5. Коммутация тока, внешние характеристики

выпрямителей средней и большой мощности

В выпрямителях средней и большой мощности возрастает влияние ЭДС, создаваемых в первичной и вторичной обмотках трансформатора их магнитными потоками рассеяния. Повышение роли индуктивности рассеяния сказывается на процессе перехода тока нагрузки с одного вентиля выпрямителя на другой(процесс коммутации). Интервал коммутации, характеризуемый углом, может занимать довольно значительную часть длительности рабочих процессов. Коммутационные процессы здесь оказывают существенное влияние на работу, показатели и характеристики выпрямителя.

Влияние индуктивности рассеяния обмоток трансформатора , а при более точных расчетах – и индуктивности питающей сети , учитывается суммарной индуктивностью

(1.87)

или индуктивным сопротивлением

, (1.88)

приведенным к вторичной обмотке трансформатора.

В зависимости от числа фаз процесс коммутации, а также его влияние на показатели и характеристики выпрямителя будет отличаться, а поэтому следует рассмотреть отдельно эти вопросы для однофазных и многофазных выпрямителей средней и большой мощности.

а) Однофазные выпрямители

Процесс коммутации, а также его влияние на показатели и характеристики выпрямителя рассмотрим вначале для однофазной схемы с нулевым выводом (однофазная нулевая схема).

Временные диаграммы, поясняющие влияние коммутационных процессов в схеме выпрямителя, приведены на рис.1.16. Влияние проявляется в том, что при подаче положительного напряжения на очередной диод выпрямителя индуктивные сопротивления изатягивают процесс уменьшения до нуля тока проводившего вентиля и нарастания до значенияId тока вентиля, вступающего в работу (рис.1.16).

В результате на интервале коммутации  в проводящем состоянии одновременно находятся в работе оба вентиля выпрямителя.

Эти вентили создают короткозамкнутый контур для последовательно соединенных вторичных обмоток трансформатора с суммарным напряжением и сопротивлением. Если считать, то к каждому из этих сопротивлений прикладывается напряжение. НапряжениеUd на интервале  определяется выражением

Рис.1.16. Процесс коммутации в однофазном выпрямителе

(1.89)

Поскольку при отсчете и относительно нулевой точки обмотки на интервале коммутацииUd = 0 (рис.1.16).

Вследствие этого при вычислении напряжения Ud заштрихованные площадки на рис. 1.16,б из расчета выпадают. Таким образом, при конечной длительности этапа коммутации, среднее значение выпрямленного напряжения Ud будет меньше, чем при =0.

Для Ud действительно соотношение

, (1.90)

где - среднее значение напряжения на нагрузке в режиме холостого хода (без учета коммутаций);Ux- среднее значение потерь напряжения при коммутации вентилей за период.

Величину Ux находят из выражения

(1.91)

В формулу (1.91) входит член (1-cos), который можно определить, рассмотрев более детально коммутационный процесс перехода тока, например, с диода VD2 на диод VD1. С момента включения диода VD1 начинается интервал совместной проводимости обоих тиристоров при полярности напряжений на вторичных обмотках трансформатора указанной на рис.1.16,б.

Постоянное уменьшение до нуля тока диода VD2 и возрастание до величины Id тока диода VD1 (рис.1.16) осуществляется под воздействием тока коммутации , протекающего в короткозамкнутом контуре, образованным этими токами.

Ток коммутации при этом удобно представить в виде принужденной и свободной составляющей

. (1.92)

Принужденная составляющая обуславливается суммарным напряжением контура коммутациии его сопротивлением.

(1.93)

Свободная составляющая

(1.94)

где А - постоянная; T=2La/R - постоянная времени контура коммутации.

Для выпрямителей средней и большой мощности сопротивление контура коммутации мало (R0), в связи с чем T.

Тогда

(1.95)

с учетом выражений (1.93) и(1.95) имеем

(1.96)

Постоянную А находим из начальных условий  t=0 ,

(1.97)

Таким образом,

. (1.98)

Кривая тока определяет закон изменения на этапе коммутации анодного тока диодаVD1, а разность- изменение анодного тока диодаVD2 (рис.1.16). Интервал коммутации заканчивается при достижении током величиныId .Подстановка в (1.98)  t= и дает

(1.99)

Из уравнения (1.99) определяем значение

(1.100)

подставив которое в выражение (1.91), получим

. (1.101)

На основании выражения (1.101) можно определить среднее значение выпрямленного напряжения с учетом коммутации

. (1.102)

Уравнение (1.102) описывает внешнюю характеристику неуправляемого выпрямителя (рис.1.17)

Рис. 1.17. Внешняя характеристика однофазного выпрямителя

Уменьшение напряжения на нагрузке Ud с ростом тока Id объясняется увеличением коммутационного падения напряжения Udx вследствие возрастания угла коммутации , который определяется из выражения (1.101).Указанное поясняется временными диаграммами рис.1.18, где показаны кривые напряжения Ud, тока и его составляющих, а также токов вентилей при двух значениях тока нагрузкиId’>Id.

Рис.1.18.Временные диаграммы, иллюстрирующие уменьшение

среднего значения выпрямленного напряжения с ростом тока нагрузки

Коммутационные явления в схеме выпрямителя приводят к фазовому сдвигу потребляемого тока относительно напряжения питания. Фазовый сдвиг первой гармоники тока увеличивается примерно на угол .

С учетом угла коммутации  к вентилю прикладывается скачек обратного напряжения, равный

.

б) Коммутационные процессы в однофазном мостовом выпрямителе

Эти процессы подобны процессам в однофазной нулевой схеме. Особенность заключается в том, что на этапе коммутации в проводящем состоянии находятся одновременно все четыре вентиля (рис.1.19).

Рис. 1.19. Контур коммутации однофазного мостового выпрямителя

На схеме показан контур коммутации при включении в работу вентилей VD1 и VD2 и запирании вентилей VD3 и VD4.

Ток коммутаций в мостовой схеме обуславливается напряжениеми реактивным сопротивлениемХа. Для тока и его свободной и принужденной составляющих действительны соотношения (1.92)-(1.98), полученные для схемы с нулевой точкой. Отличие связано с тем, что в мостовой схеме непосредственно в коммутации каждого вентиля участвуют составляющие коммутационного токаи. При равенстве этих токов процесс коммутации (переход тока с одной пары вентилей на другую) заканчивается при. При этом токубудет соответствовать значение2Id. На основании сказанного правую часть выражения (1.100) необходимо умножить на 2

Тогда уравнение внешней характеристики мостовой схемы запишется в следующем виде:

(1.103)

В мостовой схеме увеличение вдвое тригонометрической функции(1.100) компенсируется уменьшением в тоже число раз значения Ха. В результате при одной и той же мощности выпрямителя внешние характеристики однофазных двухполупериодных схем получаются одинаковыми.

Первая гармоника тока в мостовой схеме также сдвинута в сторону отставания относительно напряжения питания на угол .