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 180o, 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 180o, 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 Id - постоянная составляющая тока нагрузки,
xa - индуктивное сопротивление рассеяния обмоток силового трансформатора,
E2m - 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 Id стремится к нулю, угол так же стремится к нулю. Коммутационными процессами в выпрямителях можно также пренебречь, если индуктивное сопротивление рассеяния xa пренебрежимо мало, что имеет место в случае, когда мощность нагрузки выпрямителя несоизмеримо меньше расчетной мощности силового трансформатора.