живлення (первинної обмотки трансформатора)
І1
=
що викликає збільшення втрат потужності у мережі живлення. Корисною є лише активна потужність, обчислена за першою гармонікою струму:
P1=U1I1(1)cosj,
де j - кут зсуву фази першої гармоніки струму відносно напруги мережі.
За умови Ld" кут j залежить від кута запізнення a випрямляча чи кута випередження b інвертора і дорівнює
- для випрямляча j = a+g /2;
- для інвертора j = b - g /2.
На рис. 15 представлена векторна діаграма перших гармонік струму первинної обмотки трансформатора для режиму випрямлення (перший квадрант) та для режиму інвертування (четвертий квадрант).
Рис. 15. Векторні діаграми першої гармоніки струму і напруги первинної обмотки трансформатора для режимів випрямлення та інвертування
Відомо, що в режимі інвертування мережа є споживачем енергії, тому активна складова струму І1(1)а знаходиться у протифазі до напруги U1. З векторної діаграми видно, що за умови одинакового діючого значення струму І1(1) в обох режимах перетворювач споживає з мережі реактивну потужність
Q = U1*I1(1)p = U1*I1(1)*sinj.
Коефіцієнт потужності l випрямляча дорівнює
l=
=
,
де k – коефіцієнт спотворення форми кривої струму. Діюче значення першої гармоніки струму за умови прямокутної форми струму [2]
I1(1)=
,
а діюче значення струму І1 =Id/n,
де n – коефіцієнт трансформації трансформатора.
Тоді коефіцієнт спотворення k дорівнює
k
=
,
а коефіцієнт потужності:
-
для випрямляча lв=
,
-
для інвертора lі
=
.
Коефіцієнт корисної дії випрямляча характеризується відношенням активної потужності, що віддається приймачу, до активної потужності, що споживається з мережі:
,
а коефіцієнт корисної дії інвертора дорівнює відношенню активної потужності, що віддається у мережу споживання, до потужності, що споживається від джерела постійного струму:
,
де
-
сумарні втрати потужності у вентилях,
силовому трансформаторі, згладжувальному
реакторі та інших допоміжних пристроях;
Pd – активна потужність, що споживається приймачем у випрямлячі, чи генерується джерелом постійної напруги в інвертувальному режимі.