5. Коммутация вентильных токов, внешние характеристики и энергетические показатели выпрямителей

5.1. Коммутация вентильных токов

Магнитные потоки рассеяния в трансформаторе оказывают существенное влияние на характер электромагнитных процессов в выпрямителях. Потоки рассеяния учитываются индуктивным сопротивлением обмоток трансформатора - Х_а, расположенных на одном стержне сердечника. Обмотки трансформатора имеют также активное сопротивление R_а. Особенности работы выпрямителей зависят от соотношения между параметрами X_а и R_а. В выпрямителях большой мощности, применяемых на тяговых подстанциях, X_а / R_а  7, потоки рассеяния оказывают решающее влияние на характер электромагнитных процессов и вызывают явление коммутации вентильных токов.

Из-за наличия индуктивного сопротивления обмоток трансформатора X_а процесс коммутации (переход тока из фазы, оканчивающей работу, в фазу, вступающую в работу) протекает в течение некоторого конечного промежутка времени.

Р ассмотрим процесс коммутации вентильных токов в схеме трёх пульсового выпрямителя (рис. 5.1).

а б

Рис. 5.1. Процесс коммутации вентильных токов в трёх пульсовом выпрямителе:

а – схема выпрямителя; б – схема замещения в момент коммутации

В момент равенства мгновенных значений напряжений в фазах а и b начинается коммутация тока с вентиля VD1 на вентиль VD2. На схеме замещения L_а – сумма индуктивностей рассеяния обмоток трансформатора и питающей сети ( ). Для контура коммутации будет справедлива система уравнений:

, (5.1)

где .

Если ток нагрузки считать постоянным (без пульсаций), то .

Приняв за начало отсчёта времени момент начала коммутации, получим закон изменения ЭДС в фазах трансформатора:

; ;

. (5.2)

Токи вентилей в процессе коммутации с учётом начальных условий ( = 0, i_a = I_d):

; . (5.3)

Коммутация продолжается до тех пор, пока ток вентиля i_a, выходящего из работы, не станет равным нулю при  = . Тогда

. (5.4)

Временная диаграмма работы трёх пульсового выпрямителя в режиме коммутации вентильных токов представлена на рис. 5.2.

На рисунке угол коммутации вентильных токов выпрямителя _в показан в момент перехода тока из фазы а в фазу b. За время коммутации ток в фазе а уменьшается, но вентиль продолжает оставаться открытым, то есть открытое состояние вентиля сохраняется в течение ⁰Эл. Из-за этого обратное напряжение на закрывающемся вентиле возрастает скачком. Величина скачка напряжения .

В управляемом выпрямителе процесс коммутации вентильных токов начинается с задержкой на величину угла управления тиристоров. Физические процессы коммутации протекают аналогично, а в выражения (5.2) и (5.3) включается значение угла . В результате преобразований можно получить выражение для определения угла коммутации вентильных токов в управляемом выпрямителе:

. (5.5)

Решив тригонометрические уравнения (5.4) и (5.5), получим формулы для расчёта угла коммутации вентильных токов:

для неуправляемого выпрямителя

; (5.6)

для управляемого выпрямителя

. (5.7)

Как следует из сравнения выражений (5.6) и (5.7), при одинаковой нагрузке I_d угол коммутации вентильных токов в управляемом выпрямителе будет меньше.

Из-за коммутации вентильных токов выходное напряжение выпрямителя под нагрузкой будет снижаться. В разделе 3.2 уже был показан вид внешней характеристики выпрямителя. Но для точного анализа зависимости напряжения выпрямителя от тока нагрузки следует количественно оценить коммутационные потери напряжения.

Р ис. 5.2. Временная диаграмма работы трёх пульсового выпрямителя

в режиме коммутации вентильных токов