На первый взгляд может показаться, что знания t достаточно для полной характеристики режима работы устройства, однако это не так. Поскольку токи тиристоров во время переходного процесса могут быть меньше, чем при установившемся режиме, то и реальное время выключения тиристоров оказывается меньше в. ном- в этом случае, даже если 4п,п<4.иом, устойчивость работы устройства может не нарушиться. Тогда необходимо знать 4 в установившемся режиме и положить его равным 4. „о„.

3. КПД тиристорных устройств в значительной степени определяется потерями в тиристорах.

Эти потери состоят из четырех основных составляющих: 1) потерь на участке нарастания, длительность которого определяется либо нарастанием тока через тиристор при включении от 0,1 до 0,9 его максимального значения, либо спаданием напряжения от 0,9 до 0,1 его максимального значения; 2) потерь на участке установления, связанных с конечной скоростью распространения включенного состояния по площади полупроводниковой структуры; 3) потерь на участке протекания прямого тока через полностью включенный тиристор; 4) потерь на участке выключения. В настоящее время получены выражения для всех указанных составляющих. Из них следует, что суммарное значение потерь возрастает с увеличением частоты следования импульсов тока через тиристор (что соответствует увеличению генерируемой частоты) и при приближении их формы к прямоугольной. Это возрастание происходит за счет роста первой и четвертой составляющих потерь.

Вычисление потерь в каждом конкретном случае для сравнения различных схем и режимов их работы нецелесообразно по двум причинам. Во-первых, вычисление потерь для каждого конкретного случая, учитывающего различие в форме импульса тока, весьма трудоемкий процесс. Во-вторых, у большинства схем тиристорных устройств форма импульса тока тиристоров близка либо к синусоидальной, либо к прямоугольной (трапецеидальной). Поэтому можно вычислить потери для двух указанных форм тока в зависимости от длительности импульсов, частоты их следования, максимальных значений тока и напряжения тиристоров. Полученные зависимости позволяют определить потери и, следовательно, КПД для любого частного случая. В справочных материалах для тиристоров, предназначенных для работы в звуковом или ультразвуковом диапазоне частот, такие зависимости обычно приводятся.

4. В ряде случаев выходная частота и устойчивость работы схемы тиристорного устройства определяются скоростью нарастания прямого тока через тиристоры St = dijdt или скоростью нарастания прямого напряжения после выключения = dUJdt.

Если значение Si превосходит допустимое, то в связи с ограниченной скоростью распространения проводящей плазмы по площади структуры в начальный момент включения на участках вблизи управляющего электрода возникает большая плотность тока. Мгновенные потери мощности на таких участках могут достигать большого значения, что вызывает,перегрев участков и необратимые изменения в кремниевой структуре. Последнее может привести к выходу тиристора из строя.

Если значение 5ц превосходит допустимое, то емкостный ток, возникающий из-за наличия значительной емкости центрального р-/г-перехода, может

отпереть тиристор, т. е. выполнить функцию тока управления. Это происходит в момент нарастания прямого напряжения и обычно приводит к нарушению устойчивой работы схемы.

Превышение скорости нарастания тока тиристоров выше допустимой наиболее вероятно в схемах, у которых форма тока близка к прямоугольной (параллельные инверторы с большой индуктивностью или параллельные инверторы с обратными диодами и квазипрямоугольной формой выходного напряжения), а превышение скорости нарастания напряжения - в схемах с резким нарастанием прямого напряжения на тиристоре после его выключения (схемы генераторов с обратными диодами). Иногда требуются специальные меры по уменьшению указанных величин. Учитывая вышесказанное, при анализе различных схем тиристорных устройств необходимо определить величины Si и Su-

Ниже рассматривается вторая группа критериев оценки тиристорных устройств.

5. Выбор схемы устройства или режима его работы в некоторых случаях определяется влиянием нагрузки на основные характеристики устройства. К ним в первую очередь следует отнести максимальные токи /а. и напряжения U тиристоров, связанные с ними крутизны Si я Su, а также колебательную мощность в нагрузке Р . Чем меньше изменяются перечисленные выше характеристики, "тем устойчивее работает схема при переменной нагрузке. Для количественной оценки влияния нагрузки желате/1Ьно иметь зависимости /а f/am. Si, S„, тока источника питания /о от сопротивления нагрузки. Изменение тока пропорционально изменению мощности, потребляемой от источника питания, Ро- Поскольку КПД Т1 тиристорного генераторного устройства обычно высок (не менее 80-85 % даже на повышенных частотах), то можно с некоторым приближением, положив т) = 100 %, считать Р равным Ро и соответственно /о пропорциональным Р.

6. Наиболее простым способом изменения выходной частоты устройства является изменение частоты управляющих импульсов тиристоров, в то время как параметры элементов схемы остаются постоянными. При этом изменяются, режим работы устройства и, в частности, как и в предыдущем случае, основные его характеристики /am. f/am, Sc, S„, P„. Эти измснения могут служить критс-риями работы схемы. Количественно они могут быть учтены по аналогии с изложенным в предыдущем пункте с помощью зависимостей указанных характеристик от частоты.

7. В большинстве случаев практического применения тиристорных устройств требования к содержанию высших гармонических в выходном напряжении - не являются жесткими, т. е. коэффициент гармоник kr выходного напряжения может быть достаточно высок (иногда вплоть до 15-20 % и более). Это относится в первую очередь к тиристорным генераторным устройствам для различного промышленного применения (нагрев, закалка, электропривод и т. д.).

Однако поскольку колебательные системы тиристорных устройств стремятся сделать по возможности с низкой добротностью для улучшения использования тиристоров по мощности (в последующих главах это будет детально обосновано), то коэффициент для некоторых схем может оказаться весьма значительным и превзойти допустимое значение даже для сравнительно нежестких требований, указанных выше. Поэтому для ряда схем коэффициент может служить критерием выбора самого типа схемы и режима ее работы и должен быть учтен при анализе,

В заключение первой главы целесообразно привести основные параметры тиристора; основные величины, характеризующие режим работы тиристорных устройств; условия, при которых в последующих главах производится анализ тиристорных устройств, а также наиболее часто встречающиеся параметры и величины, характеризующие режимы работы основных схем тиристорных устройств.

Основные параметры тиристора:

1. Номинальный (средний) ток /ном-

2. Номинальное (повторяющееся) напряжение иои-

3. Допустимое напряжение (7а. д (равно номинальному),

4. Максимальный допустимый ток /атд-

5. .Прямое падение напряжения А£/кл-

6. Номинальное время выключения ife. ном-

7. Номинальное время включения вкл. ном-

8. Допустимая скорость нарастания прямого тока 5гд,

9. Допустимая скорость нарастания напряжения на аноде 5нд.

10. Отпирающий ток управляющего электрода /у,

11. Отпирающее напряжение на управляющем электроде Uy.

Основные величины, характеризующие режим работ тиристориого устройства?

1. Коэффициент использования тиристора по мощности кщ.

2. Схемное время выключения и критерий по частоте k.

3. Отношение m\nlt

в, характеризующее уменьшение схемного времени выключения во время переходного процесса при включении тиристориого устройства.

4. Коэффициент полезного действия тиристорного устройства ц.

5. Скорость нарастания прямого тока через тиристор Si.

6. Скорость нарастания напряжения на аноде тиристора S«.

7. Зависимости, характеризующие влияние изменения нагрузки и частоты на режим работы тиристорного устройства.

8. Коэффициент гармоник выходного напряжения кт.

Основные условия, при которых производится анализ тиристорных устройств!

1. Основные элементы схем (конденсаторы, катушки индуктивности - дроссели и трансформаторы) не имеют потерь.

2. Тиристоры и диоды не имеют потерь. Это условие совместно с предыдущим позволяет при расчетах с достаточной степенью точности считать КПД тиристорных устройств равным 100%.

3. Тиристоры и диоды, кроме специально оговоренных случаев, представляют собой идеальные ключи, т. е. включение их и прекращение тока через них происходят безынерционно.

4. Внутреннее сопротивление источников питания равно нулю.

Параметры, характеризующие режим работы схемы устройства:

1. Добротность коммутирующего контура - параллельного Q =

= \R\CIL, последовательного Q = :/(Сг]. 16

2. Отношения частот контура нагрузки или коммутирующего контура и генерируемой выходной частоты (частоты напряжения на нагрузке): р = = wk/w; в = сор/й).

3. Соотношение индуктивностей разрядного (коммутирующего) и нагрузочного контуров у = LpjLfi.

4. Соотношение емкостей коммутирующего и нагрузочного контуров либо емкостей конденсаторов коммутирующего контура, включенных последовательно и параллельно нагрузке, в = CjC-p.

ГЛАВА ВТОРАЯ

ОДНОТАКТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

2-1. Однотактные генераторы, работающие в режиме затухающих колебаний

Генератор на одном тиристоре. Схема генератора. Простейшая схема генератора затухающих колебаний высокой частоты представлена на рис. 2-1 [6, 50]. Она позволяет получать в контуре нагрузки Lk, Ск, i?h последовательность радиоимпульсов с экспоненциальной либо более сложной формой огибающей. (Более сложная форма огибающей радиоим-пульса обеспечивается надлежащим выбором системы контуров, ис-пользуемых в качестве нагрузки.)

Генератор (рис. 2-1) работает следующим образом. Конденсатор Ср через зарядную катушку индуктивности Lg заряжается от источника питания Eq до некоторого напряжения Uc\- При отпирании тиристора Т управляющим импульсом Wy (рис. 2-2) конденсатор Ср разряжается через катушку индуктивности Lp, тиристор и контур нагрузки L, С, Rn- Ток разряда ip возбуждает колебания в контуре Lk, Ск, и прекращается, достигнув значения тока удержания тиристора. Конденсатор Ср после прекращения тока оказывается перезаряженным до напряжения обратной полярности (Ус 2- В результате к тиристору с момента окончания разрядного процесса будут приложены обратное напряжение конденсатора Ср и синусоидальное напряжение на контуре Lk, Ск-/?н- Соотношения параметров реактивных элементов схемы Lp/LK, Ср/Ск следует выбирать с таким расчетом, чтобы амплитуда Um

Рис. 2-1. Схема однотактного генератора затухающих колебаний

колебательного напряжения на контуре была меньше абсолютного значения напряжения - Ср2- В этом случае суммарное напряжение «а, приложенное к аноду тиристора после окончания проте-

кания тока через него, в течение достаточно длительного промежутка времени остается отрицательным (рис. 2-2), чем обеспечивается выключение тиристора независимо от генерируемой частоты, С момента выключения тиристора в контуре Lk, Ск, Rh происходят затухающие колебания.

Теоретический анализ и расчет генератора на одном тиристоре. При анализе работы генератора с учетом сопротивления нагрузки /?н в процессе решения дифференциальных уравнений, описывающих работу схемы, получаются алгебраические уравнения четвер-

Рис. 2-2. Диаграммы токов и напряжений для однотактного генератора затухающих колебаний

ТОЙ степени общего вида, аналитическое решение которых громоздко. Поэтому при достаточно добротном контуре нагрузки решение задачи с необходимой для практического использования степенью точности можно получить, пренебрегая сопротивлением i?h- Уравнения четвертой степени становятся при этом биквадратными.

В результате решения дифференциальных уравнений, описывающих работу схемы, преобразованное по Лапласу выражение для тока через тиристор Ia имеет вид

L [ia (01 =

(2-1)

1 + [pLp + ЩрСр)] (рСк + 1/(рМ]

Вводя обозначения со,, L,,C,, ; n = LlU\ m=CIC,„ получим

L [1г (01

(2-2)

Трехчлен знаменателя выражения (2-2), заключенный в фигурные скобки, представим в виде (р + а?(Ок) (p+P?(i)k), где

(2-3)

2 V «1 mirti ) Г 4 V «1 тпу )

Тогда выражение (2-2) примет вид L [h (01 =

CpllP+«к)

(2-4)

(2-5)

Преобразованное по Лапласу напряжение на контуре L, Ск определяется выражением

а Р

рСк + 1/(Рк) «1 [Р + «К) (P f

Применяя обратное преобразование Лапласа к выражениям (2-5), (2-6) и вводя безразмерное время т = сок. находим

h (т)

sin PiT-

«к (т) =

(2-7) (2-8)

Из выражений (2-7) и (2-8) следует, что ток тиристора и напряжение на контуре L, Ск в процессе разряда емкости Ср имеют две составляющие с разными частотами.

В момент т = Ti = (dJi ток Ia (ti) принимает нулевое значение, тиристор выключается и разрядная цепь Lp, Ср оказывается разомкнутой. Колебания с момента происходят только в контуре Lk, Ск. Амплитуду напряжения для первого периода этих колебаний нетрудно вычислить следующим образом. Энергия колебательного контура в любой момент времени складывается из