Тема 3. Коммутационные процессы в неуправляемых выпрямителях

До сих пор работа выпрямительных схем рассматривалась при допущении идеальности выпрямительного трансформатора, что предопределяло выключение выходящего из работы вентиля практически мгновенно в мо­мент, когда под действием напряжения питающей сети потенциал анода его становится отрицательным по отношению к катоду, и ток, переходя на следующий, очередной вентиль, включающийся в момент, когда потенциал его анода становился выше потенциала катода. Этот про­цесс происходил в точках, получивших название точек естественной ком­мутации. Описанный процесс перехода тока нагрузки с одного вентиля на другой называется мгновенной коммутацией. Однако в реальных си­ловых трансформаторах вентильных преобразователей из-за наличия маг­нитных потоков рассеяния в обмотках следует учитывать индуктивное сопротивление, определяемое этими потоками. Обычно индуктивное сопро­тивление рассеяния первично обмотки трансформатора приводится (пересчитывается) по вторичной обмотке трансформатора и складывается с индуктивным сопротивлением рассеяния вторичной обмотки трансформатора, а затем это суммарное индуктивное сопротивление рассматривается как отдельное дополнительное сопротивление, включенное последовательно в цепь силового вентиля, питающегося от вторичной обмотки трансформа­тора. Учет этого индуктивного сопротивления рассеяния в цепи силово­го вентиля приводит к тому, что в момент коммутации вентиль, выходящий из работы, не может закрыться, так как на индуктивном сопротивлении рассеяния возникает э.д.с. самоиндукции, поддерживающая прежнее направление тока. Это положение будет сохраняться до тех пор, пока не израсходуется вся энергия, накопленная в магнитном поле индуктивности рассеяния. Вентиль же очередной, вступающий в работу, открывается, как ему и положено в точке естественной коммутации. При этом ток в его цепи из-за наличия своего индуктивного сопротивления рассеяния будет нарастать медленнее так как ему будет препятствовать э.д.с. самоиндук­ции индуктивности рассеяния, а энергия будет накапливаться в магнит­ном поле этой индуктивности. Таким образом, в течении некоторого ин­тервала в силовой схеме выпрямителя оказываются открытыми два венти­ля : один очередной, включавшийся в точке естественной коммутации в соответствии с алгоритмом включения, а второй - вентиль, который выходит из работы, и должен был в соответствии с тем же алгоритмом включения, а второй - вентиль, который выходит из работы, и должен был в соответствии с тем же алгоритмом закрываться в той же точке естест­венной коммутации, но который не может этого сделать из-за наличия индуктивности рассеяния обмотки силового трансформатора, питающего этот вентиль. Этот интервал называется коммутационным интервалом, или, выра­женной в угловой мере - углом коммутации, и обычно обозначается через .

В течение этого интервала обмотки силового трансформатора, питающего оба открытых вентиля, оказываются замкнутыми друг на друга, а результирующая э.д.с. в этом замкнутом контуре равна полусумме э.д.с. комму­тируемых обмоток. Если эти э.д.с. сдвинуты друг против друга на 180^o, как, например, в однофазных двухполупроводниковых выпрямителях, то суммарная э.д.с. в контуре коммутации равна нулю, что, очевидно, ведет к снижению постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Если ком­мутируемые э.д.с. сдвинуты на угол, отличный от 180^o, то результирую­щая э.д.с. отлична от нуля, но все равно меньше значения, которое было бы в схеме выпрямителя при отсутствии коммутационных процессов. Вследствие этого выпрямленное напряжение выпрямителя уменьшается с увели­чением угла коммутации. Угол коммутации, как известно из теории выпрями­телей, находится из выражения:

(3-1)

где I_d - постоянная составляющая тока нагрузки,

x_a - индуктивное сопротивление рассеяния обмоток силового трансформатора,

E_2m - амплитудное значение э.д.с. в контуре коммутации,

m - пульсность выпрямителя, определяемая величеством пульсаций за один период напряжения питания.

Снижение постоянной составляющей выпрямленного напряжения из-за коммутационных процессов находится из выражения:

(3-2)

Именно эти потери выпрямленного напряжения при неизменных прочих па­раметрах выпрямителя определяют увеличение крутизны внешней характе­ристики выпрямителя .

Из анализа физики коммутационных процессов следует, что коммутационные процессы имеют место только тогда, тогда есть перекрытие анодных токов вентиля, выходящего из работы и вентиля вступающего в работу, в режиме прерывистых токов коммутационные процессы отсутствуют в принципе. Из выражения для угла следует, что на холостом ходу, когда ток I_d стремится к нулю, угол так же стремится к нулю. Коммутационными про­цессами в выпрямителях можно также пренебречь, если индуктивное сопро­тивление рассеяния x_a пренебрежимо мало, что имеет место в случае, когда мощность нагрузки выпрямителя несоизмеримо меньше расчетной мощности силового транс­форматора.