1.8.2 Коэффициент мощности выпрямителя

При работе устройства от сети переменного тока важно знать характер потребляемой им мощности. Наиболее благоприятным режимом является потребление активной мощности. Это означает, что при синусоидальном напряжении сети потребляемый ток так же синусоидален и не имеет фазового сдвига относительно питающего напряжения. Однако в выпрямителях средней и большой мощности потребляемый ток не синусоидален, а его первая гармоника сдвинута относительно синусоиды напряжения сети. Наличие фазового сдвига свидетельствует о том, что выпрямитель потребляет от сети помимо активной мощности также реактивную мощность. Потребление реактивной мощности и наличие в кривой тока высших гармоник приводит к увеличению действительного значения тока сети и увеличению потерь при передаче энергии к выпрямительной установке. Это явление характеризуется коэффициентом мощности выпрямителя:

,

где – активная мощность, потребляемая выпрямителем. Если не учитывать потери энергии в выпрямителе, активная мощность равна мощности отдаваемой в нагрузку;

– полная мощность, потребляемая из сети.

Так как

,

значит

,

следовательно, коэффициент мощности:

.

cos(φ) – коэффициент сдвига первой гармоники тока. Угол сдвига φ зависит от угла регулирования α и угла коммутации γ. При индуктивной нагрузке стремящейся к бесконечности φ=α+γ/2, следовательно ;

K – коэффициент искажений, зависит от схемы выпрямителя и характера нагрузки, так как от них зависят амплитуды и действующие значения гармоник в кривой тока I₁.

Без учета процессов коммутации для однофазных двухполупериодных выпрямителей:

,

следовательно

.

Для трехфазного мостового

,

следовательно

.

При одинаковых параметрах нагрузки и том же угле управления α коэффициент мощности на 5.5% выше у трехфазной мостовой схемы по сравнению с однофазными двухполупериодными схемами. Регулирование выпрямленного напряжения в сторону уменьшения приводит к уменьшению коэффициента мощности, что сказывается на загрузке питающей сети реактивным током индуктивного характера. Для улучшения качества потребляемой из сети энергии принимают меры по компенсации отрицательного воздействия выпрямителей на питающую сеть. Для этого к сети питающей выпрямитель подключают генераторы реактивной мощности, например, синхронные компенсаторы или батареи конденсаторов. Применение сетевых фильтров исключающих из питающей сети высшие гармоники тока также благоприятно сказываются на повышении коэффициента мощности выпрямительной установки.

1.8.3 Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия (КПД) характеризуется отношением активной мощности, отдаваемой в нагрузку, к полной активной мощности, потребляемой из сети:

,

где - суммарная мощность потерь, включающая в себя потери в вентилях , силовом трансформаторе , сглаживающем дросселе , делителях напряжения и тока, если имеются, а также потери собственных нужд.

Потери в вентилях складываются из потерь на переключение и потерь от протекания прямого тока. При работе на частоте 50 Гц потери на переключение можно не учитывать:

,

где - количество вентилей;

, - падение напряжения на вентиле и средний ток через него.

Потери в силовом трансформаторе складываются из потерь на перемагничивание сердечника трансформатора и активных потерь от протекания тока через обмотки :

.

Потери мощности в сглаживающем дросселе определяются главным образом активным сопротивление его обмотки:

.

Коэффициент выпрямительной установки часто представляют в виде произведения КПД трансформатора и КПД выпрямительной схемы:

.

КПД выпрямительной схемы примерно равен КПД используемых вентилей:

.

Падение напряжения на вентилях изменяется незначительно, поэтому с увеличением среднего значения выпрямленного напряжения оказывает меньшее влияние, чем КПД трансформатора. При небольших значениях выпрямленного напряжения большее влияние оказывает падение напряжения на вентилях, в связи с чем, рациональнее оказываются схемы с меньшим количеством вентилей в контуре протекания тока.