Тиристорные генераторы

В настоящее время для получения электрических колебаний большой мощности при различной частоте все шире применяются тиристорные генераторы, многие из которых создаются на основе тиристорных инверторов. Они заменяют традиционно используемые для этих целей генераторы на электронных лампах.

Применение тиристорных устройств способствовало техническому прогрессу в преобразовательно-усилительной технике. Эти устройства обладают весьма высокой эффективностью и надежностью, значительно меньшими массой и габаритами, большим сроком службы, имеют мгновенную готовность к работе, удобны в обслуживании.

Вопросам теории и проектирования тиристорных инверторов и генераторов посвящен ряд публикаций советских и зарубежных ученых: А. Д. Артыма, Б. Бэдфорда и Р. Хофта, Г. В. Ивенского, В. А. Лабунцова, Ж. Лекоргийе, И. В. Нежданова, Н. X. Ситника, Ю. Г. Толстова и др. Однако в этих трудах наиболее полно освещены преобразователи промышленных и близких к ним частот для стабильных условий работы, при этом многие интересные схемы остались вне поля зрения.

В настоящей работе сделана попытка с возможной полнотой и с единых методологических позиций рассмотреть теорию и инженерный расчет широкого класса тиристорных генераторов, способных работать в широком частотном диапазоне, вплоть до многих десятков килогерц, как при стабильных, так и при изменяющихся выходной частоте и параметрах нагрузки. Освещаются особенности работы этих устройств. Такие устройства необходимы, в частности, для систем сверхдлинноволноБой радиосвязи, радионавигации, ультразвуковой, гидроакустической техники.

Анализ электрических процессов в схемах производится с учетом нестационарных процессов при включении схем. Рекомендуются предпочтительные области применения различных схем. Даются полученные с помощью ЭВМ расчетные параметры для многих важных случаев, позволяющие существенно облегчить задачи инженерного проектирования.

в первой главе приводятся классификация, основные характеристики и параметры тиристоров и тиристорных генераторов.

Во второй главе рассматриваются схемы однотактных тиристорных генераторов, предназначенных для получения затухающих и непрерывных колебаний высокой частоты. Генераторы такого типа являются простейшими тиристорными генераторными устройствами. При использовании современных тиристоров с их помощью могут быть получены затухающие колебания вплоть до нескольких сотен килогерц и даже единиц мегагерц (магнитно-тири-сторные генераторы) и незатухающие колебания не выше 10-15 кГц.

Третья глава посвящена двухтактным генераторам. Их основу составляют инверторы. Инверторы, ключевые элементы которых построены на тиристорах, получили широко распространенное в литературе название - тиристорные инверторы. Рассматриваются тиристорные инверторы различных схемных исполнений. Генераторы подобного типа позволяют получать с помощью современных тиристоров частоты не более 10-15 кГц. Они являются наиболее многочисленной группой тиристорных генераторов.

Особый класс двухтактных тиристорных генераторов - с обратными диодами - описывается в главе четвертой. Генераторы отличаются значительно меньшей зависимостью режима работы от нагрузки и выходной чистоты. Это предопределило их широкое применение в тех случаях, когда активная и реактивная составляющие нагрузки в процессе работы изменяются в широких пределах. Частотный диапазон работы этих генераторов тот же, что и при отсутствии обратных диодов. Как и в третьей главе, рассматриваются непосредственно инверторы, составляющие основу генераторов.

Пятая глава посвящена многотактным генераторам. Они позволяют преодолеть противоречие между сравнительно малым временем включения тиристоров и значительным временем выключения. В ряде таких генераторов единственным ограничением верхнего значения генерируемой частоты являются коммутационные потери, определяемые длительностью времени включения тиристоров и возрастающие с частотой. С помощью современных тиристоров при работе в режиме генерирования импульсов со значительной скважностью многотактные генераторы позволяют получать частоты вплоть до 100 кГц. Эти генераторы выполняются в виде многоячейковых на основе тиристорных инверторов.

В шестой главе рассмотрены некоторые специфические особенности, связанные с проектированием тиристорных генераторных устройств. К ним отнесены анализ переходных процессов в тиристорных генераторах, методы управления колебаниями в них, защита тиристорных генераторов при аварийных режимах, проектирование электрических элементов для этих генераторов - коммутирующих дросселей, конденсаторов и выходных трансформаторов.

С учетом тенденций развития современных методов проектирования в седьмой главе помещен материал, освещающий возможно-

сти и методику автоматизированного проектирования тиристорных генераторов.

В книге использованы имеющиеся литературные источники, а также оригинальные исследования авторов в рассматриваемой области. Авторы выражают искреннюю благодарность сотрудникам, участвовавшим в проведении этих исследований, а также благодарят Г. Я. Рубинштейна, подготовившего материалы для седьмой главы книги.

Пожелания и замечания по книге просьба направлять по адресу: 191041, Ленинград, Марсово поле, д. 1, Ленинградское отделение Энергоиздата.

Авторы

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТИРИСТОРНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

1-1. Характеристики тиристоров

Тиристоры имеют эксплуатационные характеристики, качественно подобные характеристикам ионных управляемых вентилей (тиратронов), но более экономичны, обладают более высокой удельной мощностью, механической прочностью и надежностью, малой чувствительностью к окружающим условиям (температура, положение в пространстве и т. п.), мгновенной готовностью к работе и т. д.

В настоящее время промышленность СССР и других стран выпускает ряд тиристоров, различных по своим характеристикам и назначению. Двумя важнейшими характеристиками тиристоров согласно стандарту и рекомендациям СЭВ являются номинальный ток и номинальное напряжение.

Номинальный (средний) ток /„ом - средний за период рекомендуемый ток частотой 50 Гц, синусоидальной формы, длительно протекающий через тиристор при его работе в однофазной одно-полупериодной схеме на активную нагрузку и угле проводимости 180° при предельной температуре структуры. Параметр «номинальный ток» является классификационным параметром для тиристора данного типа (/„ом = кл)-

I Номинальное (повторяющееся) напряжение Uom - наибольшее мгновенное напряжение, прикладываемое к тиристору в обратном (прямом) направлении с учетом всех повторяющихся переходных напряжений и исключением всех неповторяющихся переходных напряжений. Значение номинального напряжения соответствует значению напряжения, по которому тиристору присваивается определенный класс (величина Укл/ЮО, Uhom == f/кл)-Тиристоры по назначению могут быть условно разбиты на две группы. К первой группе относятся приборы, предназначенные для работы в диапазоне промышленных частот (обычно не выше 500-1000 Гц) и обладающие следующими классификационными параметрами: номинальным током /„ом от единиц до тысячи с лишним ампер и номинальным напряжением t/„ от десятков вольт до 3-5 кВ. Вторую группу составляют специальные быстродействующие тиристоры, предназначенные для работы на повышенных частотах, имеющие улучшенные динамические характеристики,

но несколько меньшие поминальные токи и напряжения [39, 45, 49].

Основные характеристики тиристоров, знание которых необходимо при проектировании инверторов и генераторов, целесообразно разделить на четыре группы, характеризующие соответственно энергетические параметры тиристоров, их динамические свойства, требования к цепи управления и устойчивость по отно-шению к окружающей среде. Рассмотрим те из них, которые наиболее важны при проектировании тиристорных устройств.

К первой группе характеристик можно отнести классификационные ток и напряжение тиристоров, о которых говорилось выше, а также прямое падение напряжения. Прямое падение напряжения - среднее за период значение напряжения на тиристоре при протекании через него классификационного тока 1„. Эта величигга называется также классификационным падением напряжения At/кл-Классификационное напряжение является тем допустимым напряжением f/g. дна аноде тиристора, при котором он должен работать в схеме. Однако классификационный ток не следует смешивать с максимальным допустимым током тиристора /атд- зависящим от различных условий его работы. В частности, ток /атд весьма сильно зависит от частоты. Значительное снижение тока /ад Уже на частотах 1-2 кГц объясняется ростом коммутационных потерь. Таким образом, энергетические возможности того или иного типа тиристоров определяются величинами f/а.д и /ад-

Прямое падение напряжения на тиристоре Af/кл является одной из важных величин, определяющих экономичность тиристоров. Другой важной величиной, определяющей экономичность тиристоров, являются коммутационные потери. Токи через тиристоры в открытом и закрытом состоянии отличаются на 5-б порядков (в открытом состоянии они равны десяткам и сотням ампер на квадратный сантиметр, а в закрытом - не более нескольких миллиампер), поэтому тиристоры являются хорошими электронными ключами. Прямое падение напряжения на тиристорах мало и даже при плотности тока 50 А/см не превышает 1-2 В, т. е. составляет доли процента от допустимого напряжения. Вследствие этого потери в тиристорах малы и обычно не превосходят единиц процентов от мощности в нагрузке.

Динамические свойства тиристоров принято оценивать по номинальным времени включения вкл. ном и времени выключения в. ном приборов, а также по критическим допустимым скоростям нарастания (крутизне) прямого тока Si я прямого напряжения 5„д на аноде. Время включения - интервал времени от момента достижения импульсом тока управления 10 % своего абсолютного значения до момента нарастания анодного тока до 90 % своего установившегося значения (или до момента снижения анодного напряжения до 10 % своего первоначального значения). Под временем выключения обычно понимают наименьший интервал времени от момента перехода через нуль анодного тока до момента