книги / Тиристорные генераторы ультразвуковой частоты

тура; и, F — собственные напряжения и МДС элементов (все величины без штриха —до преобразования, со штри­ хом — после преобразования).

Указанные преобразования позволяют обосновать экви­ валентность различных, внешне не схожих, схем инвер­ торов.

На рис. 2.4 даны варианты схем резонансных инверторов с удвоением частоты и с отсекающим диодом; разработан­ ных в разное время авторами (ссылки на соответствующие работы даны в [40]) и предназначенных для применения в высокочастотных генераторах, в том числе и ультразвуко­ вой частоты.

Докажем их идентичность, не принимая во внимание место включения нагрузки, которая может быть помещена в каждой из приведенных на рис. 2.4 схем в различных вет­ вях. Ниже будет показано, что стационарные процессы в ре­ зонансном инверторе слабо зависят от места включения его нагрузки.

При сравнении схем рис. 2.4,а и ж следует учесть, что они различаются между собой лишь участком аб. На рис. 2.5,а—з даны последовательно эквивалентно преобра­ зованные схемы с переведением ветви аб с рис. 2А,ж в ветвь аб на рис. 2.4,а.

Схема рис. 2.5,6 отличается от 2,Б,ж тем, что в ней осу­ ществлено частичное «расщепление» в той диагонали моста, в которой включен диод. Сам диод вынесен в отдельный кон­ тур и связан с остальной цепью с помощью идеального трансформатора, имеющего две одинаковые первичные об­ мотки w и одну вторичную с числом витков, равным едини­ це. Переместив конденсаторы 1/2 Сф и катушки индуктив­ ности 2LK относительно соответствующих обмоток w и за­

диода н включением нагрузки соответственно посередине обмотки коммутирую­ щего дросселя, в цепь конденсатора фильтра, в диагональ моста, образованного

коммутирующие индуктивность к емкость; Zn — сопротивление нагрузки; d — от­ секающий диод; /, 2, 3, 4 — тиристоры моста

Рис. 2.6. Эквивалентно преобразованные схемы от рис. 2.4,г к рис. 2.4,6

О или 1 в зависимости от исходной схемы. Проведенный анализ позволяет заключить, что для инверторов с отсе­ кающими диодами с оптимальными параметрами техни­ ко-экономические показатели мало зависят от варианта схемы, что подтверждается и практикой. Предложенный метод можно распространить и на другие классы тири­

токи и напряжения на каком-либо элементе эквивалент­ ного четырехполюсника с номером s можно записать в виде следующих рядов Фурье:

где ©к=2я/к — угловая частота коммутации; FmvSr Umvs — амплитуда v гармоники тока, напряжения в s элементе.

где Гк=1//к.

Нетрудно видеть, что эта мощность распадается на

Можно показать, что сумма PVs всех элементов схе­ мы— активных и пассивных — равна нулю:

где / — общее число элементов схемы.

Аналогично равна нулю и сумма реактивных мощно­ стей отдельных гармоник

сти мощностей отдельных гармоник тока и напряжения друг от друга.

Из (2.28), в частности, следует, что мощности v-й гар­ моники одних элементов больше нуля, а других — меньше

ные на одной гармонике элементы обязательно должны быть пассивны на другой. Поскольку схема питается от источника постоянного напряжения Ud, т. е. на нулевой гармонике, ясно, что какими-то пассивными элементами схемы она преобразуется в энергию v-й гармоники.

Установим, какие это элементы. Путем простой про­ верки можно установить, что линейные элементы схемы — активные и реактивные — не принимают участия в этом преобразовании.

Например, Pv« для индуктивной катушки и конденсато­ ра равна

Pvs— UvsP\s COS (я/2)—0,

для резистора

Pvs==Fvs^Ps^>0.

Как видим, и реактивные и резистивные линейные.эле­ менты являются v-пассивными при любом V.

Известно, что нелинейные реактивные элементы, в пер­ вую очередь ферромагнитные, позволяют преобразовать энергию одной гармоники в энергию другой, за исключе­ нием нулевой гармоники [50]. Действительно, напряже­ ние на ферромагнитных элементах не содержит нулевой гармоники (Uos—0), следовательно,

с которым включены эквивалентные элементы, учитываю­ щие проводимости утечки закрытого состояния и активные потери открытого состояния. Поскольку, как установлено выше, резисторы никакого участия в преобразовании энергии колебаний одной частоты в другую не принима­ ют, ниже рассматривается сам ключ. Мгновенная, а сле­ довательно, и средняя за период мощность, выделяющая­ ся на ключе, равна нулю, так как произведение UsFs= 0 в открытом и в закрытом состоянии. Средняя за период мощность нулевой гармоники Pos<0, так как

V = 1

Как видим, диод является 0-активным элементом, т. е. потребляет энергию высших гармоник, а генерирует энер­ гию нулевой гармоники, т. е. преобразует только энергию переменного тока в энергию постоянного.

Следовательно, и диод не принимает участия в преоб­ разовании энергии источника постоянного тока в энергию переменного тока.

Остается только тиристор. Представив его, как и диод, идеальным ключом, находим, что для него справедливы равенства (2.33), только Pos может быть больше нуля, если

t/()s>0.

Это неравенство можно получить лишь тогда, когда напряжение на закрытом тиристоре преимущественно по­ ложительное. Проведенный в этом параграфе анализ по­ зволяет более точно определить роль каждого элемента инвертора безотносительно к его конкретной схеме, а так­ же установить оптимальный режим его работы. Целесо­ образно проделать это поэтапно. Сначала выяснить, по­ чему нельзя выполнить инвертор только на одних тири­ сторах, без каких-либо других устройств. Попутно рас­ считать максимально возможную для конкретных типов тиристоров мощность преобразования P o s = |^ >< е\ по (2.33)» Далее определить роль реактивных элементов и их мини­ мальную расчетную (габаритную) мощность [5]. На тре­ тьем этапе выясняется целесообразность применения дио­ дов, которые, как было отмечено выше, перегружают ти­ ристоры, возвращая часть генерируемой ими энергии пе­ ременного тока в источник питания. На четвертом этапе будет выбрана трансформаторно-расщепленная схема ин­ вертора, которая соответствует максимальной мощности преобразования тиристоров, минимальным расчетным мощ­ ностям реактивных элементов и минимальной обратной, мощности преобразования диодов. Выбранная схема ляжет в основу выбора конкретных схем тиристорных автоном.- ных инверторов для ультразвуковых генераторов.

2.4. Экстремальные режимы инвертирования:

Согласно (2.33) наилучшее использование тиристоров в режиме инвертирования соответствует максимуму мощности преобразования Pas, т. е. максимуму произведения средних за период значений тока Fos и напряжения Uos тиристора. Целесообразно нахождение этого ре­ жима совместить с решением еще одного вопроса, который также играет существенную роль в выборе вида генератора, — определения вида нелинейного элемента, который наряду с тиристором мог бы осу­ ществлять преобразование энергии постоянного тока в энергию пере­ менного. Известно, что в качестве таких элементов, помимо тиристоров, применяют транзисторы, тиратроны, генераторные лампы, герконы, экси­ троны и т. п. (см. список литературы в [51]). Вместо того, чтобы сравнивать их между собой и искать наилучший режим работы каж­ дого, попробуем установить основные свойства и признаки, а также оптимальный режим работы некоторого идеального прибора с мини­ мальным числом ограничительных параметров и поэтому осуществляю­ щего наилучшим образом инвертирование. Назовем его условно «инвистором». После того, как характеристики этого прибора будут уста­ новлены, останется найти режим работы тиристора, наиболее близкий

коптимальному режиму инвистора. То же можно было бы проделать

идля других перечисленных выше приборов. Однако это выходит за рамки данной книги.

Совершенно очевидно, что инвистор должен обладать следующими отличительными признаками:

1.У инвистора должна быть периодически изменяющаяся зависимость между током и напряжением. Эта периодичность характеризуется частотой f и является либо результатом сигналов, периодически пода­ ваемых посторонним, не входящим в схему инвертора, управляющим устройством, либо результатом внутренних процессов генерирования, не связанных прямо с процессами в инверторе. Мощность сигналов управ­ ления, приводящих к периодическому характеру работы инвистора (или

процессов генерирования в нем), пренебрежимо мала по сравнению

смощностью инвертирования.

2.Потери мощности в инвисторе должны быть минимальны по

сравнению с P Qs. Будем считать их равными нулю при анализе основ­ ных электромагнитных процессов и учитывать только как фактор, ли­ митирующий его тепловой режим. Поскольку тип инвистора не опреде­ лен, следует допустить, что мгновенное значение напряжения на нем th

Первый ограничительный признак накладывает требование неоднознач­ ности на зависимость (2.34). Строго говоря, напряжение us зависит не только от заряда qs, его первой и второй производной,, но и от сигна­ ла управления. Для слагаемых uL и ис эта неоднозначность не связана