Максимальный ток нагрузки, если пренебречь потерями в элементах схемы, определяется практически напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки:

hm-EolRn. (6-37)

Подробный анализ работы схемы производился в предположении, что ток нагрузки в процессе коммутации остается постоянным. Принятое допущение позволяет представить эквивалентную цепь заряда и разряда конденсатора С в виде последовательного соединения элементов L, С, эквивалентного источника напряжения (/э, равного начальному напряжению на конденсаторе С, и сопротивления Гэ. В ней полупроводниковые элементы представлены идеальным ключом, моменты замыкания которого определяются моментами прихода импульсов управления на тиристоры Т1, Т2, а моменты размыкания - моментами окончания тока через диод Д2 при заряде конденсатора С и моментами окончания тока через диод Д1 при его разряде. Сопротивление учитывает потери в цепи LC.

Пренебрегая малыми поправками к значению собственной частоты резонансного LC-контура, обусловленными сопротивлением Гп, можно записать для тока заряда и разряда конденсатора С выражение

i{t) =

sin (UQt = Ie sin т,

(6-38)

где COo = l/yLC - собственная частота контура LC без учета поправки, вносимой сопротивлением г, 1т сКоЦ сР-~ максимальное значение импульса зарядного или разрядного тока; т = - безразмерное время; d = l/Q = Гп /{(ИцЦ - относительное затухание контура LC; р - волновое сопротивление цепи.

Зная выражение для тока заряда конденсатора С и соотношение Us = Eq для момента = О включения тиристора Т/, можно найти превышение напряжения на конденсаторе С по сравнению с напряжением источника питания в момент выключения тиристора Т1: Шс = Uqx-0- Длительность заряда конденсатора С определяется полупериодом Tj = л собственной частоты цепи LC.

В течение некоторого времени тв.д = юо.д. определяемого скоростью выключения диода Д2, через последний протекает обратный ток. В это время конденсатор С разряжается. Если собственная частота цепи LC достаточно высока (время мало), временем тв.д пренебрегать нельзя. В результате перезаряд tUc определяется формулой

в. д)/2 А sin т,. д + COS тз. »)]-!}• (6-39) 176

(«+в.

В идеализированном случае, при d = О, тв. д = О, получаем Af/c = -0 и конденсатор С заряжается до напряжения, равного удвоенному напряжению источника питания.

Для запирания тиристора Т1 включаегся тиристор Т2, импульс тока разряда конденсатора С проходит либо через тиристор Т1 в обратном направлении, либо через диод Д/. Определим условия выключения тиристора Г/, считая, что при разряде конденсатора С напряжение эквивалентного источника в контуре коммутации определяется величиной Шс- Ток разряда описывается выражением

(6-40)

Ь25 х,.А

Рис. 6-6. Зависимости для отношения AUc/Eo

Как указывалось выше, диод Д1 проводит ток разряда конденсатора С, превышающий уровень тока нагрузки. В течение времени проводимости диода Д/ к тиристору Т1 прикладьшается обратное напряжение, и он выключается. Это позволяет определить связь времени выключения тиристора Т1 с амплитудой и длительностью тока разряда конденсатора С. Для этого следует решить уравнение

sint34 = /„ т,

(6-41)

где 1:84 == тв

схемное время выключения тиристора Т1.

На рис. 6-6, 6-7 приведены графические зависимости отношений Шс/Ео и pEJiRnUc) в функции величин тв. д, d, полученные при решении уравнений (6-39), (6-41).

Параметры фильтра нагрузки определяются исходя из условия, что выброс в переходной характеристике фильтра отсутствует

(Q=:?н LфCф < 0,5) . Частота среза фильтра в этом случае определяется следующим соотношением:

(6-42)

Зная сопротивление нагрузки и максимальную частоту выходного напряжения fax, с. помощью выражения (6-42) найдем параметры фильтра:

12/? „/

(6-43)

2,5 Zs.A

Рис. 6-7. Зависимости для отношения p£o/(/?HAi/c)

В работе [37] приведено выражение для переходной функции, позволяющее легко связать допустимый коэффициент пульсаций с параметрами фильтра и частотой следования импульсов напряжения на выходе фильтра:

(6-44)

Подставив в формулу (6-44) заданный коэффициент kf и зная RwCy определяем максимально возможную частоту следования импульсов тока через тиристор Т/. Таким же путем можно найти параметры фильтра и величину kf для рассмотренной выше схемы ВИМ (см. рис. 6-1).

Проведенный анализ позволяет предложить следующую методику расчета модулятора. При расчете считаем заданными: сопротивление нагрузки Rn, мощность нагрузки Рн, допустимое значе-

ние пульсаций напряжения на нагрузке kf, максимальную частоту напряжения на нагрузке /max, глубину модуляции тока (напряжения) нагрузки

/н m /н min ,г. .г\

" = 7 Г7-~

нт + и min

Расчет модулятора производится в следующем порядке:

1. Пренебрегая потерями в открытом тиристоре Т1 и дросселе фильтра Lф, принимаем, что максимальное напряжение на нагрузке f/н т равно напряжению источника питания Eq. По заданным величинам Рн и Ra определяем Eq и Im-

2. Максимальное прямое или обратное напряжение на тиристоре Т1, диодах Д1, Д равно Eq, а на тиристоре Т2 и диоде Д2 - чуть меньше Eq- Считая, что при напряжении т через тиристор Т1 протекает практически постоянный ток 1нту а через диод Д такой же ток протекает при минимальном напряжении на нагрузке

можем выбрать типы тиристора Т1 и диода Д в отношении допустимых токов и напряжений.

3. С помощью выражений (6-43) и (6-44) находим параметры фильтра Lф Сф и значение kf.

4. По заданной величине mj с помощью выражений (6-45), (6-36) и (6-37) определяем собственную частоту цепи LC:

1 -t-J T(l + m/)

5. Для устойчивой работы схемы номинальное время выключения тиристора Т1 /в. ном должно быть не меньше полупериода собственных колебаний цепи LC. Отсюда окончательно может быть выбран тип тиристора Т1. Номинальное время выключения д диодов Д1, Д2, Д следует выбирать значительно меньшим величины То/2. Это позволяет уменьшать обратный ток. Задаваясь из практических соображений затуханием d цепи LC и зная 4. д, по графикам рис. 6-6, 6-7 определяем отношения MJJEq и pEJiRtiUc), откуда находим напряжение на конденсаторе

Uc = E,.rc и волновое сопротивление р цепи LC.

6. Зная величины р и /о, определяем параметры L и С, а с помощью величин f/c и р - максимальное значение импульса зарядного и разрядного тока = f p конденсатора С.

Модуляция напряжения посредством изменения параметров генератора. Рассматриваемый метод модуляции пригоден не для всех типов генераторов и осуществляется несколькими различными способами.

Первый из них, применимый для параллельного инвертора или однотиристорного генератора, заключается в изменении емкости коммутирующего конденсатора, что в соответствии с изложенным в § 3-2 и 2-2 вызывает изменение выходного напряжения. Для осу-

ществления оперативного регулирования в этом случае параллельно нагрузке включают дополнительный дроссель, индуктивность которого частично компенсирует емкость коммутирующего конденсатора. Изменение этой индуктивности вызывает изменение результирующей емкости и соответственно выходного напряжения. В одном случае индуктивность дополнительного дросселя можно изменять путем изменения подмагничивания, если этот дроссель выполнен на магнитном сердечнике. В другом случае последовательно с дополнительным дросселем встречно-параллельно включают два тиристора, изменяя время проводимости которых по отношению друг к другу, можно регулировать индуктивность дополнительного дросселя.

Второй способ реализуется с помощью специальных обратных управляемых выпрямителей, подключаемых зажимами переменного тока к выходу инвертора (обычно через трансформатор), а зажимами постоянного тока - встречно к источнику питания. Обратные выпрямители предназначены для возврата части мощности нагрузки в источник питания. Регулируя угол управления, изменяют значение возвращаемой мощности и, следовательно, напряжение на нагрузке.

При третьем способе для регулирования напряжения на нагрузке изменяют рабочую частоту генератора (инвертора). Такое регулирование применимо только тогда, когда выходная частота может быть нестабильной, например при использовании тиристорных генераторных устройств в электротермии. Вместо рабочей частоты можно изменять резонансную частоту коммутирующей цепи, изменяя путем подмагничивания сердечника коммутирующего дросселя его индуктивность.

Надо отметить, что все три рассмотренных выше способа регулирования выходного напряжения применимы только для небольших изменений напряжения, поскольку при широком диапазоне регулирования габариты регулирующих устройств оказываются чрезмерно большими. Более широкий диапазон регулирования выходного напряжения возможен у инверторов с принудительной коммутацией, когда применяются способы, основанные на изменении длительности открытого состояния тиристоров, что позволяет регулировать также и мощность.

Модуляция дефазированием. Этот метод заключается в использовании совместно работающих на общую нагрузку двух (либо большего четного числа) источников напряжений - генераторов, обладающих возможностью осуществлять симметричный фазовый сдвиг ф между их выходными напряжениями.

Совместно работающие источники оказывают взаимное влияние друг на друга: в зависимости от фазового угла изменяются полные сопротивления нагрузки каждого источника. Поэтому необходимо, чтобы используемые источники напряжений были способны работать при изменяющейся в широких пределах нагрузке. К источникам такого типа относятся генераторы и инверторы с обратными

диодами, в частности, параллельные и параллельно-последовательные инверторы с обратными диодами и близкой к гармонической формой выходного напряжения, а также последовательные и последовательно-параллельные инверторы с обратными диодами и удвоением частоты, описанные в четвертой и пятой главах.

Сложение напряжений источников, работающих на общую нагрузку, может осуществляться по параллельной или последовательной схемам. Для случая параллельного включения выражения для токов на выходах источников сигналов удобно записать в виде

i, = /У ц = /Je-V. (6- 46)

Суммарный ток через нагрузку

/2 =/г/У"sin ф. (6-47)

Напряжение на нагрузке

Ин = izru = Шп/"" sin ф. (6-48)

Соответственно полные сопротивления для первого и второго источников сигналов определяются выражениями:

Zl пар = = пар -f JX пар = ф -f /2/-н sin ф COS ф ; (6-49)

Zl пар = -Т = 2 пар + JX пар = 2Гн sin ф - /2Лн sin ф COS ф . (6-50) h

Модуль полного сопротивления для источников сигналов

Znap I = I Zi пар I = 1 Z2 пар 1 = 2Гн з1п ф. (6-51)

Зависимости полных сопротивлений от фазового угла ф приведены на рис. 6-8.

При последовательном соединении удобнее пользоваться напряжениями на выходах источников:

иг = Uj- и, Vje-V. Тогда суммарное напряжение на нагрузке

i/2 = 2i/Уsinф.

Ток в нагрузке

/н Гн

(6-52)

(6-53) (6-54)

Полные сопротивления для источников сигналов находятся из выражений:

2i пос = = пос -f ]Х\ пос = --\ - Ctg ф ;

(6-55)

2 пос = - 2 пос ~Ь пос - ~Ь / ctg ф

(6-56)