книги / Тиристорные генераторы ультразвуковой частоты

Во время стадии 3 токи и напряжения на катушках индуктивности равны нулю, напряжение на конденсаторе равно иске*, а на тиристорах соответственно

в том, что указанная схема для тиристоров ТЧ-125 деся­ того класса на частоте коммутации 10000 Гц соответст­ вует fH= 3 3 мкс; U = 17 мкс; U d = 350 В; LK= 3,7-Ю-5 Гн;

вертор рис. 2.14,а обладает рядом недостатков, из-за ко­ торых он неприемлем в схеме ультразвукового генера­ тора:

1. Ток источника пульсирует с большой амплитудой и частотой в 2 раза больше частоты коммутации тири­ сторов /к.

Такая пульсация недопустима, так как в обычных ге­ нераторах в качестве источника используется трехфазный выпрямительный мост, режим работы которого существен­ но усложняется при паузах выпрямленного тока. Пульса­

(2.87) и (2.86), значительно возрастают ток и напряже­

10000 Гц мощность преобразования всего 6 кВт, в то вре­ мя как у того же тиристора на частоте 1 кГц мощность составляет около 80 кВт. Указанные причины обуслови­ ли усложнение схемы инвертора и включение дополнитель­ ных элементов. При этом произошло дальнейшее сниже­ ние эффективности использования тиристоров и реактив­ ных элементов на частоте коммутации. Приведенные в § 2.4—2.6 рассуждения позволяют достаточно критично отнестись к разработке и выбору усложненных схем уль-

тразвуковых генераторов, так как благодаря проведен­ ным исследованиям создана надежная база для оценки эффективности последних.

2.7. Обобщенная схема ультразвукового резонансного инвертора

Для устранения первого из указанных выше недостат­ ков квазиэкстремального инвертора на его входе вклю­ чают дроссель с индуктивностью Ьф и конденсатор с ем­ костью Сф [2, 3, 8, 11, 20, 23, 24, 26, 29, 34, 35] по схеме Г-образного фильтра. Значения Ьф и Сф выбирают на один-два порядка больше 1 К и Ск, чтобы свести пульса­ цию тока на входе к минимуму. Расчетные значения этих элементов также существенно больше, чем Ьк и Ск. Вслед­ ствие этого фильтр по массогабаритным, стоимостным и энергетическим затратам занимает 50 % соответствующих значений для ультразвукового генератора. В зависимости от выбора схемы инвертора возрастает относительная роль Ьф или Сф. Забегая вперед, отметим, что хотя в полумостовом инверторе (схема рис. 3.3) нет емкости Сф, расчетные мощности Q ^i и С?1,ф2 на единицу выходной мощности значительно больше, чем для схем рис. 3.1 и 3.4. Указанное обстоятельство может сыграть определен­ ную роль при выборе схемы инвертора для ультразвуко­ вого генератора, так как серийно выпускаемых силовых дросселей и конденсаторов на частоты 20 кГц и выше по­ ка нет.

В § 2.6 на примере схемы квазиэкстремального инвер­ тора было проиллюстрировано явление «раскачки». Более общее обоснование этого явления можно произвести, учи­ тывая, что в любом инверторе тиристор «работает» в таком режиме, что мощность преобразования отлична от нуля. Этот режим в явном виде от активного сопротивления на­ грузки не зависит. Следовательно, происходит непрерыв­ ная раскачка схемы — накопление энергии колебаний пе­ ременного тока, которая при отсутствии активного сопро­ тивления никуда не расходуется. Такое накопление связано с неограниченным ростом напряжений и токов этих эле­ ментов и, следовательно, тиристоров. Для того, чтобы ограничить раскачку, используют свойство диодов преоб­ разовывать энергию переменного тока в энергию посто­ янного также независимо от наличия резистивных элемен­

Диоды должны быть включены симметрично относи­ тельно тиристоров, чтобы не нарушать симметрию их ра­ боты. На рис. 2.15,а и б показаны два варианта включе­ ния диодов в цепь резонансного инвертора рис. 2.14.

(рис. 2.16,а), к которой можно путем эквивалентных пре­ образований соответственно § 2.2 свести любую извест­ ную схему автономного инвертора. Источник постоянного напряжения Ua входит в любой контур с некоторым ко­ эффициентом (по аналогии с другими элемента­ ми обозначенным wsp, который может принимать значе­ ние 0 либо 1).

Матрица инциденции обобщенной схемы может быть

где

10000

01000

но-расщепленную схему, эквивалентную любой известной. Так, приняв равными нулю числа витков wsl, ws2, ws4, W6P (s=6-r-9, p = 1, 2, 4), получим схему квазиэкстремального резонансного инвертора — рис. 2.14.

Варьируя значения L, С, R, wsp в схеме рис. 2.16,а, можно с помощью математической модели установить та­ кое их сочетание, при котором отношения расчетных мощ­ ностей элементов к мощности нагрузки будут минималь­ ными. Ясно, что такие сочетания будут различны. Они зави­ сят главным образом от диапазона изменения варьируемых параметров схемы и параметров используемых тиристоров.

Применение диодов не только приводит к стабильно­ сти режимов работы основных элементов инвертора, но и позволяет увеличить мощность преобразования тири­ сторов по сравнению с полученной в предыдущем пара­ графе.^ Это увеличение намного превышает снижение вы­

ходной мощности из-за паразитного эффекта выпрямле­ ния.

Дело в том, что при наличии диодов, включенных па­ раллельно тиристорам, последовательно с этой парой мож­ но включить насыщающийся дроссель [54], который огра­ ничивает ток тиристора в интервале включения, т. е. при Осг'Сг'вк. Наличие диода обеспечивает размагничивание сердечника дросселя и подготовку его к следующему включению тиристора.

При наличии дросселя процесс синусоидального на­ растания тока наступает спустя At0 после подачи сигнала

где — потокосцепление, при котором происходит насы­ щение дросселя.

За время àt0 напряжение на тиристоре снизится до 1см. (2.66)].

Далее мощность потерь ДРвк определяется по той же формуле (2.79), только вместо Uapmax в ней должна сто­ ять гораздо меньшая величина usо.

Из (2.79) и (2.74) с учетом (2.92) следует

чения А, т. е. от параметра, характеризующего АРп.вк, а зависит только от времени ДГ», значение которого при включении дроссселя несколько уменьшается:

[2—2/к(^в-}-Д^о+0,5£к*£э)]/[1—/к(^в+^и*^э)] раз.

уменьшению значения А еще и потому, что снижаются потери при выключении — см. (2.73), поскольку UB при встречных диодах мало, то ими вообще можно пренебречь.

Из сказанного следует, что при частотах коммутации, превышающих 10 кГц, встречные диоды позволяют уве­ личить мощность инвертирования тиристоров в 1,5 и бо­ лее раз, что в достаточной степени компенсирует пара­ зитный процесс возврата инвертируемой мощности об­ ратно в сеть диодами.

рис. 2.16,6 и в. Там же даны основные соотношения для выбора наилучших параметров тиристоров, диодов, дрос­ селей и конденсаторов этих инверторов.

В соответствии с этим в УАИ были выделены три схе­ мы инверторов, применение которых в ультразвуковых ге­ нераторах наиболее целесообразно. Эти схемы условно названы одномостовой, полумостовой и двухмостовой. Це­ лесообразность выбора той или иной схемы определяется следующими конкретными условиями их применения.

Одномостовая схема позволяет наилучшим образом ис­ пользовать на частоте 20—25 кГц тиристоры и реактив­ ные элементы, но может работать лишь при одном мощ­ ном магнитострикторе (мощность — несколько десятков киловатт). В схеме применяются тиристоры серии ТЧ.

Полумостовая схема также рассчитана на питание од­ ного магнитостриктора, но значительно меньшей мощно­ сти (до 2—3 кВт). В этой схеме гораздо хуже использу­ ются тиристоры, однако при малых мощностях это не так важно.

Двухмостовая схема предназначена для питания на­ грузки, состоящей из нескольких магнитострикторов с суммарной мощностью в несколько десятков киловатт. Большой запас по времени восстановления и другим ди­ намическим параметрам тиристора позволяет варьировать частоту коммутации тиристоров в широких пределах с целью фиксации резонанса каждого магнитостриктора. В этом инверторе применяются тиристоры серий ТЧ или ТБ.

На рис. 3.1—3.4 показаны схемы, последовательно пре­ образованные из универсальной в одномостовой, полумо­ стовой и двухмостовой инвертор. Схема рис. 3.1,а полу­ чена из рис. 2.16,а путем следующего выбора чисел вит­ ков wsp:

W7l=W81 = Wi2—W93=Wÿ4—Wg5= 0 ;

wel=w $2=w e3=W64z=W65——щ 2= —w73~ =W 74=W 7S= —W8S= —WS3;=W84=nD85=Wgl= î.

При таком подборе чисел витков можно получить уд­ воение частоты тока в нагрузке по сравнению с «частотой коммутации тиристоров 3 и 5 (рис. 3.1), не прибегая к сложению токов или напряжений методами, соответст­ вующими рис. 2.16,б и в. Впрочем, можно рассматривать