8.4. Характеристика коэффициента мощности

Коэффициент мощности показывает долю активной мощности P₁ от полной S₁, потребляемой выпрямителем (реализуемой инвертором) с данной схемой в зависимости от нагрузки, т. е.

. (54)

Расчетное выражение при определении коэффициента мощности для выпрямительного режима имеет вид:

, (55)

для инверторного 

. (56)

Смысл аргумента косинусной функции – угол сдвига первой гармоники сетевого тока относительно кривой питающего напряжения.

В курсовой работе следует рассчитать и построить для режимов при  = 0 и заданного. При этом k_ф можно считать постоянным, а величину I_d изменять, каждый раз определяя  с учетом I_d и режима работы. Результаты расчетов необходимо свести в табл. 8.

Таблица 8

Результаты расчета коэффициента мощности преобразователя

	Неуправляемый выпрямитель		Заданный режим при  () =
	, гр.		, гр.	
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

8.5. Характеристика коэффициента полезного действия

Характеристика коэффициента полезного действия (КПД) показывает отношение мощности P_d, отдаваемой выпрямителем нагрузке в данном режиме работы, к активной мощности Р₁, потребляемой из питающей сети. Расчетным выражением для определения КПД будет следующее:

, (57)

где P_d – мощность на стороне постоянного тока,

P_d = U_d I_d ; (58)

P – активные потери в схеме преобразователя;

P_т – потери мощности в трансформаторе (потерями в уравнительном реакторе можно пренебречь),

, (59)

где P_х.х – потери холостого хода трансформатора;

P_к.з – потери короткого замыкания трансформатора;

P_в – потери мощности в вентилях преобразователя,

, (60)

где n_a – число параллельных секций, в сложных схемах параллельного типа n_a = 2, в остальных n_a = 1;

P_с.н – потери мощности в устройствах собственных нужд преобразователя, включающие в себя потери в системах управления и охлаждения, а также в устройствах защиты;

P_р – потери мощности в сглаживающем реакторе,

P_р = R_p I_d², (61)

где R_p – активное сопротивление обмотки реактора.

Так как инвертор возвращает в сеть активную мощность P₁ и потребляет от «генератора» со стороны постоянного тока мощность P_d, то КПД инвертора определяется по выражению:

. (62)

КПД преобразователя необходимо рассчитать для нескольких значений тока I_d (0,2 I_d.ном, 0,4 I_d.ном, …, 1,0 I_d.ном).

Потери мощности P_с.н не зависят от схемы и режима преобразователя, поэтому допустимо в курсовой работе их не учитывать, или принять равными 0,5 % P_d при токе I_d = I_d.ном. Так как в курсовой работе не выбирается сглаживающий реактор, то потери мощности P_р также можно не учитывать.

Результаты расчета КПД преобразователя для заданного режима работы необходимо представить в виде табл. 9.

Таблица 9

Результаты расчета КПД преобразователя

Id, А	Ud, В	Pd		Pт			Pв	P	
		кВт			А	В	кВт		–

В этом разделе расчетно-пояснительной записки следует привести расчеты параметров, характеризующих качество электроэнергии, и эксплуатационных характеристик для режимов неуправляемого выпрямителя ( = 0) и заданного. Результаты расчетов оформить в виде таблиц. Графические зависимости U_d, χ и  от тока I_d представить в виде рисунков.

Учитывая, что этот раздел завершает курсовую работу, следует в заключение привести сравнение технико-экономических характеристик спроектированного преобразователя с серийными, созданными для аналогичных целей.

9. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ

К ВЫПОЛНЕНИЮ И ЗАЩИТЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

1. Принципы преобразования электрической энергии и основные схемы преобразователей.

2. Поясните, используя векторные диаграммы напряжений, схему соединения вентильных обмоток трансформатора разрабатываемого преобразователя.

3. Какие допущения принимаются при анализе электромагнитных процессов (их физический смысл) в схеме преобразователя?

4. Поясните принцип формирования кривых тока и напряжения на выходе выпрямителя (для инвертора – на входе).

5. Поясните принцип формирования кривых тока и обратного напряжения на вентильном плече преобразователя.

6. Поясните принцип формирования кривых вторичного и сетевого тока преобразователя.

7. Поясните принцип формирования кривой напряжения на уравнительном реакторе (для сложных схем параллельного типа). Для чего необходим уравнительный реактор в схеме?

8. Перечислите основные параметры преобразовательных установок.

9. Что такое внешняя характеристика преобразователя? Какие факторы определяют снижение среднего значения выпрямленного напряжения при увеличении тока нагрузки выпрямителя (повышение – на входе инвертора)?

10. Поясните порядок расчета и физический смысл U_d.0.

11. Поясните физический смысл напряжения короткого замыкания u_к. Какие виды напряжения короткого замыкания преобразовательных трансформаторов существуют?

12. Поясните физический смысл угла управления (регулирования) α. Как регулируется выпрямленное напряжение управляемого преобразователя?

13. Почему при переводе в режим инвертирования необходимо повышать напряжение вентильной обмотки до напряжения U_2.инв?

14. Поясните физический смысл угла опережения открытия тиристоров β.

15. Что понимается под максимальным обратным напряжением U_V.max и средним током I_V.ср вентильного плеча? Для каких расчетов используются эти величины?

16. Что понимается под типовой мощностью трансформатора S_тип? Чем она отличается от номинальной S_т.ном?

17. Что понимается под условной мощностью преобразователя P_d.0?

18. Что понимается под процессом коммутации токов в преобразователях? Почему угол коммутации γ не может быть равен нулю? От чего зависит его значение?

19. Что понимается под индуктивным сопротивлением обмоток трансформатора x_в? От чего зависит его значение?

20. Чему равно мгновенное значение выпрямленного напряжения u_d в период коммутации?

21. Зависит ли значение угла коммутации от углов α и β?

22. По каким критериям производится выбор типа трансформатора для преобразователя?

23. Расшифруйте условное обозначение типа трансформатора, выбранного в курсовой работе.

24. Расшифруйте условное обозначение типа полупроводникового вентиля, выбранного в курсовой работе.

25. По каким критериям производится выбор вентиля?

26. От каких факторов зависит значение максимально допустимого тока вентиля I_FAVm? Как влияет скорость охлаждающего воздуха на его значение?

27. Что обозначает класс вентиля?

28. В чем преимущества лавинных вентилей перед обычными?

29. По каким критериям производится расчет параллельно соединенных вентилей в плече?

30. По каким критериям производится расчет последовательного соединения вентилей в плече?

31. Какие меры предпринимаются для выравнивания токов в параллельных и напряжений в последовательных ветвях вентильного плеча?

32. Какие коммутационные аппараты и защитное оборудование были выбраны при проектировании преобразователя в курсовой работе? Обоснуйте выбор.

33. Поясните построение диаграмм электромагнитных процессов в схеме преобразователя с учетом γ, α и β.

34. Что понимается под постоянной и переменной составляющими выпрямленного напряжения? Какие гармоники и почему содержатся в кривой u_d спроектированного в курсовой работе преобразователя? Что такое коэффициент полной волнистости ω_d.0?

35. Какие гармоники и почему содержатся в кривой сетевого тока преобразователя? Что такое коэффициент формы кривой сетевого тока?

36. Что понимается под входной и ограничительной характеристиками инвертора?

37. Что является источником, вырабатывающим энергию, и потребителем энергии при работе преобразователя в инверторном режиме?

38. Поясните теорию работы инверторной части разработанного в курсовой работе преобразователя.

39. Почему при переводе преобразователя в режим инвертирования изменяется полярность подключения нагрузки?

40. Какой из углов α, β, γ, δ может быть изменен системой управления, а какой зависит от тока нагрузки и параметров тиристора?

41. Каким условием обеспечивается нормальная работа инвертора? Что такое «опрокидывание инвертора»?

42. Что понимается под коэффициентом мощности преобразователя?

43. Что понимается под коэффициентом полезного действия преобразователя?

44. В чем преимущества и недостатки спроектированного в курсовой работе преобразователя?

Библиографический список

1. Барковский Б. С. Проектирование полупроводниковых преобразователей для устройств электрической тяги / Б. С. Барковский, А. Г. Пономарев / Омский ин-т инж. ж-д. трансп. Омск, 1987. 46 с.

2. Салита Е. Ю. Проектирование преобразователей для тяговых подстанций постоянного тока / Е. Ю. Салита, Т. В. Комякова, Т. В. Ковалева / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2003. 51 с.

3. Засорин С. Н. Электронная и преобразовательная техника / С. Н. Засорин, В. А. Мицкевич, К. Г. Кучма. М., 1981. 319 с.

4. Бурков А. Т. Электронная техника и преобразователи / А. Т. Бурков. М., 1999. 464 с.

5. Барковский Б. С. Теория выпрямления тока на тяговых подстанциях / Б. С. Барковский / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1981. 50 с.

6. Барковский Б. С. Инвертирование тока на тяговых подстанциях и электровозах / Б. С. Барковский / Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. Омск, 1980. 36 с.

7. Забродин Ю. С. Промышленная электроника / Ю. С. Забродин. М., 1982. 496 с.

8. Салита Е. Ю. Методические указания для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Электронная техника и преобразователи в электроснабжении» / Е. Ю. Салита, Т. В. Комякова, Т. В. Ковалева / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. 40 с.

9. Фишлер Я. Л. Трансформаторное оборудование для преобразовательных установок / Я. Л. Фишлер, Р. Н. Урманов, Л. М. Пестряева. М., 1989. 320 с.

10. Силовые преобразователи тяговых подстанций и электроподвижного состава: Учебное пособие / Е. Ю. Салита, Г. С. Магай и др. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. 103 с.

11. Давыдова И.К. Справочник по эксплуатации тяговых подстанций и постов секционирования / И. К. Давыдова, Б. И. Попов, В. М. Эрлих. М., 1978. 416 с.

12. Тяговые подстанции / Ю. М. Бей, Р. Р. Мамошин и др. М., 1986. 319.с.

13. Электроснабжение метрополитенов. Устройство, эксплуатация и проектирование / А. М. Колузаев, Л. С. Едигарян и др.; Под ред. Е. И. Быкова. М., 1977. 431 с.

14. Тяговые подстанции трамвая и троллейбуса: Справочник / Под ред. И. С. Ефремова. М., 1984. 311 с.

15. Новое оборудование для проектирования тяговых и трансформаторных подстанций: Учебное пособие / Г. С. Магай, Е. Ю. Салита и др. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. 81 с.

16. Силовое оборудование тяговых подстанций железных дорог (сборник справочных материалов) / ОАО «РЖД». М., 2004. 384 с.

17. Чебовский О.Г. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник / О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошивин. М., 1985. 400 с.

18. Полупроводниковые преобразовательные агрегаты тяговых подстанций / С. Д. Соколов, Ю. М. Бей и др. М., 1979. 264 с.

19. Двенадцатипульсовые полупроводниковые выпрямители тяговых подстанций / Б. С. Барковский, Г. С. Магай и др.; Под ред. М. Г. Шалимова. М., 1990. 127 с.

20. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций / Б. Н. Неклепаев, И. П. Крючков. М., 1989. 608 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Параметры диодов и рекомендуемых для них охладителей

Параметр	Тип диода
	Д133- 400	Д143- 630	Д143- 1000	Д133- 500	ДЛ171- 320	Д253- 1600	Д143- 800	ДЛ133- 500	Д133- 800	Д171- 400
	Тип охладителя
	О143-150	О243- 150	О243- 150	О143- 150	О181- 110	О153- 150	О243- 150	О143- 150	О143- 150	О181- 110
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Максимально допустимый средний прямой ток IFAVm, А	400	630	1000	500	320	1600	800	500	800	400
Повторяющееся импульсное обратное напряжение (напряжение класса) URRM, В	400 –1600	1000 –4000	400 –1600	1000 –2800	400 –1400	400 –2000	1800 –2800	400 –1400	400 –1600	300 –1600
Ударный неповторяющийся прямой ток (ударный ток) IFSM, кА	7,5	11,0	20,0	10,0	8,2	30,0	16,5	8,0	13,0	12,0
Импульсное (амплитудное) прямое напряжение UFM, В	2,1	2,1	1,55	1,7	1,45	1,5	1,7	1,8	1,6	1,5
Пороговое напряжение U(TO), В	1,0	1,0	0,9	1,0	1,0	1,0	1,0	1,05	1,0	0,9
Дифференциальное прямое (динамическое) сопротивление rт, мОм	0,95	0,65	0,26	0,57	0,5	0,12	0,32	0,5	0,27	0,56

Окончание прил. 1

1		2		3	4	5	6			7	8	9		10		11
Максимально допустимая температура перехода Tj.max, С		150		150	190	175	140			190	175	140		190		190
Тепловое сопротивление «переход – корпус» Rthjc, С/Вт		0,045		0,034	0,034	0,045	0,09			0,022	0,034	0,045		0,045		0,09
Тепловое сопротивление «охладитель – охлаждающая среда» Rthha, С/Вт		0,425		0,25	0,25	0,42	0,67			0,24	0,25	0,42		0,425		0,67
Тепловое сопротивление «корпус – контактная поверхность охладителя» Rthch, С/Вт		0,015		0,01	0,01	0,015	0,03			0,005	0,01	0,015		0,015		0,03
Переходное тепловое сопротивление «переход – корпус» при t = 10 с Z(th)tjc, С/Вт	0,045		0,04		0,04	0,05		0,1	0,025		0,04	0,05	0,045		0,1
Переходное тепловое сопротивление «охладитель – охлаждающая среда» при t = 10 c Z(th)tha, С/Вт	0,03		0,02		0,02	0,03		0,03	0,03		0,02	0,03	0,03		0,03

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Параметры тиристоров и рекомендуемых для них охладителей

Параметр	Тип тиристора
	Т253-1250	ТЛ171-320	Т253- 1000	Т143- 500	Т143- 630	Т253- 800	Т153- 630	Т143- 400	Т153- 800	Т133- 400
	Тип охладителя
	О153-150	О281- 80	О153-150	О243- 150	О243- 150	О153-150	О153- 150	О243- 150	О153- 150	О143- 150
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
Максимально допустимый средний прямой ток ITAVm, А	1250	320	1000	500	630	800	630	400	800	400
Повторяющееся импульсное обратное напряжение (напряжение класса) URRM, В	400 –1200	700 –1100	1000 –1800	400 –1600	400 –1200	2000 –2400	1300 –2400	1800 –2400	1000 –1800	400 –1600
Ударный неповторяющийся прямой ток (ударный ток) ITSM, кА	28,5	8,2	22,0	11,0	13,5	17,5	15,5	8,8	17,5	7,7
Импульсное (амплитудное) прямое напряжение UTM, В	1,6	1,65	1,8	1,8	1,75	2,1	2,1	2,15	1,9	1,75
Пороговое напряжение UT(TO), В	1,0	0,9	1,1	1,1	1,0	1,2	1,25	1,2	1,15	1,05
Дифференциальное прямое (динамическое) сопротивление rт, мОм	0,14	0,72	0,25	0,57	0,43	0,44	0,55	0,95	0,34	0,68

Окончание прил. 2

1		2		3	4	5	6			7	8	9		10		11
Максимально допустимая температура перехода Tj.max, С		125		140	125	125	125			125	125	125		125		125
Тепловое сопротивление «переход – корпус» Rthjc, С/Вт		0,022		0,085	0,022	0,034	0,034			0,022	0,026	0,034		0,026		0,045
Тепловое сопротивление «охладитель – охлаждающая среда» Rthha, С/Вт		0,24		1,05	0,24	0,25	0,25			0,24	0,24	0,25		0,24		042
Тепловое сопротивление «корпус – контактная поверхность охладителя» Rthch, С/Вт		0,005		0,05	0,005	0,01	0,01			0,005	0,005	0,01		0,005		0,015
Переходное тепловое сопротивление «переход – корпус» при t = 10 с Z(th)tjc, С/Вт	0,025		0,1		0,025	0,04		0,04	0,02		0,025	0,04	0,025		0,05
Переходное тепловое сопротивление «охладитель – охлаждающая среда» при t = 10 c Z(th)tha, С/Вт	0,03		0,08		0,03	0,02		0,015	0,02		0,03	0,015	0,02		0,03