Выпрямитель с активно-индуктивной нагрузкой

Индуктивный характер нагрузки на выпрямитель (рис. 4.4, а) имеет место при питании выпрямленным током обмоток электрических машин и электромагнитов или при использовании дросселей в качестве первого элемента фильтра. В этих случаях, как правило, выполняется условие p×m₂×w×L₀ >> R₀, где L₀ и R₀ – индуктивность дросселя и сопротивление нагрузки выпрямителя. Наличие в цепи постоянного тока индуктивности L₀ существенно изменяет характер электромагнитных процессов в схеме. Если мгновенное значение напряжения на входе фильтра представляет собой отрезок косинусоиды (рис. 4.4,б):

при m₂ ³ 2 и –, (4.15)

то ток i₀ и напряжение u₀ = i₀^.R₀ на нагрузке не повторяют форму фазных ЭДС е₂ (рис. 4.4, с). Объясняется это тем, что в цепи помимо ЭДС е₂ действует ЭДС индуктивностиL₀.

Следует заметить, что среднее значение ЭДС е_L индуктивности L₀ за пе­риод равно нулю, поэтому средние значения напряжений на входе фильт­ра и в нагрузке практически одинаковы (m₂p ³ 2) и могут быть найдены по формуле (4.3).

Коэффициент пульсаций на нагрузке R₀ при m₂p ³ 2

. (4.16)

При инженерных расчётах можно считать, что формы импульсов прямого тока i_пр.v вентиля и тока i₂ вентильной обмотки трансформатора имеют вид прямоугольников с максимальным значением, равным I₀, и основанием 2p/m₂. Тогда, учитывая (4.8), (4.12) и (4.13), получаем

; . (4.17)

Нетрудно убедиться, что значения I₂ и S₂ при индуктивной нагрузке меньше, чем в случае резистивной нагрузки выпрямителя. Следовательно, в выпрямителе с индуктивной нагрузкой улучшается использование вентилей по току, а трансформатора – по вольт-амперной мощности.

а б

с

Рис. 4.4. Осциллограммы напряжений (б), напряжений и токов (с) в однотактном трехфазном выпрямителе (а) при активно-индуктивной нагрузке

Эффект коммутации в выпрямителях

Если в выпрямителях малой мощности процесс коммутации тока вентиля близок к идеальному, то в выпрямителях средней и большой мощности (P₀ ≥ 2 кВт) характер коммутации определяется индуктивностью рассеяния преобразовательного трансформатора (см. рис. 4.5, а). Изменение тока в фазах выпрямителя происходит постепенно, в течение промежутка времени, определяемого углом γ, который называют углом коммутации [5].

Выпрямители средней и большой мощности обычно работают на фильтр с индуктивной реакцией. При большом значении величины L₀ в интервале коммутации i₀ = i_2a+ i_2b = I₀ = const. Следовательно, di_2a= –di_2b. Для интервала коммутации по второму закону Кирхгофа составляем баланс напряжений:

(4.18)

Решение этих уравнений даёт следующие результаты:

– мгновенное значение напряжения на входе фильтра в интервале коммутации

(4.19)

а по окончании коммутации u_0,γ совпадает с кривой фазной ЭДС e₂ (рис. 4.5, б);

– ток фазы, прекращающей работу в интервале коммутации:

(4.20)

а по окончании коммутации i_2a = 0;

– ток фазы, вступающей в работу в интервале коммутации:

(4.21)

а по окончании коммутации i_2в = I₀ (рис. 4.5, б);

– угол коммутации γ зависит от амплитудного Е_2м.лин значения линейного напряжения, величины L_S, тока I₀ и частоты ω = 2πf питающей сети:

; (4.22)

– среднее значение выпрямленного напряжения

(4.23)

при m₂ ≥ 2 и p = 1.

С учётом активного сопротивления потерь R_П и числа тактов выпрямления р при m₂ ≥ 1

. (4.24)

Величина U₀ находится по формуле (4.3) и может рассматриваться как значение выпрямленного напряжения в режиме холостого хода (U₀ = U_0х.х). Величина играет роль внутреннего сопротивления выпрямителя. Поэтому уравнение внешней характеристики выпрямителяU₀(I₀) на основании выражения (4.24) будет иметь вид

, (4.25)

где R_L – омическое сопротивление индуктивного фильтра. Изменение величины L_S приводит к изменению наклона внешней характеристики выпрямителя.

Увеличение угла γ коммутации приводит к возрастанию коэффициента пульсаций на входе фильтра и к отставанию по фазе токов i_2a, i_2b, i_2c от соответствующей фазной ЭДС е₂. В результате снижается коэффициент мощности выпрямителя. Уменьшается также действующее значение тока вентильной обмотки.

Следует помнить, что наличие L_S в фазах выпрямления приводит к возникновению импульсных повторяющихся перенапряжений (так называемых «иголок» – рис. 4.5, г), которые могут пробить вентили. Для устранения этих явлений параллельно вентилю VD следует включать демпфирующую RC-це­почку.

а