Особенности расчета электрических и магнитных потерь в фильтровых дросселях для полупроводниковых преобразователей электроэнергии

В настоящее время для повышения эффективности работы полупроводниковых выпрямителей с точки зрения улучшения показателей качества выходной электрической энергии применяются различные фильтровые устройства, среди которых широко используются индуктивные фильтры (сглаживающие дроссели) для снижения пульсаций выпрямленного тока и емкостные фильтры для снижения пульсаций выпрямленного напряжения.

Как известно, простые емкостные фильтровые устройства для преобразователей большой мощности практически не применяются ввиду значительной требуемой величины емкости при больших токах нагрузки для эффективного подавления пульсаций выходного напряжения выпрямителя. В этом случае используются индуктивные фильтры или совмещенные индуктивно-емкостные фильтры, в том числе многозвенные.

При проектировании сглаживающих дросселей для современных выпрямительных устройств большой мощности, использующихся в составе полупроводниковых преобразователей в качестве первой ступени преобразования входной электрической энергии переменного тока, потребляемой из сети, во многих случаях величина переменной составляющей тока, протекающего в выходной цепи выпрямителя по обмоткам сглаживающего дросселя, может достигать до 50% от величины постоянной составляющей [1, 3]. Поэтому при проектировании данных дросселей должен быть произведен учет потерь как от постоянной составляющей тока, так и от значительной переменной составляющей выходного тока (напряжения).

Электрические потери от постоянной составляющей тока в обмотках дросселя определяются по формуле [2, 3]:

 (1)

где I_d – среднее значение тока обмотки, А; ρ_м – удельное электрическое сопротивление металла обмотки, Ом·м; m_м – масса металла обмотки, кг; S_м – площадь поперечного сечения металла обмотки м²; γ_м – плотность метала обмотки, кг/м³.

Электрические потери от переменной составляющей тока:

 (2)

где I_д – действующее значение переменной составляющей тока дросселя, А; k_доб – коэффициент, учитывающий увеличение потерь от поверхностного эффекта.

Расчет коэффициента k_доб производится в соответствии с выбранным типом обмоток. Так, для случая цилиндрических обмоток, выполненных из прямоугольного провода, коэффициент k_доб [2]:

 (3)

где  – коэффициент; n – число слоев обмотки дросселя; b – размер провода обмотки в радиальном направлении, м; ω = 2·π·f – угловая частота,  с^-1; f – частота тока, Гц; μ_а.м – абсолютная магнитная проницаемость металла обмотки, Гн/м; γ_уд.м – удельная электрическая проводимость металла обмотки, См/м.

Магнитные потери в дросселе с магнитопроводом зависят от величины максимальной индукции от переменной составляющей напряжения:

 (4)

где U_д – действующее значение переменной составляющей напряжения обмотки дросселя, В; S_ст – площадь поперечного сечения сердечника, м²; w – число витков обмотки дросселя.

Магнитные потери в стали сердечника от переменной составляющей магнитного поля [1, 3]:

где p₀ – удельные магнитные потери, Вт/кг, взятые из справочника для выбранной марки стали при частоте f_* и магнитной индукции B_m*; γ_ст – плотность металла сердечника, кг/м³; k_м ≈ 1,5 (для электротехнической стали) – коэффициент, учитывающий повышение магнитных потерь после механической обработки магнитопровода; V_стык, V_с.я – объем стыковых частей магнитопровода и стержней с ярмами, м³; k_стык – коэффициент, учитывающий повышение магнитных потерь в стыковых частях магнитопровода, зависящий от формы и количества стыков, который может быть выбран по [4].

Помимо основных магнитных потерь в стали сердечника в данных дросселях при наличии немагнитных зазоров возникают дополнительные потери от выпучивания магнитного потока, которые могут быть учтены по методике в [2]. Таким образом, по представленным выражениям может быть произведен расчет основных потерь, возникающих в фильтровых дросселях, используемых при значительных постоянной и переменной составляющих токов их обмоток.