Коммутационные процессы в выпрямителях.

Как отмечалось выше, в выпрямителях средней и большой мощности возрастает влияние ЭДС, создаваемых в первичной и вторичной обмотках трансформатора их магнитными потоками рассеяния. Это обуславливается, во-первых, относительным увеличением самих индуктивностей рассеяния из-за ухудшения магнитной связи между обмотками для трансформаторов большой мощности и, во-вторых уменьшением активных сопротивлений в схеме (обмотки трансформатора и монтаж выполняются проводом большого сечения). Это сказывается на процессе коммутации в вентилях. В отличие от маломощных, где коммутация происходит практически мгновенно в выпрямителях средней и большой мощности интервал коммутации, характеризуемый углом g, может занимать довольно значительную часть длительности рабочих процессов. Влияние индуктивностей рассеяния первичной (сетевой) Х_ТС и вторичной (вентильной) Х_TV обмоток трансформатора, а также индуктивного сопротивления питающей сети Хс на коммутационные процессы компенсируют приведением указанных сопротивлений к вентильной обмотке трансформатора. Наличие коммутационных процессов приводит к следующим отрицательным последствиям:

- снижению выпрямленного напряжения с ростом тока нагрузки;

- увеличению пульсаций выпрямленного напряжения;

- увеличению реактивной мощности, потребляемой преобразователем от сети.

Наряду с перечисленными выше отрицательными факторами рассмотренные индуктивности оказывают и  положительное влияние, так как ограничивают ток короткого замыкания, а точнее скорость нарастания тока через вентиль, уменьшают содержание высших гармоник в потребляемом от сети токе. Следует добавить, что высшие гармоники потребляемого тока, протекая по индуктивному сопротивлению сети вызывают искажение кривой напряжения сети.

 

Рис. 3.19. Схема двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом с учетом паразитных индуктивностей

 

Процесс коммутации рассмотрим на примере двухполупериодной нулевой схемы (рис.3.19).Значение индуктивностей Х_С , Х_ТС , Х_TV , приведенных к вентильной обмотке, заменим эквивалентной индуктивностью Х_Э , равной Х_С + Х_ТС + Х_TV. Необходимо иметь в виду, что при a = 0 все полученные далее соотношения действительны и для неуправляемого выпрямителя. Нагрузка принимается активно-индуктивной с L_d ® .

Временные диаграммы, поясняющие влияние коммутационных процессов в схеме выпрямления, приведены на рис. 3.20. При подаче отпирающего импульса на очередной вентиль по истечении интервала a, индуктивные сопротивления Х_Э1 и Х_Э2, затягивают процесс уменьшения до нуля тока открытого вентиля и нарастание тока вентиля, вступающего в работу. В результате коммутации g в проводящем состоянии одновременно находятся оба вентиля (V1 и V2) выпрямителя. Вследствие этого создается короткозамкнутый контур для последовательно соединенных вторичных обмоток трансформатора с суммарным напряжением 2u₂ и сопротивлением Х_Э1 + Х_Э2. При условии Х_Э1 = Х_Э2 к каждому из этих сопротивлений прикладывается напряжение u₂.

Напряжение u₂ на интервале g определяется выражением:

                                    

                                  u_d = (u₂₁ + u₂₂ ) /2                                                       (3.38)

 

поскольку относительно нулевого вывода обмотки u₂₁ = -u₂₂ на интервале коммутации u_d = 0. Вследствие этого при вычислении U_d заштрихованные площади на рис. 3.20,а из расчета выпадают. Для U_d действительно соотношение:

                                    U_d = U_{di 0} ·cos a -U_{d g},                                                  (3.39)

 

где U_{d g} –усредненное коммутационное снижение напряжения за период.

Величина U_{d g} определяется из выражения:

        U_{d g} =  =                (3.40)

Определим значение cos a – cos(a - g).

В момент отпирания вентиля V1 начинается интервал совместной проводимости обоих вентилей. Постепенное уменьшение до нуля тока вентиля V2 и возрастание до значения I_d тока вентиля V1 (рис.3.20,в) осуществляется под воздействием тока коммутации i_k      (рис. 3.19, 3.20, г), протекающего в короткозамкнутом контуре, образованном этими вентилями. Ток коммутации при этом можно представить в виде принужденной i_{k пр} и свободной i_{k св}, составляющих:

                                                 i_k = i_{k пр} + i_kсв                                                    (3.41)

 

Принужденная составляющая обусловлена суммарным напряжением контура коммутации 2u₂ и его сопротивлением 2Х_Э. Поскольку сопротивление контура чисто индуктивное, ток i_{k пр} отстает по фазе от напряжения 2u₂ на угол p/2:

                         i_{k пр} =  sin(u + a – p /2).=  cos(u+ a)                   (3.42)

В последнем выражении за начало отсчета времени принята точка u = a..

Свободная составляющая:

                                        i_{k св} = A · e^{- u / w t},

где А – постоянная; t = 2L_Э/R – постоянная времени контура коммутации.

Практически по сравнению с L, значение R очень мало, в связи с чем t® .

Тогда   

                                                   i_{k св} = A                                                         (3.43)

С учетом (3.41) будем иметь

                                       i_k = -  cos(u + a )+A.                                         (3.44)

Постоянную А находим из начальных условий коммутации u =0, i_k = 0:

                                           A = i_{k св} =  cos a                                         (3.45)

Таким образом,

                                        i_{k св} =  [cos a - cos(u + a)]                               (3.46)

 

                                                Рис. 3.20.Временные диаграммы-схемы рис. 3.19

 

Кривая тока i_k определяет закон изменения на этапе коммутации анодного тока вентиля V1, а разность (I_d – i_k ) – изменение анодного тока вентиля V2. Интервал коммутации g заканчивается при достижении током i_V1 величины I_d. Подстановка в (3.46) u = g и i_k = I_d дает

                                             cos a - cos(a + g) =                                   (3.47)

В этом случае среднее значение напряжения управляемого выпрямителя с учетом коммутации:

                                           U_{d a}  = U_{di 0} · cos a -                                   (3.48)

Рис. 3.21. Внешние характеристики управляемого выпрямителя при разных углах управления a

 

Внешние характеристики управляемого выпрямителя согласно (3.48) для различных значений угла управления а представляются семейством параллельных прямых (рис. 3.21).

Наклон характеристик зависит от сопротивления Х_Э. Уменьшение напряжения на нагрузке U_d с ростом I_d объясняется увеличением коммутационного падения напряжения U_{d g} вследствие возрастания угла коммутации g. Коммутационные процессы приводят к возрастанию фазового сдвига потребляемого тока относительно напряжения питания. Фазовый сдвиг первой гармоники тока i₁₍₁₎ увеличивается практически на угол g /2 и для управляемого выпрямителя составляет:

                                                  j » a + g /2.                                                   (3.49)

 

Коммутационные процессы в мостовом выпрямителе подобны процессам в нулевой схеме. Особенность заключается в том, что на этапе коммутации в проводящем состоянии находятся одновременно все четыре вентиля. В связи с этим выражение (3.47) примет вид:

                                          cos a - cos(a + g) =2                                    (3.50)

Уравнение внешних характеристик определяется выражением

                                         U_{d a}  = U_{di 0} ·cos a - 2                                     (3.51)

Однако, необходимо иметь в виду, что в мостовой схеме увеличение значения функции (3.50) вдвое компенсируется уменьшением значения Хэ за счет лучшей магнитной связи вторичной  обмотки с первичной, т.е. уменьшения их индуктивностей рассеяния. В результате при одной и той же мощности выпрямителя внешние характеристики у обеих схем получаются практически одинаковыми.

Кривая напряжения на вентилях в мостовой схеме с учетом вдвое меньшего значения напряжения имеет тот же вид, что и в нулевой.

 

 

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться: