2.1.6 Процесс коммутации в схеме управляемого выпрямителя

В выпрямителях средней и большой мощности характер электромагнитных процессов определяется повышенным значением индуктивности рассеяния трансформатора. Это обусловлено ухудшением магнитной связи меж

Рис. 2.13. К расчету индуктивности рассеяния обмотки

ду обмотками трансформатора, когда часть магнитного потока замыкается по воздуху. Эту часть магнитного потока называют потоком рассеяния. На эквивалентной схеме обмотки трансформатора паразитная индуктивность рассеяния включена последовательно с собственной индуктивностью обмотки . Ток , протекающий через обмотку с индуктивностью , создает намагничивание магнитопровода трансформатора. Величина индуктивности рассеяния определяется геометрическими размерами магнитопровода и конфигурацией расположенной на нем обмотки (рис. 2.13).

Индуктивность (в Гн) можно оценить по приближенной формуле [14]:

, (2.18)

где – магнитная постоянная; – длина средней линии, м; – высота намотки, м;  – диаметр провода, м;  – число витков обмотки.

Из анализа выражения (2.18) следует, что индуктивность определяется, главным образом, размерами магнитопровода трансформатора, от которого зависит высота намотки , а также удалением обмотки от магнитопровода, которое для однослойной обмотки определяется диаметром провода . Многовитковая обмотка имеет повышенную индуктивность .

Увеличение индуктивности сказывается на процесс перехода тока нагрузки с одного тиристора выпрямителя на другой (процесс коммутации). В ранее рассмотренных схемах выпрямителей (рис. 1.1, 1.10, 2.1, 2.11) коммутация не учитывалась и считалось, что процесс переключения вентилей происходит мгновенно. В мощных выпрямителях, таких, как выпрямительно-инвертоный преобразователь электровоза, процесс коммутации занимает значительную часть рабочего полупериода и оказывает существенное влияние на энергетические показатели преобразователя.

Суммарная индуктивность , приведенная к вторичной обмотке трансформатора, определяется из соотношения

, (2.19)

где – индуктивности рассеяния первичной и вторичной обмотки трансформатора соответственно; – индуктивность питающей сети.

И

Рис. 2.14. Схема однофазного выпрямителя с учетом индуктивности рассеяния

з (2.19) следует, что параметры первичной стороны трансформатора приводятся к его вто­ричной обмотке через квадрат значения коэффициента трансформатора .

Процесс коммутации рассмотрим на примере выпрямителя с нулевым выводом, работающим на активно-индуктивную нагрузку с (рис. 2.14).

Временные диаграммы, поясняю­щие процесс коммутации в выпрямителе, показаны на рис. 2.15, а–д.

Влияние индуктивности проявляется в затягивании процесса перехода тока нагрузки с одного тиристора выпрямителя на другой. Продолжительность этого процесса определяет угол коммутации . Определим продолжительность процесса коммутации и закон изменения токов, протекающих через коммутируемые тиристоры.

В первом полупериоде сетевого напряжения (полярность напряжения на обмотках трансформатора показана без скобок) на интервале ток нагруз­ки протекает через тиристор . На -нагрузку через открытый  поступает напряжение трансформатора отрицательной полярности, которое определяет на этом интервале форму напряжения (рис. 2.15, б).

В момент времени на управляющий электрод тиристора поступает отпирающий импульс управления, при положительном напряжении  на его аноде он переходит в открытое состояние. После этого в проводящем состоянии оказываются оба тиристора выпрямителя, образующие короткозамкнутый контур тока коммутации (рис. 2.14). Поскольку сопротивления тиристоров в открытом состоянии равны нулю, ток в контуре коммутации, протекающий под действием суммарного напряжения обмоток трансформатора: , ограничен только индуктивным его сопротивлением: и . Процесс коммутации удобно рассматривать как результат появления тока коммутации , который совпадает с прямым направлением тока тиристора и направлен встречно току , протекающему через тиристор . Выражения для токов, протекающих через тиристоры и в процессе коммутации, можно записать в общем виде:

; . (2.20)

Рис. 2.15. Диаграммы работы управляемого выпрямителя с учетом коммутации

Коммутация тока  заканчивается при уменьшении тока до нуля, протекающего через тиристор , при этом ток вступающего в работу тиристора  достигает значения тока нагрузки , характер изменения токов тиристоров показан на рис. 2.15, г.

Во время коммутации оба тиристора выпрямителя находятся в проводящем состоянии, поэтому напряжение на нагрузке определяется суммарным напряжением полуобмоток трансформатора . Поскольку относительно нулевого вывода трансформатора , то напряжение  (рис. 2.15, б).

Таким образом, кривая напряжения отличается от ранее рассмотренных схем выпрямителя тем, что на интервале коммутации  в цепь нагрузки напряжение отсутствует. Вследствие этого уменьшается среднее значение выпрямленного напряжения по сравнению со случаем мгновенной коммутации с . Процесс коммутации на последующих интервалах работы выпрямителя протекает аналогично рассмотренным.

Представим в общем виде среднее значение напряжения выпрямителя :

. (2.21)

Первое слагаемое формулы соответствует значению при мгновенной коммутации (2.4), вторая составляющая выражения (2.21) показывает величину снижения выпрямленного напряжения, вызванного процессом коммутации. Значение второй составляющей напряжения можно определить как среднее за период  значение заштрихованных (рис. 2.15, б) участков выпрямленного напряжения , отсутствие которых снижает среднее значение напряжения . Расчет произведем по формуле:

. (2.22)

Значение выражения в квадратных скобках можно определить при более де­тальном рассмотрении процессов коммутации, которые изображены на рис. 2.16.

Т

Рис. 2.16. Процесс коммутации тока

ок коммутации можно представить в виде суммы свободной и принужденной составляющих:

. (2.23)

В связи с тем, что индуктивность рассеяния трансформатора имеет индуктивный характер, принужденная составляющая тока отстает на от напряжения вторичной обмотки трансформатора. Принимаем за начало отсчета момент начала коммутации (рис. 2.16), в этом случае определим по формуле:

, (2.24)

где – суммарное индуктивное сопротивление, приведенное к вторичной обмотке трансформатора.

Свободная составляющая тока в общем виде может быть представлена как

, (2.25)

где А – постоянная составляющая тока; – постоянная времени контура коммутации.

При малом значении омического сопротивления в контуре коммутации величина постоянной времени , поэтому из (2.25) следует:

. (2.26)

Подставив значения (2.24) и (2.25) в формулу (2.23), получим

. (2.27)

Значение постоянной составляющей А в последнем уравнении найдем из начальных условий: в момент начала коммутации (рис. 2.16) ток коммутации . С учетом этих обстоятельств из (2.27) получаем искомое выражение для постоянной составляющей А:

. (2.28)

С учетом последнего выражения уравнение (2.27) принимает вид

. (2.29)

В конце интервала коммутации текущее значение времени , а ток короткого замыкания достигает величины тока нагрузки , т. е. . С учетом этих обстоятельств выражение (2.29) принимает вид

. (2.30)

Подставив выражение (2.30) в формулу (2.22) для расчета , получим:

. (2.31)

С учетом (2.31) формула (2.21) для расчета среднего значения напряжения принимает вид

. (2.32)

Из выражения (2.32) следует, что среднее значение выпрямленного напряжения при фиксированном значении угла регулирования  зависит как от суммарного реактивного сопротивления , приведенного к вторичной обмотке трансформатора, так и от тока нагрузки . Зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки при постоянном значении угла регулирования  показывают на внешней характеристике управляемого выпрямителя. На рис. 2.17 показано семейство внешних характеристик выпрямителя, где – ток нагрузки в номинальном режиме работы.

Рис. 2.17. Внешние характеристики выпрямителя

Рис. 2.18. Процесс коммутации

Характеристики (рис. 2.17) имеют вид параллельных прямых, наклон которых определяется коммутационными потерями напряжения . Положение характеристик определяется углом регулирования . Увеличение , в соответствии с (2.32), приводит к снижению , а следовательно, и первой составляющей выражения (2.21) выпрямленного напряжения.

Диаграммы напряжения и токов (рис. 2.18) иллюстрируют причину уменьшения среднего значения напряжения с ростом тока нагрузки . В качестве примера показан процесс коммутации при двух значениях тока нагрузки и (рис. 2.17). Геометрические построения на рисунке выполнены с учетом того обстоятельства, что ток коммутации не зависит от тока нагрузки , поэтому на рисунке приведена только одна кривая тока .

Известно, что момент окончания коммутации  определяется при достижении током величины тока нагрузки . При продолжительность коммутации составляет , на этом интервале напряжение становится равным нулю, что уменьшает его среднее значение на . Во втором случае при ток коммутации достигает значения тока нагрузки за время коммутации . Увеличение продолжительности коммутации приводит к тому, что на бо́льшем интервале времени напряжение нагрузки равно нулю. Это приводит к ещё бо́льшему снижению среднего значения выпрямленного напряжения .

Таким образом, увеличение тока нагрузки сопровождается увеличением коммутационных потерь напряжения , а следовательно, и снижением уровня напряжения . Чем выше коммутационные потери напряжения, тем бо́льший наклон имеют линии на внешней характеристике управляемого выпрямителя.

Кривые тока и напряжения первичной обмотки выпрямителя были представлены ранее (рис. 2.15, а). Ток отстает от напряжения на угол . Поскольку ток на интервале коммутации имеет нелинейный характер, то в первом приближении значение фазового угла сдвига можно рассчитать по формуле

. (2.33)

Таким образом, по сравнению со схемой управляемого выпрямителя, где коммутация происходит мгновенно, а фазовый угол , коммутация тока за время  приводит к дополнительному увеличению отставания тока от напряжения на угол . Это вызывает уменьшение значения , а следовательно, в соответствии с (1.20), и ухудшение коэффициента мощности выпрямителя.

Выводы

1. Применение на электровозах плавного регулирования напряжения (ВЛ65, ВЛ85, ЭП1) требует принятия специальных мер для улучшения коэффициента мощности.

2. Продолжительность процесса коммутации и связанные с ней коммутационные потери напряжения в управляемом выпрямителе определяются индуктивностью рассеяния трансформатора выпрямителя.