Раздел: Документация
0 ... 2 3 4 5 6 7 8 ... 49 где цг—относительная магнитная проницаемость. Формулы (1.1) и (1.2) справедливы для синусоидального напряжения. При несинусоидальном напряжении удельные потери возрастают, что можно учесть введением коэффициента у„: P: = Y„Pc,(1.3) где Ун—коэффициент, определяемый при разложении периодической функции в ряд Фурье. П oi ери в меди обмоток при переменном токе любой формы определяются известным соотношением iW2r~,(1.4) где /—действующее значение тока обмотки; г~ —эквивалентное сопротивление обмотки. Сопротивление может быть выражено через омическое сопротивление Ru и коэффициент kR, учитывающий увеличение сопротивления на переменном токе: r~ = kRR„.(1.5) С повышением частоты возрастает влияние индуктивностей рассеяния Ltl и Ls2, а также «паразитных» емкостных связей Си С12 и С2 (см. рис. 1.15), Формулы (1.1) и (1.2) приближенно определяют соотношение между габаритными размерами и мощностью трансформатора. Более точные соотношения, учитывающие влияние частоты, основаны на введении критериев подобия. В основе системы таких критериев лежат условия подобия и процессов в каждом классе электромагнитных элементов, например трансформаторов или реакторов. В частности, в [8] получена следующая зависимость объема магнитопровода vc трансформатора от его мощности srp и частоты /: v*=s/WM-m,0-6) где AT—превышение температуры, ° С; км—коэффициент заполнения окна магии юпровода проводниковым материалом. Из (1.6) следует, чем выше частота, тем лучше удельные показатели объема и массы трансформатора. Однако возможности повышения частоты в этом отношении не беспредельны. Всегда существует граничная (критическая) частота, превышение которой не ведет к дальнейшему уменьшению объема электромагнитного трансформатора. Кроме потерь энергии в маг-нитопроводе необходимо учитывать также влияние индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора, существенно влияющих на коэффициентпередачи напряжения при повышенной частоте. Так, например, в [8] показано, что для определенного класса однофазных трансформаторов средней мощности, с уче- том взаимосвязи их параметров, включающих индуктивность рассеяния, значение граничной частоты может быть определено из следующего соотношения: 1,75-106 /AT Ак р STp (1.7) где кр—коэффициент, учитывающий способ резки магнитного материала. Если принять объем трансформатора на частоте f„ = 50 Гц и при перегреве на 50° С за базовое значение, то с учетом соотношения (1.7) можно определить, во сколько раз уменьшится объем трансформатора при увеличении рабочей частотвг: -1/4 (1.8) гр" У~Г2ъ{Акр -объемы магнитопроводов при /0 и f соот- где v0 и К, ветственно. Из (1.8) следует, что предельное уменьшение объема трансформатора при увеличении рабочей частоты обусловлено потерями в магнитопроводе, мощностью и допустимым перегревом. В качестве примера в табл. 1.1 приведены значения граничных частот для стержневых (ПЛ) магнитопроводов различных марок. Таблица II Частотная характеристика мапитопровода
Влияние частоты на объем магнитопроводов стержневого типа для трансформаторов мощностью 2 кВт, выполненных из различных материалов, показано на рис. 1.16. Согласно приведенным зависимостям степень предельного уменьшения объема магнитопровода незначительно изменяется в зависимости от марки применяемого материала. Существенно изменяется лишь абсолютное значение самого объема. Следует еще раз отметить, что значение frp в значительной мере onpefleflri-ется сопротивлением индуктивностей рассеяния. Поэтому для  Рис. 1.16. Зависимость объемов магнитопровода от частоты: 1— сталь Э360А, 0,08 мм; 2—сплав 50Н, 0,05 мм; 3—сплав 80НХС; 4 —феррит 2500НМС увеличения /гр следует принимать специальные меры, приводящие к уменьшению этих индуктивностей: секционирование обмоток, улучшение, конструкции и др. В целом же определяющим фактором в объеме трансформатора является материал магнитопровода. На повышенных частотах применяются холоднокатаные стали с малыми удельными потерями на перемагничивание. Чем меньше толщина ленты, из которой изготавливается магнитопровод, тем меньше потери от вихревых токов и слабее зависимость магнитной проницаемости от частоты. На частотах свыше 20 кГц рационально использовать ферриты, обладающие высоким удельным электрическим сопротивлением токам повышенной частоты. Перспективными электромагнитными материалами для силовой электроники являются металлические сплавы с аморфной структурой. Они обладают высокими магнитными и механическими характеристиками, обеспечивающими значительные преимущества перед традиционными материалами в отношении улучшения массогабаритных показателей электромагнитных элементов. Особенно следует отметить низкие потери отдельных марок аморфных сплавов на повышенных частотах (например, сплав марки 24КНСР имеет удельные потери 8 Вт/кг при частоте 20 кГц и магнитной индукции 0,2 Тл). Однако высокий уровень магнитных свойств аморфных сплавов достигается после специальной термической обработки в магнитном поле. Большая зависимость магнитных свойств от технологии изготовления сдерживает широкое серийное внедрение аморфных сплавов. Вышеизложенное во многом относится не только к трансформаторам, но и реакторам. Объем реактора на повышенных частотах также в основном определяется потерями в маг- f нитопроводе. С этой точки зрения при малых значениях энергоемкости реактора целесообразно использовать магнито-диэлектрики, например альсиферы или ферриты. Если же энергоемкость реактора велика, при малой требуемой индуктивности рациональным оказывается использование воздушных конструкций (без магнитопровода). 1.3. КОНДЕНСАТОРЫ б преобразователях электрической энергии конденсаторы переменного тока являются основными элементами силовых схем. В то же время в этих схемах явно выражены такие факторы, как несинусоидальность токов и напряжений, а также широкое изменение рабочего частотного диапазона при ча- стотно-импульсном регулировании. Важнейшей характеристикой режима работы конденсатора является значение активных потерь энергии в нем. Именно эта характеристика в основном определяет допустимые значения напряжения на конденсаторе, точнее, его действующие значения, формы и др. Известно, что при синусоидальном напряжении потери в конденсаторе пропорциональны тангенсу угла потерь в диэлектрике. При этом в расчетах часто принимают это значение неизменным, в то время как оно зависит от условий работы: температуры, напряжения, частоты и др., что необходимо учитывать при расчете потерь и определении рациональных параметров конденсаторов в конкретных условиях эксплуатации. Приведенные в технических условиях частотные зависимости tg8 для конденсаторов неполярного типа (например, К75-10) показывают практическую его независимость *от частоты в диапазоне от 50 до 1000 Гц и возрастание примерно в 10 раз при увеличении частоты с 1000 до 10 000 Гц. Изменение температуры в меньшей мере влияет "на tg8 для этих типов конденсаторов (в среднем tg 8 увеличивается в два раза при изменении температуры от +20 до 100° С). В целом же точная оценка потерь в конденсаторах даже при идеальном синусоидальном напряжении является достаточно сложной многофакторной задачей. Еще более сложной задачей является оценка потерь в конденсаторе при несинусоидальных токах и напряжениях. Среди известных методов такой оценки следует выделить наиболее общий, но весьма приближенный метод, основанный на анализе гармонической кривой напряжения. При расчете этим методом потери мощности в конденсаторе от каждой гармоники приложенного к нему напряжения суммируются: Рж = Сщ £«c/n2tg8„,. (1.9) л=1 у мбар/м  15 10
Рис. 1.17. Зависимость амплитуды допустимого напряжения от частоты Рис. 1.18. Зависимость удельной реактивной мощности от частоты приложенного напряжения для конденсаторов типов К75-10, К77-5 и К72-11 где п — номер гармонической составляющей напряжения; С— емкость конденсатора на частоте основной гармоники; &! — частота 1-й гармоники напряжения; Un—действующее значение и-й гармоники; tg5„ — тангенс угла потерь для п-й гармоники. Из (1.9) можно определить допустимое действующее значение эквивалентного напряжения на нормированной частоте юн, значение которой обычно приводится в технических условиях. Важнейшим параметром, определяющим удельные характеристики конденсаторов переменного тока при заданной надежности, является частота гармонических составляющих приложенного напряжения. Типичная зависимость амплитуды синусоидального напряжения от частоты в относительных единицах приведена на рис. 1.17. Эта зависимость построена по критерию допустимой мощности потерь и допустимого эффективного тока [9 ]. В зависимости от частоты и формы напряжения при выборе требуемого типа конденсатора может преобладать тот или иной ограничивающий фактор. Например, при трапецеидальной форме напряжения на конденсаторе при низких частотах и малой длительности фронтов ограничивающим фактором является амплитудное значение импульсного тока, а при повышенных частотах синусоидального напряжения (свыше 1 кГц)—дополнительная мощность потерь. В качестве ограничивающего фактора при выборе конденсатора выступает также его кратковременная электрическая прочность, в соответствии с которой нормируются значения номинальных напряжений. Допустимое напряжение может также выбираться из условия ограничения мощности частичного разряда, исходя из ограничения максимальной температуры при постоянстве потерь. г Поскольку реактивная мощность конденсатора переменного тока непосредственно зависит от частоты, удельные показатели конденсаторов (отношение реактивной мощности к объему, массе или другому параметру) также являются функциями частоты. В качестве примера на рис. 1.18 приведены зависимости удельных объемов некоторых современных отечественных типов конденсаторов переменного тока от частоты. Из рис. 1.18 видно, что для конкретного типа конденсатора существует оптимальная частота приложенного напряжения, при которой его объем будет минимальным. Электролитические конденсаторы являются основными элементами фильтров постоянного тока. В рабочем режиме конденсаторы находятся под постоянным воздействием как постоянной, так и переменной составляющих напряжения. Обычно в технических условиях на электролитические конденсаторы в качестве основных параметров кроме значений емкости указываются номинальное значение постоянной составляющей и допустимое значение переменной в виде синусоидального напряжения частотой /=50 Гц. Однако при более высоких частотах следует учитывать и другие факторы, вызывающие уменьшение проводимости конденсатора как элемента в целом и, как следствие, снижение его фильтрующей способности [9]. Так, при синусоидальном токе фильтрующая способность определяется полным сопротивлением конденсатора Zc, которое соответствует схеме замещения, представленной на рис. 1.19, а, где Cs—емкость, обусловленная диэлектриком; гд, гэ — активные сопротивления, соответствующие потерям в диэлектрике и электролите, a L3 — эквивалентная индуктивность секции и выводов. Согласно схеме замещения при частоте / Zc = Jr2s+{\l2nfCs3f,(1.10) .где Cs г.-гд + гэ, cS3 х ШоГ • f0 =1/2tcVZT- Значение Cs зависит, от типа конденсатора, его параметров и частоты. Индуктивность £э является сравнительно стабильной величиной. Другие параметры, например tg8, имеют частотную, временную и температурную зависимбсти. Кроме того, существуют технологические разбросы параметров, носящих обычно случайный характер. Учитывая влияние указанных факторов на проводимость конденсаторов, оценку и сопоставление их удельных показателей при повышенных частотах следует производить по так называемому эффективному значению емкости Сэф=1/2л/2с. (1.11) 0 ... 2 3 4 5 6 7 8 ... 49
|
