книги / Тиристорные генераторы ультразвуковой частоты

кй Частоты АПЧ (см. § 4.3) и на вход элемента Ù6. На второй вход элемента D6 поступают импульсы введения паузы, длительность которых (по уровню логической еди­ ницы) составляет 90 периодов, а частота следования — 0,01 частоты инвертирования. Форма импульсов на выходе элемента De показана на диаграмме 4 рис. 4.3. Далее им­ пульсы поступают на распределитель импульсов, выпол­ ненный на .D-триггере элемента Dj и логических элемен­ тах Dg и Da. Работа распределителя аналогична работе схемы, выполненной на элементах D3 и D4. Приходящие

нако, ослабляется индуктивностью рассеяния переходных трансформаторов Т\ и Г2, служащих для согласования выходов элементов Ds и D9 со входами транзисторов фор­ мирователя VT5 и VTQ. Диоды VD3 и VDi служат для шун­ тирования импульсов, возникающих при выключении вы­ ходных транзисторов элементов D3 и Dg, прикладываю­ щихся к эмиттер-базовым переходам транзисторов форми­ рователя импульсов в обратном направлении.

Формирователь импульсов ФИ выполнен по полумостовой схеме на транзисторах VT3 и VT3. Применение транзи­ сторов в формирователе вместо тиристоров, обычно при­ меняемых в подобных схемах, обусловлено, во-первых, лучшими частотными свойствами транзисторов, во-вто­ рых, обеспечением более высокой надежности устройства, так как в транзисторном формирователе исключен «срыв», т. е. одновременное включение обоих ключей. Кроме того, для управления одним силовым тиристором в канале тре­ буется транзистор сравнительно небольшой мощности. Вследствие этого оказалось возможным осуществлять уп­

формирования импульсов за счет перезаряда конденсато­ ров С4 и С5 обеспечивает получение импульсов с высоким значением крутизны переднего фронта. Форма импульсов— трапецеидальная, что обеспечивает стойкость тиристоров инвертора к высоким скоростям нарастания анодного то­ ка, характерным для высокочастотных схем. На диаграм­ ме 7 показана форма напряжения на транзисторе форми­ рователя, на диаграмме 8 — форма выходного импульса. На рис. 4.4 представлены осциллограммы напряжения на

Однако, кроме указанных аварийных процессов, в гене­ раторе могут возникнуть аварии, связанные лишь с не­ большим возрастанием токов и напряжений на элемен­ тах, — увеличение мощности нагрузки выше номинальной, превышение допустимого диапазона регулирования по то­ ку поляризации или частоте и т. п. В этом случае необхо­ димости в срабатывании быстродействующей защиты нет, нужно просто отключить генератор. (Кстати, это делается и после срабатывания быстродействующей защиты.) Эта система защиты срабатывает через полпериода изменения напряжения питающей сети, т. е. через 10 мс, и для нее применяется второй канал — канал отключения тиристоров выпрямительного моста.

Кроме этих двух каналов, в генераторах УАИ приме­ няются обычные автоматы отключения, которые здесь не рассматриваются.

На рис. 4.5 дана принципиальная схема быстродейству­ ющей защиты. Отключающее исполнительное устройство состоит из тиристора VD1, коммутирующего конденсатора Ci (включенного в разрыв провода от вывода положитель­ ной полярности питания инвертора), коммутирующего дросселя L2,• коммутирующего тиристора VD2 и вспомога­ тельных элементов Ri, R2, Rz,C2, VD8. Датчиком аварий-

ного состояния (ДЛС) является шунт Rm, включенный так же, как и тиристор VD1, в разрыв провода от вывода положительной полярности питания инвертора. Блок кон­

рого включена в диагональ моста, образованного резисто­ рами Re и R 7, конденсатором С4, диодом VD5, тиристором VD6 и подключенного к выпрямителю В и питаемому от трансформатора Ти Вторичная обмотка трансформатора Тг через диод VD7 подключена к управляющему электро­ ду коммутирующего тиристора VD2 исполнительного уст­ ройства. Дополнительные элементы Ct, RB, Re, VD8 игра­ ют второстепенную роль и включены для устранения по­

Принцип действия быстродействующей защиты следу­ ющий. При включении генератора подается управляющий сигнал на тиристор VD1, и он включается. Поскольку ток /ф — постоянный с небольшими пульсациями, обусловлен­ ными коммутациями в выпрямителе В и инверторе И, ти­ ристор VD1 продолжает быть открытым на протяжении всей работы инвертора в нормальном режиме независимо от того, имеется ли на нем управляющий сигнал или нет. Поэтому спустя короткий промежуток времени после вклю­ чения сигнал управления с тиристора VD1 снимается. В некоторых генераторах этот сигнал не снимается для надежности на протяжении всей работы инвертора в нор­ мальном режиме. Система аварийного отключения таких генераторов несколько сложнее описываемой в этом пара­ графе— в нее включен узел снятия сигнала управления с тиристора VD1, сам по себе очень несложный.

Контакт потенциометра Ri устанавливается так, чтобы при токе /ф , меньшем, равном или даже несколько боль­ шем номинального, напряжение на управляющем диоде оп­ трона VD4 было бы отрицательным.

Для этого нужно, чтобы напряжение URA на выходе поценциометра Ri было больше, чем напряжение на шунте Л'ш {Ujtal~IfyRui), так как управляющее напряжение опт­

рона равно — URi. В случае аварии ток /ф резко воз­ растает. Вместе с ним возрастает £/дщ и значение Цц __

—UR становится больше нуля. Оптрон включается, и от*

крывается тиристор VD6.

Напряжение URt стабилизировано, так как /?4 включен параллельно стабилитрону VD3. Поэтому работа установ­ ки отключения аварийного тока не зависит от колебаний напряжения сети. После открытия тиристора VD6 происхо­ дит разряд конденсатора С4 по контуру «конденсатор С4—

С4. Это напряжение трансформируется во вторичную об­ мотку Т2 и оказывается приложенным к переходу «управ­ ляющий электрод — катод» тиристора VD2. Последний от­ крывается. Учитывая, что все элементы БКАС срабатыва­ ют в течение микросекунд, нетрудно понять, что интервал времени от момента аварии до подачи сигнала на тирис­ тор VD2 длится менее 10 мкс. После включения тиристора VD2 начинается разряд конденсатора Ci по контуру гаше­ ния Ci—VD1—L.2—VD2. Индуктивность дросселя вы­ бирается такой, чтобы собственная частота контура гаше­ ния была на порядок больше частоты инвертора. Значение характеристического сопротивления этого контура таково, что амплитуда тока гашения гг в 2—3 раза больше любо­ го возможного аварийного тока. Следует учесть, что в мо­ мент открытия тиристора VD2 ток /ф ненамного больше того, который предусмотрен уставкой, так как он протека­ ет по дросселю Ьф, индуктивность которого на порядок

больше р/сопом инвертора.

Следовательно, относительная величина Д/ф* равна:

Величина Д**— относительное время работы БКАС:

Д*.=/к,номД*=Ю4- Ю- Ю-в= 1<Н.

Действительно, ток /ф меняется за время работы БКАС не более чем на несколько процентов.

ка управления тиристорами выпрямителя БУВ такие же, как и тиристорами инвертора, и поэтому здесь не приво­ дятся. Принцип действия схемы рис. 4.6 следующий.

При фазных входных токах генератора меньше уста­ новленного значения /у (/у«2ч -3/ном) выходное напряже­ ние потенциометра R4 меньше напряжения стабилизации стабилитрона VD1. Ток через стабилитрон ничтожно мал, так же как и напряжение на управляющем переходе тири­ стора VD2. Этот тиристор закрыт.

В том случае, когда входной ток генератора станет больше /у, ток через стабилитрон VD1 резко возрастет и тиристор VD2 открывается. Напряжение конденсатора Сг, питаемого через выпрямитель от вспомогательного транс­ форматора Т5, оказывается приложенным к первичной об­ мотке трансформатора Т4. Одна из вторичных обмоток этого трансформатора питает БУВ, который, в свою оче­ редь, снимает импульсы управления с тиристоров В.

Другая вторичная обмотка трансформатора Т4 подает сигнал на открытие тиристора VD3. Открытие этого ти­ ристора приводит к резкому повышению выходного напря­ жения выпрямителя В и благодаря этому быстрому запи­

ранию его тиристоров. Схемы на рис. 4.5 и 4.6 разработа­ ны авторами.

4.4. Методы регулирования мощности и автоматической подстройки частоты магнитострикционного преобразователя

Как уже отмечалось выше, на долю генератора ультра­ звуковых колебаний возлагается задача не только генери­ рования электромагнитных колебаний ультразвуковой ча­ стоты для питания обмотки возбуждения магнитостриктора, но и регулирования работы магнитостриктора.

Регулирование сводится к выполнению двух функций— управлению (стабилизации или программированному из­ менению) мощностью излучения акустических колебаний магнитострикционного преобразователя и автоподстройке частоты с целью поддержания механического резонанса магнитостриктора.

Необходимость стабилизации мощности ультразвука обусловлена требованиями технологических процессов. Мощность может изменяться из-за колебаний напряжения сети, изменения физического состояния среды излучения, изменения параметров инвертора вследствие нагрева, ста-

.рения и других причин.

Программированное изменение амплитуды акустиче­ ских колебаний и соответственно их мощности также обу­ словлено требованиями технологических процессов. Так, например, установлено, что при ультразвуковой сварке электрод лучше подвергать не непрерывным акустическим колебаниям, а импульсам определенной частоты и скваж­ ности.

В настоящее время разработано много методов регули­ рования мощности резонансных инверторов, питающих колебательный контур, независимо от того, чем представ­ лена индуктивность контура: индукционным нагревателем, электромагнитным подвесом или магнитостриктором.

Методы одной группы связаны с изменением парамет­ ров нагрузочного колебательного контура. К ним относят­ ся— изменение частоты тока нагрузки, изменение емкости компенсирующего конденсатора, изменение индуктивности нагрузки, изменение коэффициента связи согласующего трансформатора. При изменении частоты инвертора, как известно, происходит расстройка резонансного контура нагрузки и изменение мощности при этом в широких пре­ делах (см. рис. 3.19). Применение этого метода при магнитострикционной нагрузке крайне ограничено, так как при этом происходит расстройка и механического резонан­ са магнитостриктора, причем, поскольку добротность маг-

нитостриктора на один-два порядка вышедобротности на­ грузочного контура, незначительное изменение частоты при­ водит по существу к срыву акустических колебаний, суще­ ственно не воздействуя на расстройку нагрузочного конту­ ра. Изменение емкости батареи конденсаторов возможно только ступенями, и поэтому возможности этого метода регулирования также ограничены. Изменение индуктивно­ сти магнитостриктора возможно при изменении тока поля­ ризации. Такой метод перспективен и применяется в раз­ личных ультразвуковых комплексах. Последний метод применим лишь тогда, когда между магнитостриктором и инвертором включен трансформатор. В этом случае осуще­ ствляется подмагничивание сердечника трансформатора.

Методы второй группы основаны на изменении пара­ метров инвертора — сопротивлений L и С, угла сдвига фаз коммутации тиристоров внутри моста (для схем рис. 3.1 и 3.3) или различных мостов (для схемы рис. 3.4) и, наконец, замене диодов тиристорами.

Изменение L и С может быть реализовано, как прави­ ло, дискретно и связано с серьезными изменениями режи­ ма работы тиристоров. Поэтому его применяют редко.

Фазовый метод регулирования в свое время подвергал­ ся тщательному изучению и рассматривался как перспек­ тивный [15, 18, 35]. Однако при дальнейшем исследовании были обнаружены его серьезные недостатки, связанные, как в предыдущем случае, с нарушением режима работы тиристоров.

Последний в данной группе метод —использование яв­ ления раскачки путем запирания встречных диодов-тири­ сторов, также не может быть отнесен к числу эффектив­ ных, так как в номинальном режиме, как указывалось в гл. 3, встречные диоды снижают инвертируемую мощность всего на 10—20 %• Следовательно, запирая или отпирая их, молено менять мощность только в этих пределах, что в большинстве практических применений недостаточно.

Методы третьей группы связаны с изменением вход­ ного напрялсения инвертора. Как правило, оно осуществля­ ется путем изменения фазы открывания тиристоров вход­ ного выпрямительного моста. Существенные недостатки этого метода — резкое увеличение пульсаций напряжения U<i, низкий входной коэффициент мощности генератора и высокий уровень помех, возбуждаемых в сети. Однако при этом не требуется использование в генераторе дополни­ тельных элементов и не нарушается режим работы магни­ тостриктора и генератора.

В генераторах УАИ применяются три метода регулиро­ вания мощности — изменением подмагничивания выходно­ го трансформатора, изменением тока поляризации магнитостриктора и регулированием напряжения Ud входным мостом.

Как было показано в гл. 1, собственная резонансная ча­ стота магнитостриктора меняется с изменением акустиче­ ской нагрузки. Учитывая, что магнитостриктор—высокодоб­ ротная резонансная система, полоса пропускания которой не больше 1—2% номинальной частоты, легко заключить, что даже небольшое отклонение частоты от резонансной приводит к сильному ослаблению акустического эффекта. Поэтому очень важно обеспечить автоматическое регули­ рование магнитострикционного резонанса.

Следует отметить, что, кроме нагрузки, на изменение резонансной частоты, хотя и в значительно меньшей сте­ пени, влияют изменение температуры, старение магнито­ стрикционного материала, колебание постоянной и пере­ менной составляющих магнитного потока. Автоматический поиск резонансной частоты необходим и при настройке всего ультразвукового комплекса, т. е. согласования режи­ ма работы магнитостриктора и генератора. Рассмотрим, какие существуют методы автоматической подстройки ча­ стоты колебательной системы и возможности их примене­ ния в нашем случае. Все методы характеризуются спосо­ бом определения резонансной частоты магнитостриктора.

Все эти способы можно разбить на три группы — амп­ литудные, фазовые и частотные.

Амплитудные методы основываются на том факте, что при резонансе амплитуда напряжения обмотки возбужде­ ния магнитостриктора и потребляемая им мощность мак­ симальны, a dP/dtà и dU/d(ù равны нулю.

Производный от амплитудных методов способ связан с зависимостью от мощности нагрузки параметров инвертора (тока /ф) (этот ток прямо пропорционален мощности на­ грузки), времени открытого состояния тиристора (с ростом мощности это время, как правило, возрастает), падения на­ пряжения на L и С инвертора и т. п.

Все указанные способы экстремальные [12], что, как правило, связано с относительной сложностью реализа­ ции.

Фазовые методы связаны с измерением сдвига фаз между током нагрузки и напряжением на ней. При этом измеряется сдвиг фаз либо между током магнитострикто­ ра и напряжением на нем непосредственно, либо между