Энергетическая эффективность преобразования электрической энергии в устройствах силовой электроники характеризуется энергетическими показателями электромагнитных элементов и устройства в целом, определение которых и составляет цель этого раздела.

Важнейшими из этих показателей являются следующие.

1. Коэффициенты преобразования устройства по напряжению и току соответственно

   ,

   (1.2.1)

   Они определяются в режимах, соответствующих максимально возможному напряжению на выходе преобразователя, т. е. при отсутствии его регулирования, для полезных составляющих напряжения и тока. В цепях переменного тока полезными составляющими, переносящими активную мощность, являются как правило, первые гармоники напряжения и тока, а в цепях постоянного тока – средние значения напряжения и тока.

2. Коэффициент искажения тока (аналогично и для напряжения)

   (1.2.2)

   где I₍₁₎ – действующее значение первой гармоники тока, I – действующее значение тока.

3. Коэффициент гармоник тока (коэффициент несинусоидальности К_нс)

   (1.2.3)

   где I_В.Г – действующее значение высших гармоник тока (отличных от первой гармоники).

   Эти два коэффициента очевидным образом связаны между собой.

   (1.2.4)

   откуда

   (1.2.5)

4. Коэффициент сдвига тока относительно напряжения по первой гармонике.

   (1.2.6)

   где P₍₁₎ – активная мощность в цепи, создаваемая первыми гармониками напряжения и тока;

   Q₍₁₎ – реактивная мощность сдвига в цепи, создаваемая первыми гармониками напряжения и тока.

5. Коэффициент мощности

   (1.2.7)

   где P – активная мощность;

   S – полная мощность.

   В случае цепи с синусоидальным напряжением и несинусоидальным током

   (1.2.8)

6. Коэффициент полезного действия

   (1.2.9)

   В случае идеализированного преобразователя в рамках первого уровня анализа (отсутствие потерь мощности в элементах преобразователя) из (1.8) следует соотношение между коэффициентами сдвига тока входной и выходной цепей преобразователя.

   ,

   (1.2.10)

7. Энергетический коэффициент полезного действия

   (1.2.11)

8. Коэффициент пульсаций для цепей постоянного тока

   (1.2.12)

   где X_mах – амплитуда данной (обычно первой) гармонической составляющей напряжения (тока),

   X_ср – среднее значение напряжения (тока).

Расширение традиционной системы показателей качества процессов будет сделано в разделе 1.5.3. введением интегральных коэффициентов гармоник.

В тех случаях, когда с помощью вентильного преобразователя создается автономная система электроснабжения (борт судна, самолета, наземного транспортного средства), набор показателей качества электроэнергии и их числовые значения определяются соответствующими государственными и отраслевыми стандартами, аналогично тому, как качество электрической энергии в электрических сетях общего пользования должно соответствовать государственному стандарту ГОСТ 13109-97.

Для расчета энергетических показателей процессов необходимо знать: действующие значения первых гармоник напряжения и тока цепи и угол сдвига между ними; действующие значения напряжения и тока; действующие значения высших гармоник напряжения и тока; активную, реактивную и полную мощности цепи.

Их можно рассчитать одним из трех методов: 1) интегральным, 2)спектральным, 3) прямым (см. раздел 1.5).

1.2.2. Энергетические показатели качества использования элементов
устройства и устройства в целом

За энергетические показатели качества использования элементов преобразовательного устройства рационально принять их относительные (к активной мощности нагрузки) установленные (типовые) мощности.

Установленная мощность двухобмоточного трансформатора рассчитывается как половина суммы произведений действующих значений напряжения (определяет сечение магнитопровода заданного вида и число витков обмотки) и тока (определяет сечение провода обмотки) для каждой обмотки

(1.2.13)

Установленная мощность реактора в цепи переменного тока рассчитывается, как и мощность трансформатора, с коэффициентом 0,5 из-за наличия только одной обмотки

(1.2.14)

Реактор в цепи постоянного тока характеризуется уже запасенной энергией при заданной частоте и уровне пульсаций тока

Установленная (реактивная)мощность конденсатора в цепи синусоидального напряжения (по отношению к активной мощности цепи)рассчитывается как произведение действующих значений напряжения и тока конденсатора, а при наличии высших гармоник в токе величина их ограничивается в зависимости от их частоты.

(1.2.15)

Конденсатор в цепи постоянного напряжения характеризуется запасенной энергией CU ² при заданном уровне и частоте пульсаций напряжения (уровне высших гармоник напряжения).

Для соотнесения энергетических показателей элементов цепи переменного тока, выраженных в единицах мощности, с энергетическими показателями элементов цепи постоянного тока, выраженными в единицах энергии, можно использовать их условное приведение. Для этого или первые показатели необходимо поделить на круговую частоту переменного напряжения w или вторые показатели умножить на эту частоту.

Установленная мощность неполностью управляемых вентилей (тиристоров) определяется так:

где n – число вентилей.

Установленная мощность полностью управляемых вентилей определяется уже не через среднее значение анодного тока вентиля

По рассчитанным установленным мощностям элементов и известному их конструктивному исполнению можно определить удельные весовые, габаритные, стоимостные показатели и удельные показатели потерь активной мощности в элементах.

О с н о в н ы е
1. Показатель удельной массы устройства [кГ/кВА]

   (1.2.16)

   где M – масса устройства, кГ

   S – установленная (полная) мощность, кВА.

2. Показатель удельного объема устройства [дм³/кВА]

   (1.2.17)

   где V – объем устройства, дм³.

3. Показатель удельной стоимости устройства [у.е./кВА]

   (1.2.18)

   где С – стоимость устройства, у.е.

По этим показателям могут быть вычислены
• показатель удельного веса устройства [кГ/дм³]

  (1.2.19)

• показатель стоимости единицы массы [у.е./кГ]

  (1.2.20)

• показатель стоимости единицы объема [у.е./дм³]

  (1.2.21)

Д о п о л н и т е л ь н ы е
1. Показатель удельных потерь в единице объема [Вт/дм³]

   (1.2.22)

2. Показатель удельных потерь в единице массы [Вт/кГ]

   (1.2.23)

3. Показатели удельных потерь на единицу мощности (полной или реактивной)
   [Вт/кВА] или [Вт/кВАр]:
   • - для реактивных элементов в цепях переменного тока

     или

     (1.2.24)

   • - для реактивных элементов в цепях постоянного тока.

     (1.2.25)

---

Удельные показатели связаны между собой следующими очевидными соотношениями:

(1.2.26)

(1.2.27)

(1.2.28)

Наличие трех уравнений связи между показателями свидетельствует о том, что из шести перечисленных показателей только три являются независимыми, а три других могут быть вычислены по приведенным уравнениям связи.

Числовые значения удельных показателей для российской элементной базы силовой электроники (вентили, трансформаторы, реакторы, конденсаторы) приведены в пособии [25]. Оценку массогабаритных и стоимостных показателей устройства можно сделать еще на стадии расчета электромагнитных параметров элементов схемы преобразователя, зная значения удельных конструктивных показателей элементов. Другой путь получения этих показателей – расчет их по конструктивным данным готовых преобразовательных агрегатов, приведенных в справочниках [13, 36, 37].