В рассмотренных схемах многоячейковых генераторов повышенной частоты, не представляется возможным обеспечить стабильный режим работы при значительном изменении нагрузки или генерируемой частоты.
Это объясняется в первую очередь значительным изменением анодного напряжения и тока тиристоров.
С целью стабилизации режимов работы многоячейковых генераторов с обратными диодами при уменьшении сопротивления нагрузки и изменении генерируемой частоты может быть использована схема, в которой к коммутирующим дросселям через трансформаторы подключены обратные диоды.
 |
Эта схема изображена на рис. 5-20. Она отличается от обычных схем генераторов тем, что разрядные дроссели выполнены в виде трансформаторов Tp11—Tp1n и Тр21—Тр2n, последовательно со вторичными обмотками которых включены обратные диоды Д11—Д1n и Д21—Д2n, соединенные с положительным полюсом источника питания E0. |
Рис. 5-20. Схема многоячейкового генератора с обратными диодами
При номинальном сопротивлении нагрузки диоды заперты напряжением источника питания, а при уменьшении этого сопротивления напряжение на разрядных дросселях возрастает и диоды отпираются, возвращая избыточную реактивную энергию из разрядных дросселей в источник питания.
То же самое происходит при изменении собственной частоты контура нагрузки или генерируемой частоты.
Диоды остаются открытыми в течение времени, пока напряжение на разрядных дросселях больше напряжении источника питания.
Напряжения на конденсаторах Ср1—Срn соответственно на анодах тиристоров оказываются ограниченными заданным уровнем, который определяется коэффициентом трансформации трансформаторов.
Полярность включения обмоток трансформаторов выбрана таким образом, что диоды отпираются во время спада токов тиристоров.
При обратном включении трансформаторов диоды отпирались бы во время нарастания тока тиристоров, что вызвало бы резкое повышение крутизны нарастания тока тиристоров и увеличение в них потерь.
Анализ схемы производится при замене контура нагрузки источником ЭДС е = Um sin (ωt + ψ), а полупроводниковых тиристоров и диодов — идеальными ключами Кл1 и Кл2.
Моменты замыкания ключей определяются для тиристоров моментами прихода импульсов управления, для диодов — появлением на них отпирающего напряжения. За моменты размыкания ключей принимаются моменты перехода прямого тока тиристоров и диодов через нуль.
 |
Соответственно эквивалентная схема генератора может быть представлена в виде, изображенном на рис. 5-21. Трансформаторы в цепях разрядных индуктивностей заменены Т-образной схемой замещения, учитывающей полярность включения обмоток, причем индуктивности их вторичных обмоток считаются равными L2 = n2Lр, где n — коэффициент трансформации. |
Рис. 5-21. Эквивалентная схема многоячейкового генератора с обратными диодами
Время, частота, напряжение, ток, сопротивление, индуктивность и емкость при анализе нормируются следующим образом:
(5-116)
где p = √Lp/C - волновое сопротивление разрядного контура; а=ω0/ω — отношение собственной частоты контура Lк, Ск к генерируемой.
На первом этапе, который начинается с момента открывания одного из тиристоров схемы (замыкания ключа Кл1), ток протекает только в первом контуре эквивалентной схемы (рис. 5-21).
Для этого контура может быть составлено дифференциальное уравнение
(5-117)
UСр1 — нормированное значение начального напряжения на емкости Ср.
Данное уравнение справедливо либо до момента запирания тиристора, если диод не включается, либо до момента включения соответствующего диода.
Отпирающее напряжение на диоде (на ключе Кл2) индуктируется на вторичной обмотке трансформатора при протекании тока тиристора через первичную обмотку.
Зная значение взаимной индукции обмоток М = — kn (где k — коэффициент их связи) и тот факт, что диод отпирается, когда напряжение на нем равно Е0 = а, нетрудно написать условие для определения момента окончания первого этапа и начала второго (замыкания ключа Кл2):
(5-118)
После замыкания ключа Кл2 схема превращается в двухконтурную. Для нее справедлива система дифференциальных уравнений:
(5-119)
где Ucp2 = i'a (τ1) — Um sin (τ1 + ψ) = — a / (kn) — Umsin (τ1 + ψ) — напряжение на емкости Ср в момент τ1( найденное из уравнения (5-117) с учетом (5-118); b = аrн/ρ — нормированное значение потерь в цепи обратных диодов; rп — сопротивление потерь.
Система дифференциальных уравнений (5-119) пригодна для описания процессов в схеме генератора до момента τ2, определяемого запиранием тиристора или диода (размыканием ключей Кл1 или Кл2).
Поскольку, вообще говоря, эти события равновероятны, то в дальнейшем, на третьем этапе, можно рассмотреть два возможных варианта развития процессов в схеме.
В первом случае, если ток через тиристор прекращается раньше, чем ток через диод, то для тока диода остается справедливым второе уравнение системы (5-119) при токе ¯ia=0, а конечное напряжение на емкости Ср определяется из первого уравнения системы (5-119) для момента τ2:
(5-120)
Во втором случае, когда диод запирается раньше тиристора, ток тиристора описывается уравнением, аналогичным (5-117) с заменой начального напряжения UСp1 на UСp3, определяемое из выражения (5-120).
Окончание протекания тока через тиристор (момент τ3) определяется моментом перехода его через нуль.
После этого оба ключа эквивалентной схемы разомкнуты и токи в ней равны нулю до момента отпирания очередного тиристора схемы.
Конечное напряжение на емкости Ср для второго случая определяется из выражения (5-117):
(5-121)
Решение уравнений (5-117) — (5-121) получаем методом итераций. Для этого в эти уравнения подставляем произвольные значения Uсp1, Um, ψ (в дальнейшем будем обозначать их U'Сp1, U'm, ψ').
После решения уравнений для нахождения новых значений U"сp1, U"m, ψ') используем дополнительные выражения, в которые входят параметры нагрузки — активная G и реактивная В составляющие ее проводимости:
(5-122)
где UCpk — относительное напряжение на емкости Ср,
определяемое из выражений (5-120) и (5-121); G = Gp/a— нормированная
активная составляющая проводимости нагрузки; tg φ = B/G — фазовый
угол настройки контура нагрузки 
dτ — активная составляющая первой гармоники тока тиристоров; 
τ — реактивная составляющая первой
гармоники тока тиристоров.
По известным величинам U'Сp1, U'm, ψ' и U"Сp1, U"m, ψ" определяем итерационные поправки. Затем в уравнения (5-117) — (5-121) подставляем новые значения: U"'cp1 = U'Ср1 i +ΔUСр1; U"'m = U'm + ΔUm; ψ' = ψ' +Δψ.
Процесс решения продолжаем до совпадения двух последних решений с заданной степенью точности (принимаем ε= 10-3). Решение получаем для различных значений G и В = G tg φ.
После нахождения величин U'Сp1, U'm и ψ, удовлетворяющих задаваемым значениям G и В, определяем постоянные составляющие Ia0, Iд0, максимальные значения Iam, Iдm, длительности токов тиристоров и диодов, безразмерное максимальное напряжение на анодах тиристоров Uam/E0 и коэффициенты ζ=Um/|UCpk|, kC=|UCk/UCp1|, характеризующие режим работы генератора.
В качестве оптимального принимаем режим работы, при котором обратные диоды находятся на грани отпирания. Этот режим обеспечивается при параметрах G = 2,73; φ = 0; ωр = 0,865 ω и коэффициенте трансформации n = 1,37.
В результате расчетов определены зависимости токов и напряжении генератора от сопротивлении нагрузки при различных активных составляющих проводимости нагрузки (нагрузочные характеристики на рис. 5-22 и 5-23) и от угла настройки контура нагрузки φ (настроечные характеристики на рис. 5-24 и 5-25).
Значения напряжений на рисунках даны относительно напряжения источника питания Е0, а токи нормированы согласно выражению (5-116) так, что для нахождения их реальных значений следует величины, снятые с рисунков, умножить на отношение Е0/ρ.
Как видно из рис. 5-22 — 5-25, обратные диоды в цепях разрядных индуктивностей позволяют обеспечить достаточно высокую стабильность работы генератора при изменении режима от оптимального до практически короткого замыкания.
|
Рис. 5-22. Зависимости величин ζ, kC, Um, Uam от Rн/Rн.опт |
Рис. 5-23. Зависимости величин I0, Ia0, Iд0, Iam, Iдm от Rн/Rн.опт |
|
Рис. 5-24. Зависимости величин ζ, kС, Um от φ |
|
Максимальные напряжения на тиристорах при этом не превышают напряжений при оптимальном режиме, а токи тиристоров возрастают не более чем в два раза (при G = 0).
Настроечные характеристики также показывают высокие стабилизирующие свойства обратных диодов при изменении частоты настройки контура нагрузки.
Приведенные выше характеристики получены при значениях коэффициента связи трансформаторов k = 0,98 и потерях в цепи обратных диодов b = 0,1.
Исследование влияния этих величин на режим работы генератора показало, что стабилизирующие свойства обратных диодов сохраняются при их изменении в следующих пределах: 0≤b≤0,12; l≥k≥0,85.
