Коммутация тока в индуктивных цепях

Отключаемые катушки индуктивности представляют собой чаще всего встречающиеся источники переходных помех в про­мышленных установках или в аппаратуре управления. Примером являются бесчисленные релейные катушки и катушки контакто­ров в устройствах автоматического управления и исполнитель­ных органов, (например, приводы электромагнитных клапанов), а также все обмотки электрических машин и трансформаторов. При отключении возникают высокие переходные перенапряже­ния, которые могут приводить к повторному включению комму­тируемого участка, к пробою изоляции катушки, а также к элек­тромагнитным влияниям на соседние компоненты и коммутиру­емые цепи. Механизм возникновения помех всегда один и тот же, однако следует различать выключение и включение конту­ров тока с индуктивной нагрузкой. При отключении индуктив­ной цепи с током расходящиеся контакты вызывают изменение тока - di/dt. С этим связано изменение потока —dФ/dt, которое в результате самоиндукции индуктирует напряжение в цепи тока. Это напряжение в основном приложено к размыкающимся кон­тактам и поддерживает коммутационную дугу. В цепях перемен­ного тока дуга гаснет незадолго до прохождения тока через ноль и вновь не зажигается, если электрическая прочность контакт­ного промежутка возрастает быстрее, чем напряжение между контактами. В цепях постоянного тока ток обрывается только тогда, когда контакты настолько удалены друг от друга, что необходимое напряжение горения дуги превышает фактически имеющееся напряжение.

Наибольшее влияние возникает в результате обрыва тока, когда распад дуги и быстрое нарастание напряжения на проме­жутке при разведенных контактах заставляет ток падать до нуля с большой крутизной di/dt. Возникающие в результате этого ЭДС самоиндукции достигают даже у контактов низкого напря­жения нескольких киловольт. Использование этого явления име­ет место в автомобильных устройствах зажигания с прерывателя­ми, в классических искровых индукторах, а также в индуктивных накопителях энергии, используемых в мощной им­пульсной электроэнергетике.

При включении индуктивных цепей протекают аналогичные процессы. Как только контакты сблизились на определенное расстояние, может произойти пробой газового промежутка, а затем при вибрации контактов многократно повторяется, хотя с меньшими амплитудами, описанное выше явление, которое имеет место при отключении цепи.

Важно понимать, что создает помехи не искра как таковая, как иногда неверно интерпретируется, а ее исчезновение (обрыв тока) или ее возникновение (электрический пробой с гашением дуги или повторными зажиганиями). Чрезвычайно короткое вре­мя, необходимое для образования пробоя между контактами и для гашения дуги, объясняет высокие наблюдаемые крутые фрон­ты изменения тока. У полупроводниковых выключателей в силь­ноточной электронике крутизна, как правило, меньше, однако появление высоких напряжений происходит качественно таким же образом. Уровень действующих напряжений устанавливается в зависимости от паразитной емкости катушки (рис.2.7).

Магнитная энергия, накопленная в индуктивности L к началу процесса отключения, рассчитывается по формуле

Рис. 2.7. К приближенному опреде­ленно максимального значения на­пряжения самоиндукции с учетом емкости катушки индуктивности

При разомкнутом выключателе ток катушки может замы­каться только через емкость обмотки С_пар, причем первоначаль­но накопленная энергия переходит из индуктивности в емкость и обратно. Если рассмотреть момент, в который вся энергия как раз находится в емкостном накопителе, то, пренебрегая потеря­ми, получим максимально возможное значение напряжения из формулы:

.

Само собой разумеется, при этом речь идет только о прибли­зительной оценке, которая, однако, является достаточно надеж­ной. На практике максимально достижимое перенапряжение от­ключения существенно зависит от гасящих свойств выключателя (коммутационная среда, газ или вакуум, наличие нескольких пос­ледовательно включенных контактов и т. д.). Чем больше требу­емое напряжение горения, тем раньше обрывается ток и тем боль­ше скорость изменения тока di/dt. Перенапряжения в коммути­руемых индуктивных цепях являются наиболее частыми причи­нами помех в электронных устройствах управления.