5.4.2 Коммутация тока в индуктивных цепях

Отключаемые катушки индуктивности представляют собой чаще всего встречающиеся источники переходных помех в промышленных установках или в аппаратуре управления. Примером являются бесчисленные релейные катушки и катушки контакторов в устройствах автоматического управления и исполнительных органов, (например, приводы электромагнитных клапанов), а также все обмотки электрических машин и трансформаторов. При отключении возникают высокие переходные перенапряжения, которые могут приводить к повторному включению коммутируемого участка, к пробою изоляции катушки, а также к электромагнитным влияниям на соседние компоненты и коммутируемые цепи. Механизм возникновения помех всегда один и тот же, однако следует различать выключение и включение конту­ров тока с индуктивной нагрузкой. При отключении индуктивной цепи с током расходящиеся контакты вызывают изменение тока - di/dt. С этим связано изменение потока —dФ/dt, которое в результате самоиндукции индуктирует напряжение в цепи тока. Это напряжение в основном приложено к размыкающимся кон­тактам и поддерживает коммутационную дугу. В цепях переменного тока дуга гаснет незадолго до прохождения тока через ноль и вновь не зажигается, если электрическая прочность контактного промежутка возрастает быстрее, чем напряжение между контактами. В цепях постоянного тока ток обрывается только тогда, когда контакты настолько удалены друг от друга, что необходимое напряжение горения дуги превышает фактически имеющееся напряжение.

Наибольшее влияние возникает в результате обрыва тока, когда распад дуги и быстрое нарастание напряжения на промежутке при разведенных контактах заставляет ток падать до нуля с большой крутизной di/dt. Возникающие в результате этого ЭДС самоиндукции достигают даже у контактов низкого напряжения нескольких киловольт. Использование этого явления имеет место в автомобильных устройствах зажигания с прерывателя­ми, в классических искровых индукторах, а также в индуктивных накопителях энергии, используемых в мощной им­пульсной электроэнергетике.

При включении индуктивных цепей протекают аналогичные процессы. Как только контакты сблизились на определенное расстояние, может произойти пробой газового промежутка, а затем при вибрации контактов многократно повторяется, хотя с меньшими амплитудами, описанное выше явление, которое имеет место при отключении цепи.

Важно понимать, что создает помехи не искра как таковая, как иногда неверно интерпретируется, а ее исчезновение (обрыв тока) или ее возникновение (электрический пробой с гашением дуги или повторными зажиганиями). Чрезвычайно короткое время, необходимое для образования пробоя между контактами и для гашения дуги, объясняет высокие наблюдаемые крутые фронты изменения тока. У полупроводниковых выключателей в сильноточной электронике крутизна, как правило, меньше, однако появление высоких напряжений происходит качественно таким же образом. Уровень действующих напряжений устанавливается в зависимости от паразитной емкости катушки (рисунок 5.7).

Магнитная энергия, накопленная в индуктивности L к началу процесса отключения, рассчитывается по формуле

Рисунок 5.7 - К приближенному определенно максимального значения напряжения самоиндукции с учетом емкости катушки индуктивности

При разомкнутом выключателе ток катушки может замыкаться только через емкость обмотки С_пар, причем первоначально накопленная энергия переходит из индуктивности в емкость и обратно. Если рассмотреть момент, в который вся энергия как раз находится в емкостном накопителе, то, пренебрегая потерями, получим максимально возможное значение напряжения из формулы:

.

Само собой разумеется, при этом речь идет только о приблизительной оценке, которая, однако, является достаточно надежной. На практике максимально достижимое перенапряжение отключения существенно зависит от гасящих свойств выключателя (коммутационная среда, газ или вакуум, наличие нескольких последовательно включенных контактов и т. д.). Чем больше требуемое напряжение горения, тем раньше обрывается ток и тем больше скорость изменения тока di/dt. Перенапряжения в коммутируемых индуктивных цепях являются наиболее частыми причинами помех в электронных устройствах управления.