Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Справочник по расчету режимов работы электрических конденсаторов

..pdf
Скачиваний:
12
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
10.73 Mб
Скачать

4. РАСЧЕТ МОЩНОСТИ ПОТЕРЬ

В ПЕРЕХОДНОМ ПРОЦЕССЕ

Расчет мощности потерь в кондёнсаторе в кратковременном импульсном режиме

Для расчета потерь в переходном процессе принципиально приме­ нимы только аналитические методы расчета (см. рис. 2.1), но с учетом специфики протекающих в диэлектрике конденсатора физических про-

.Рис. 2.20. Временная диаграмма серии из п прямоугольных импульсов (а) и характер изменения заряда на конденсаторе

(б) в переходном процессе

цессов — процессов установления

поляризации — методика

расчета

должна быть модернизирована по

сравнению с изложенной

выше.

Рассмотрим методы расчета запасаемого заряда и потерь в кратко­ временном импульсном режиме при воздействии на конденсатор им­ пульсного напряжения идеальной прямоугольной формы. Предполо­ жим, что на t-й релаксатор эквивалентной схемы конденсаторов (см. рис. 2.8, б) действует серия из п импульсов (рис. 2.20). Напряжение любого импульса этой серии можно записать в следующем виде:

( 0

при t

< 0;

 

 

 

 

Up при 0

< t < ta\

 

 

 

0

при tu <

t <

Т п;

 

 

 

Up при Тп <

t «

Гп +

ги;

 

И(0 = < о

при Тп +

t K «

t <

2r n;

(2.70)

и р ПРИ 2

 

 

2Гп +

 

 

Up при -

1) Г п < t «

-

1) Ta+ t H;

0

при < > ( « — !) Tn +

ta.

 

101

Метод расчета с использованием переходной функции релаксато* ра. Действующее на релаксатор напряжение представляется суммой двух перепадов (штрихи на рис. 2.20), определяются изменения заря­ дов при действии этих перепадов и результирующий заряд для перво­ го периода повторения. Далее с использованием принципа суперпози­ ции определяется характер изменения:

запасаемого во время действия я-го импульса заряда в интервале времени (я — 1) Тп < t < (я — 1) Т п + /и

 

 

 

 

 

И

1 ехр (« — 1) r n/Tf — I

^

 

 

Q«nV) = u Pc i

ехр------ 1

exp ( T

J %

, )-

1

 

Х

 

(2.71)

 

Tt

 

 

 

 

 

X ехр

 

 

— ехр

t — {п-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

отдаваемого

конденсатором

Ci

заряда

после

окончания

я-го им­

пульса

 

 

 

 

 

 

ехр пТп/ т(. — 1

 

 

 

 

 

 

<?пп (0 = UrPi (ехр

 

 

 

 

 

 

 

 

ехр Т п/т(- — 1

еХр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Средняя мощность потерь за последний период повторения

серии из

я импульсов определится по формуле

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(тг—1)ГП+/И

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pnin=

f

-

J

un (t) In (t)dt,

 

 

 

 

(2.72)

 

 

 

 

 

(«-I )ТП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где un (t) — значение напряжения

при действии

я-го импульса, опреде­

ляемого из (2.70); l n (t) — значение

тока

при

действии

я-го импульса,

определяемое путем дифференцирования

(2.71).

(2.72), получаем

 

 

Подставляя

un (t) =

Up

и In (t)

в формуау

 

 

n

2/рС( |(1

ехр

{1

ехр [

1) T J x t\}

_ ^

 

 

ain~

Tn

1

 

 

ехрГп/т ,.- 1

 

 

 

 

+ 1 |

Х

 

 

 

 

X [1 — ехр (—tj^i))-

 

 

 

 

 

 

(2.73)

Для выражения (2.73) характерно, что

при

устремлении

числа

импульсов

в серии

я

оо, что соответствует переходу к установив­

шемуся режиму,

ехр

[ — (я — 1) r n/Tj-]

 

0, оно

переходит в выраже­

ние (2.28), которое справедливо для установившегося режима.

 

Данная методика расчета потерь является

универсальной,

так как

позволяет

производить

расчет не только в установившемся

режиме,

но и в переходном процессе. Выражение для установившегося

режима

получают при я-*- сю .

с

выражением

(2.28)

понятие

коэффициента

Введя

по аналогии

Nin, характеризующего потери в /-м релаксаторе

при данной

форме

напряжения, получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pnin = VlCiNiJTn>

где

(ехр п — (и)/(т^— 1) (ехр tii/xi — 1)

ехр Т„/т{ — 1

(ехр ут,- - 1)2

(ехр T J T( 1) ехр t j x t ехр [— 1) ТJXj\,

102

нли

 

 

г

(п— \ ) Т- \

 

 

 

^ 1п ~

(2.74)

 

 

+ М{2 ехр [---------.

Слагаемое N(l

характеризует потери установившегося режима, Ni2—

потери

переходного процесса. При

оо Nin-+Nfi.

 

На

рис. 2.21

показана

расчетная

зависимость

коэффициента N ц

для ПЭТФ при следующих параметрах импульсного

режима:

форма

импульсов — идеальная прямоугольная, Тп = 10*4с,

iи = 2

• 10‘$с.

Из рисунка

видно, что превышение значения

Nt-2 над установившимся

значением

коэффициента noiepb составляет около 30 %,

а по истече­

нии (50. . .70)

Тп завершаются переходные

процессы

поляризации

и наступает установившийся режим. Пе­

 

 

реходный процесс поляризации при фик­

 

 

сированных параметрах импульсного ре­

 

 

жима обусловлен в основном «замедлен­

 

 

ными» или

низкочастотными релаксато­

 

 

рами. Поэтому на рис. 2.21 показана за­

 

 

висимость коэффициента для самого низ­

 

 

кочастотного

релаксатора с т1 — 6,7 X

 

 

Рис. 2.21. Характер изменения дополни­

 

тельных

потерь переходного процесса во

LgnTn

времени

 

 

 

X 10‘3с [1]. Более «быстрые» релаксаторы вносят значительно меньший вклад в величину коэффициента N

Метод расчета с использованием операционного исчисления. По

аналогии е предыдущим методом действующее на релаксатор напря­ жение представляется суммой и периодическим повторением двух пере­ падов напряжения, сдвинутых во времени. При эюм изображение напряжения любого импульса серии (от первого до n-то) будет

1 — ехр (—pnTn) —exp (—ptK) {1 —ехр [—р (я — 1) Гп)}

1— ехр (—рТп)

Изображение тока при действии любого импульса серии с учетом передаточной функции цепи Ctfy будет

Цр) = 1 + PXi X

1 1 — ехр (—РПТП) — ехр (—ptu) {1 — ехр [—р (п — 1)

Х {

1 - ехр (—рТп)

)•

Оригинал тока, необходимый для интегрирования в кратковремен­ ном режиме, будет равен вычету произведения I (р) ехр (pt) в полюсе передаточной функции рх =■=—1/т^*

 

t (0 = Res [/ (р) ехр (pt)]Pi = ^ X

-1

— ехр пТп/т:1— ехр

ехр

ехр (п 1) 7 ,,/т,-

X

1 — ехр T J x l

j ехр (—f/x,.).

 

 

103

Мощность потерь за последний период повторения серии импуль* сов рассчитывается по формуле (2.72), куда подставляются un(t) = Up

и последнее выражение оригинала тока. В результате интегрирования получаем тот же результат, что и в предыдущем методе — (2.73).

Конкретная задача решается и методом, основанным на решении дифференциального уравнения модели релаксатора, но решение при этом получается громоздким. Поэтому применение данного метода для расчега потерь в кратковременном режиме нецелесообразно.

Пример

2.7. Рассчитать потери в г-м релаксаторе при действии

на него серии из п

импульсов

напряжения

трапецеидальной

формы

с линейным

законом

изменения

напряжения

на фронте и спаде,

пока-

Рис. 2.22. Серия из п импульсов напряжения трапецеидальной фор­ мы с линейными фронтом и спадом и представление каждого им­ пульса суммой линейных функций

ванной на рис. 2.22. Напряжение первого импульса такой серии можно записать в виде

 

U_

 

 

« ф < 0 ~ £ '

п р и О < « / ф;

«в W = и р

при

+ tB;

и ® ~ \

U

 

(2.75)

“с (0 =

и Рта (* —

V ПРИ

+ *в < t <

ип (0 =

0

при

ta < t < T n,

где «ф(0» ив(0> пс(0> иП(0 — закон изменения напряжения во время действия соответственно фронта, вершины, спада импульса и во время

паузы

между

импульсами.

Из

рис.

2.22 видно, что трапецеидальный импульс получается

в результате

алгебраического суммирования и периодического" повто­

рения четырех неограниченно возрастающих линейных функций ux(t) . ..

• • .«4 (0

(штрихи на рис.

2.22),

т. е.

 

 

U(0 =

Щ(0 -

«2 (0 - «3 (0 + «4 (0.

(2.76)

где M 0

= t y / V

 

MS (0 = и р(* — 1ф — tb)/ic;

Дальнейший расчет выполняется операторным методом [24]. Так как характер изменения составляющих u(t) совершенно одинаков,

104

но они сдвинуты во времени, то, применив теорему запаздывания, по­ лучим изображение напряжения первого импульса в виде

Vi (Р) = j q - 11 — exp (—р(ф)1 — щ

[ехр (—р<ф -

 

р/в) -

exp (—р/н)J.

Изображение

напряжения

при

действии

фронта

я-го

импульса

на основе той же теоремы запаздывания

 

 

 

 

 

 

 

Up 1 — exp [—р ( п — 1) Гп] я

^

,

„ р

 

 

 

 

и „Ф(Р>= f

----- ,

1—

Г-77ГЛ—

А 1Р) + Ж

ехР I- Р (» ~

1) Tnh

р 2

 

 

«ехр(—рТа)

“ 'г '

1 рЧф

 

 

 

 

где введено обозначение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А(Р)

1 — ехр (—Р<ф)

ехр (—ptф — р^в) — ехр (—р/ц)

 

 

 

Ф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично

находятся изображения

напряжения

при

действии

вершины л-го

импульса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U„ 1 — ехр [—р (п — 1) 71nJ

 

 

 

 

 

и пъ (р) = ^

1 — ехр (—рГп)

 

а (р ) + 7з£ X

 

' nBV'/

 

Ра

 

 

 

рЧф

 

 

X ехр [—р (п — 1) Гп] [1 — ехр (—р^ф)];

 

 

при действии спада я-го импульса

 

 

 

 

 

 

 

Un \ — e x p l - p ( n — \ ) Т п]

 

Un

 

 

 

 

и ПО(р) = pi-

 

1 — ехр (—рТп)

 

А ^

+

р*

ехр

Р (л ~

r nJ X

 

X

1 — ехр (—р ф

ехр (—pt^ — р ф

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

}■

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изображения полных токов

на отдельных

участках я-го импульса

с учетом передаточной

функции

модели

i-го ]релаксатора (цепи Rfii)

/„ф ip) = и пф (р) рС{/( 1 + рт<); / пв (р) = £/пв (р) X X рС,/(1 + ртг); /„с (р) = t/„c (р) рС{1(1 + ртг).

Оригиналы полных токов на отдельных участках я-го импульса напряжения, необходимые для определения мощности потерь, на осно­ вании формулы обратного преобразования Лапласа ищем как сумму

вычетов функций 1п(р) ехрг(р() относительно полюсов р* = 0,р2 = —

при действии фронта я-го импульса в интервале времени (я — 1) х Х Г п < < < ( п - 1 ) Т п + /ф

<Пф(0 =

Res(/^ ( p ) exP(POJ = ^

- f

/ pc ix

P i. Рг

/т,

Ф

 

1 — ехр (я — 1) Т

 

 

X

1 - е х р Г Х

Л W ехр

 

-

 

£/рС(. ( я - 1 ) Г п t

t \

(2.77)

 

ехр—

----- ехр ( - - J ;

ф

105

при действии вершины n-го импульса в интервале времени (л — 1) X X г п+ *ф< < < ( / > - 1)Гп + *ф+*в

{ ПВ (0 = S Res[/„B(p)exp(pO = -t/ p ^X

 

__(п

 

[ l - e x p ^ j e x p ( - i - ) ;

(2.78)

exp ■

 

Ф

 

 

 

 

 

 

 

 

при действии спада л-го

импульса в интервалах

времени

(л — 1) X

X T n + f* + fB< < < ( n - l ) 7 ’n +

*II

 

 

 

 

 

=

25J]Res[/,l1™

(pt)i =

~J T ' ~

U pc i x

 

»'по (О =

ReS

(р) ехр

 

 

 

 

Pi PiРг

 

 

 

 

С

 

 

1 — exp (и — 1)Гп/тг

 

 

 

 

 

(n — 1) T

X

A (() exp (— t/T(.) — U C{ exp-------------X

1 — exP TJ xt

 

 

 

 

 

 

 

1 — exp /ф/т,

exp ((ф + tB)/

) - P ( - A ) .

 

X l(

<♦

 

 

 

( 2 . 7 9 )

 

 

 

 

 

 

 

В выражениях (2.77) — (2.79)

введено обозначение

 

 

1 — ехр /ф/тг

ехр ((ф +

/в)/т< — exp t j x l

 

A{t)

t.Ф

 

 

 

 

to

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Средняя за последний период повторения серии из л импульсов мощность потерь в i-м релаксаторе находится но формуле

 

< « - 1 ) Г п + *ф

 

 

 

( л - 1 > Г п + * ф+ * в

J

 

рч«=Та[

J

 

 

 

 

 

” L ( п - \ ) Т п

 

 

 

( л - ! ) Г п - К ф

 

 

 

 

(л—1)ГП4-tH

 

 

 

X 1ПВ(0 dt+

J

 

« „ с (0 « „ с (0 ^ ].(2-80)

 

 

 

 

 

 

 

где мпф(0» «ов (Ч, ипо (О— изменение-напряжения на отдельных

участ­

ках л-го импульса, определяемое из

(2.75)

подстановкой соответствую­

щего

времени; in$(t), inQ(t),

inc (0 — изменение полного тока

цепи

R f i it

определяемое

соответственно выражениями (2.77) — (2.79),

 

Выполняя интегрирование

по

(2.80)

и производя! элементарные

преобразования, окончательно получаем

 

 

 

ш»=

{л'п +

Ni2

ехР [ -

( я - 1 ) 7 \,'

(2.81)

 

 

 

 

 

106

В выражении (2.81) введены обозначения:

[ехр (<ф/т,) — 1)[ехр ( t j т(.) — 1| [ехр (/в/т,.) + ехр (/п/т(-)]

X

 

exp TJ%i — 1

 

 

 

 

 

 

Л [ехр (<ф/т,) -

11 [ехр (Г„ -

ф / т , — 1]

т?

 

 

ехр 77 т,.- 1

 

? Х

 

 

[ехр ( t j т,) - 1] [ехр (Гп - /с)/т(. - 1]

 

 

 

Х

ехр T j x i — 1

(2-82)

_

[ехр (ут,.) — 1] [ехр ( t j т(.) — 1] [ехр (/и +

<в)/т, — 1] ^

i2~ V ^

ехр (/h/t ()2 [ехр (TjTj) — 1J

 

 

[ехр (/ф/т() — I]2

т?

[ехр (/с/т(.)— 1]а

 

~~ ехр ^ф/т(.)[ехр (Гп/т,)-1] t\ ехр (<с/т,)[ехр (Гп/^) — 1] •

(2'83)

Значение

коэффициента

Ni2 из (2.83)

характеризует величину до­

полнительных потерь переходного процесса при данной форме импуль­ сного напряжения.

Мощность потерь при работе конденсатора в кратковременном импульсном режиме максимальна в первом периоде повторения, оце­ нивается суммой коэффициентов N ц + N i2 и уменьшается с ростом числа импульсов в серии. Мощность потерь для последнего периода повторения серии минимальна при конечном п. Для дальнейших рас­

четов необходимо учишвать несколько

большее значение Рп. Усред­

ненная по длительности серии мощность потерь

характеризуется

сред­

ним

значением коэффициента

потерь

N126ХР(_

Т Г ) ^

 

 

 

 

 

 

 

( п - 1 ) Т п

 

 

N i2cp

=

( П - \ ) Г

П

J

 

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

или

Л/(.2СР =

 

 

Т(

 

(

 

г

(П — 1 ) Т П1\

(2.84)

Na (n _ T)Y n (1 -

ехр ^-------- - ------j j ,

где

t — текущее

время.

 

 

 

 

 

 

 

%, показываю­

 

Из выражения (2.84) можно найти коэффициент р,

щий, какую часть от максимальной

мощности потерь переходного про­

цесса^ М^необходимо

учитывать

в

расчетах

при известном числе им­

пульсов в'серии

п:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л

^ I'2CD

100т-

 

(

г

(П — 1) Т’пТЛ

 

 

В установившемся режиме /?-> оо , а р->-0, т. е. мощность потерь

характеризуется

только

коэффициентом

N ц.

В табл.

2.5. приведены

формулы N(2для ряда

форм

несинусоидальных

напряжений.

 

107

2.5. Формулы N i2 для разных форм импульсного напряжения в переходном процессе

Временная диаграмма напряжения

П

tu in Тп

u(t)

0 f$\ г

tq> ts tq tn t tu

Тп

Формула коэффициента N

 

 

(eXpL

" _ i ) exp ^

 

N

А

[ехр ^ф/т,)— 1] [ехр < /у - 1 ]

[ехр [(<„ + tB)/x{] +

1]

У с

1ехР (У /т£) — 1] ехр (*„/**)

 

12 ~ ~

~

\

 

[ех р (у т () - 1 р

<

[ехр (/с/т£) - 1 ] *

 

' * *

[ехр (Тп/ x j — 1] ехр (/ф/т,)

^

[ехр (Гп/х (.) — lj ехр (tc/ i {)

X

Х1 [ехр (tc/ x {) — I]2

 

t\ texP (TJ xi) — ехР ( У т<)

 

(“рУ')1ехр Ti~

(яЧ 2)*

Г[ехр (/ф/т,) + 1] [exp (tc/x{) +

Щ ехр (tu +

g /т, + Ц

N{2 = 4 [exp ( T J т(.) -

1] [

(<*, +

яЧ?) (/* +

яЧ 2) ехр (/„/т,)

 

 

[ехр(/ф/тг) + I]2________[ехр (/с/т.) +

I]2

1

 

<

4 +

я ч 2)*( Wе х р

< 4

+

я 2 4

) -

е х р

(*<=/*,- )J

 

 

 

(я2т-)2

[ехр (/ф /т^+Ц

[ехр </cl/Tf)+ l] [ехр (tc — tcl)/xc+

ехр (/и + *в1)/т,]

 

 

 

8 (ехр Тп/Т( — 1)

 

( 4 + я Ч ?) ( 4 + ®24 ) ехР ^

 

 

 

 

 

 

 

 

а®

 

У

 

2 [ехр (<ф/т,) +

1]»

[ехр (*с,/т,) + М2

 

 

 

(#ф+ я Ч 2)* ехР (^Ф/Тг)

2 <4i + я 24 ) 2 ехр </с1 /т,) +

 

 

 

 

 

в

 

[ехр (/ф/т,) + 1] [ехр (/с2/т,) +

1] [ехр (2<и — /ф— <с2)/т, +

1]

IV

f

( 4

+ я Ч 2) ( 4 +

я Ч 2) ехр (<и/тг)

 

 

 

 

 

 

 

[ехр (*с1/т,) +

1] [ехр (/с2/т,) + 1] [ехр (/с + <в2)/Ч + U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 (f2, + я Ч 2) (/*2 + я Ч 2) ехр (tj%t)

 

 

 

 

 

 

[ехр (tc2/ т,) + I]2

I

 

 

 

 

 

 

2 (4 г + я24 ) 2 ехР ( W

Ti)J

 

Расчет мощности потерь в повторно-кратковременном импульсном режиме

Рассмотрим случай, когда на модель единичного релаксатора дей­ ствует серия из т пачек, в каждой из которых по п импульсов идеаль* ной прямоугольной формы (рис. 2*23) [36], Напряжение любого им­ пульса можно записать в следующем виде:

го

UP

0

U P

'U P

U P

при

о

при 0 С t < tai

при

 

при

T n < i < Tn + ta<

при ( n - l ) T n < t < ( n - -i ) T n+t«*

при ( m - \ ) T na4- h ( n - \ ) T n< t <

< (m 1) + (n — 1) T,,

0 при t > (m— 1) Гпач+ (n- Tn+ t u.

Действующее на релаксатор импульсное напряжение представ­ ляем суммой перепадов напряжения. Определяем сначала токи, о б у ­ словленные каждым импульсом, в виде

к (0 = (^ р/fy) [1 ~ ехр (*и/т,)] ехр (—//т,) = / м exp (—t/x{).

Рис, 2,23, Временная диаграмма прямоугольных импульсов

Ток Imn(Ot вызываемый действием всех импульсов пачек, найдем В виде суммы слагаемых, каждое из которых обусловлено действием отдельного импульса. Так, например, ток при действии п-то импульса

первой пачки

можно найти,

просуммировав токи от действия (п — 1)

импульсов и ток от воздействия

первого перепада п-то импульса:

,

Ур Г/,

*и\ехР[(п — 1)ТВА,1 — I

 

 

Р 0

ехр ( r n/ t f) - 1

+ ехр (п — 1) ТПЬН)-

Рассуждая аналогично и последовательно увеличивая количество суммируемых слагаемых, получаем значение необходимого для инте-

110