WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 12 |

ВХ UXX Выражение (5.7) показывает, что стабилизация разряда при изменении его характеристики, в случае использования токоограничивающего балластного резистора осуществляется за счет изменения КПД источника питания, причем уменьшение напряжения на разряде ведет к снижению КПД источника питания. Чем выше КУ, тем меньше влияние входных возмущений PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com на КПД источника питания, однако, это справедливо только для случая, если КУ возрастает за счет изменения характеристики газового разряда (RД.ГР), а не за счет изменения балластного резистора.

Регулирование мощности в нагрузке возможно путем изменения напряжения холостого хода источника питания (например, с помощью управляемого выпрямителя) либо балластного резистора. Для частного случая, когда R 0, регулирование мощности в нагрузке осуществляется Д.ГР путем регулирования тока, при этом КПД источника:

UH =. (5.8) UXX Из формулы (5.8) видно, что регулирование мощности изменением UХХ при постоянном RБ ведет к изменению КПД, причем рост мощности в нагрузке снижает КПД источника питания. Регулирование мощности в нагрузке изменением RБ не влияет на КПД источника питания, но может приводить к ухудшению устойчивости системы. К тому же плавное регулирование RБ в мощных установках затруднительно.

Таким образом, формирование падающих характеристик источника питания путем использования активного балластного резистора может оказаться приемлемым ввиду его относительной простоты лишь при малом диапазоне регулирования, малом отрицательном либо положительном дифференциальном сопротивлении газоразрядного промежутка, относительно небольшой мощности источника питания, при несложном отводе тепла с балластного резистора и нединамической нагрузке. Последнее объясняется тем, что, если нагрузка может скачком меняться до короткого замыкания (переход тлеющего разряда в дуговой), то необходимо иметь ток короткого замыкания, незначительно превышающий ток номинального режима, во избежание завышения установленной мощности электротехнологического оборудования даже при быстром отключении короткого замыкания. При этом I1* в выражении (5.7) достаточно велик, что приводит к низкому КПД источника.

Использование в качестве токоограничивающего балласта реактивных элементов также имеет ограниченное применение, несмотря на то, что КПД преобразователя в этом случае выше. Установленная мощность реактивных элементов оказывается значительной, поскольку энергия в этом случае должна запасаться в них. Кроме того часто возникают трудности с выводом избыточной энергии, накопленной в реактивных элементах при изменении режима работы источника питания.

При достаточном коэффициенте усиления замкнутой системы можно с заданной точностью поддерживать требуемое значение выходного параметра, например тока, при любых внешних возмущениях (изменение параметров нагрузки, напряжения питания и т.д.). Однако при ключевом режиме работы регулирующего устройства система оказывается дискретной, что не позволяет корректировать рабочий режим устройства в течение интервала дискретности. В управляемом выпрямителе нельзя отключить PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com нагрузку от работающей фазы до того момента, пока напряжение фазы не изменит свою полярность. В автоматических регуляторах существуют интервалы подготовки коммутации, в течение которых невозможно воздействовать на состояние регулятора, поэтому дискретная система должна обязательно содержать реактивные элементы, способные накапливать энергию и поддерживать требуемые характеристики системы между возможными моментами воздействия внутри интервала дискретности.

Для поддержания тока внутри интервалов дискретности обычно используют индуктивные элементы, тогда оценить динамическое сопротивление источника постоянного тока, определяемое внутри интервала дискретности при изменении напряжения на U и соответствующем ему изменении тока на I можно, пользуясь следующей формулой:

L I Г.Р U L 2 QL RД.ИСТ = = = = f, (5.9) 2 I I I Г.Р. Г.Р где L - индуктивность реактора, включенного последовательно с нагрузкой;

QL - энергия реактора;

f - частота дискретности;

IГ.Р - действующее значение тока газового разряда.

Решая (5.1) и (5.9), получаем:

(KУ - RД.Г.Р) I2.Р (KУ - RД.Г.Р) PГ.Р Г QL = =, (5.10) 2 f 2 f RСТ где РГ.Р - мощность, выделяемая в нагрузке;

UГ.Р RСТ = - статическое сопротивление нагрузки в рабочей точке, IГ.Р характеризующее режим работы источника питания.

Как видно из (5.10), энергия реактора тем больше, чем больше мощность передаваемая в нагрузку и меньше статическое сопротивление нагрузки, что соответствует нагрузке при той же мощности и пониженном напряжении. Кроме того, энергия реактора зависит от коэффициента устойчивости системы. При выборе КУ следует ограничить его значение с учетом диапазона изменения и характера нагрузки (положительного или отрицательного RД.Р.Г) во избежание нерационального увеличения массогабаритных показателей силового оборудования источника.

Повышение частоты работы устройства ведет к снижению массогабаритных показателей реактивных элементов, улучшает динамические характеристики источника питания. Повышение частотных возможностей источника питания предопределяет необходимость применения устройств принудительной коммутации тиристоров. При этом источник питания обычно содержит звено постоянного тока. В этом случае выпрямитель может быть выполнен PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com неуправляемым. Последнее позволяет обеспечить хорошие энергетические характеристики источника питания во всех возможных режимах его работы.

Учитывая перечисленные особенности электротехнологических установок, предназначенных для работы на газоразрядный промежуток и требования, предъявляемые к источникам питания, в дальнейшем будем рассматривать лишь преобразователи повышенной частоты с принудительной коммутацией тиристоров.

5.3. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ НА БАЗЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ТИРИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В зависимости от требований, предъявляемых нагрузкой (постоянный, переменный, импульсный ток и т.д.) возможны различные способы построения силовой схемы источника питания с падающей ВАХ, созданными введением цепи обратной связи по току [4]. Однако, возможность реализации источника питания с заданными частотными, статическими, динамическими, энергетическими и массогабаритными характеристиками во многом определяется типом ключевого элемента, на базе которого строится силовая схема источника питания. Ключевым элементом силовой схемы различных преобразователей с уровнем выходной мощности более нескольких киловатт обычно являются тиристоры. При частотах, превышающих частоту промышленной сети, необходимо использовать специальные устройства принудительной коммутации тиристоров, которые в основном и определяют характеристики ключевого элемента. Поэтому целесообразно выявить перспективность использования в электротехнологических установках с газовым разрядом различных способов коммутации.

Все многообразие устройств принудительной коммутации тиристоров можно разделить на три большие группы:

- устройства последовательной коммутации;

- устройства параллельной коммутации;

- устройства с естественной коммутацией тока вследствие спада его до нуля путем соответствующей организации контура нагрузки.

Третий тип коммутации характерен для последовательных инверторов.

Устройства последовательной и параллельной коммутации обязательно содержат дополнительные контуры для протекания коммутирующего тока, минуя нагрузку. В устройствах параллельной коммутации нередко одним из элементов контура является силовой тиристор. При этом через него на определенных этапах протекает коммутирующий ток и ток нагрузки, что делает более тяжелым режим его работы, особенно на повышенных частотах.

В устройствах последовательной коммутации напряжение на элементах схемы повышенное, поскольку необходимо включение последовательно с силовым тиристором коммутирующего конденсатора, напряжение на котором должно превышать напряжение питающей сети в течение времени восстановления управляющих свойств основного тиристора. Известно, что PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com тиристоры более критичны к перенапряжениям, чем к токовым перегрузкам, последнее определяет меньшую надежность и, как следствие, меньший диапазон практического применения схем последовательной коммутации тиристоров при повышенном напряжении, либо при значительных его изменениях в мощных установках, что характерно для газоразрядной нагрузки.

Особенностью устройств последовательной и параллельной коммутации тиристоров является наличие дополнительных этапов подготовительного перезаряда коммутирующего конденсатора, что снижает и частотные возможности.

Использование специальных схем форсированного перезаряда коммутирующего конденсатора и применение двухтактных схем повышает частотные возможности коммутирующих устройств, но вместе с тем приводит к усложнению регулятора, увеличению его массогабаритных показателей, усложнению управления и, как следствие, к снижению надежности. Энергия, накопленная в узлах последовательной и параллельной коммутации при работе на газоразрядную нагрузку, должна определяться из условия надежной коммутации токов, значительно превышающих номинальные и определяемые технологическими короткими замыканиями нагрузки (дуговой разряд в ионном азотировании, контракция в лазерных установках и т. д.). Перечисленные выше особенности схем последовательной и параллельной коммутации делают малоперспективным применение их при работе на газоразрядную нагрузку.

Устройства с естественной коммутацией тока фактически осуществляют питание нагрузки непосредственной энергией, накапливаемой в коммутирующем конденсаторе. При этом запасаемая в коммутирующем конденсаторе энергия не так резко зависит от параметров нагрузки, как в устройствах последовательной и параллельной коммутации. Управление такими устройствами предельно простое. Подача импульсов управления на включение силового тиристора однозначно определяет его последовательное выключение путем соответственной организации силовой схемы устройства.

Частотные возможности таких схем наиболее высокие.

Простейшая схема, осуществляющая принцип естественной коммутации тока нагрузки изображена на рис.5.6.

VS1 VSC + VS2 VSZН VDU - Рис.5.6. Схема преобразователя с дозированной передачей энергии в нагрузку PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com Схема работает таким образом, что в контуре силового тока между источником питания U и нагрузкой ZH оказывается включенным конденсатор С. При этом тиристоры включаются попарно: VS1, VS3 либо VS2, VS4.

Регулирование выходного сигнала в данном случае осуществляется изменением частоты переключения тиристоров. При этом энергия, поступающая в нагрузку за один такт ограничена емкостью конденсатора С и напряжением на его обкладках UС:

QH = 2 C UC U. (5.11) Если нагрузка шунтирована обратным диодом VD1, то напряжение на обкладках конденсатора в рабочем режиме при колебательном характере электромагнитных процессов в схеме фиксировано и равно напряжению питания. Тогда энергия, поступающая за один такт работы преобразователя в нагрузку, постоянна и не зависит от параметров нагрузки:

QH = 2 C U2. (5.12) Таким образом, осуществляется режим дозированной передачи энергии в нагрузку.

Работа схемы на нагрузку, шунтированную обратным диодом, нашла наиболее широкое применение. Последнее обусловлено следующими факторами:

1. Во всех режимах работы мгновенное значение тока через любые элементы силовой схемы не превышает мгновенного значения тока в нагрузке.

2. Напряжение на всех элементах схемы строго ограничено: на тиристорах и конденсаторе - напряжением питания, на обратном диоде - двойным напряжением питания.

3. Независимость энергии, передаваемой в нагрузку от параметров последней, особенно выигрышна при резко переменной нагрузке с возможностью короткого замыкания, что свойственно газоразрядной нагрузке (например, переход тлеющего разряда в дуговой при ограничении энергии дугового разряда не приводит к повреждению поверхности обрабатываемых изделий в установках ионного азотирования).

4. Предельная частота работы устройства определяется временем tВ восстановления управляющих свойств тиристоров. Учитывая, что при постоянном токе нагрузки IН напряжение на конденсаторе изменяется на 2U, получаем:

1 IH f = =. (5.13) 2 tB 2 C U Это наиболее высокая частота, достигаемая в однотактных преобразователях.

5. Данная схема имеет естественно падающую характеристику, что является одним из основных требований при работе на газоразрядную нагрузку. Действительно, при постоянной частоте модуляции f мощность, передаваемая в нагрузку, постоянна:

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com PH = UH IH = 2 C U2 f. (5.14) Тогда уравнение ВАХ имеет вид:

2 C U2 f UH =. (5.15) IH 6. Данная схема параметрически, то есть вследствие естественно падающей характеристики, может обеспечивать устойчивый режим работы системы "источник питания - нагрузка" (kу>0). Динамическое сопротивление источника питания с дозированной передачей энергии равно:

dUH - 2 C U2 f RД.ИСТ = =. (5.16) dIH IH С учетом (5.13) получим:

U RД.ИСТ = -. (5.17) IH Тогда для возрастающей ВАХ нагрузки с учетом выражения (5.1) условие устойчивости соблюдается всегда (kу>0).

Если нагрузка имеет падающую ВАХ, то для рабочей точки с напряжением UH и током IН получим:

UH = UXX.Г.Р - IH RД.Г.Р, (5.18) где UXX.Г.Р, RД.Г.Р - параметры аппроксимации ВАХ газового разряда.

Условие устойчивости системы "источник питания - нагрузка" в рабочей точке с параметрами UH и IН можно записать с учетом выражений (5.1), (5.17) и (5.18) в виде:

UXX.Г.Р - UH U K > - > 0, У IH IH откуда следует, что система устойчива, если соблюдается условие:

U > UXX.Г.Р - UH. (5.19) На практике не всегда рационально обеспечивать работу источника на газоразрядный промежуток, используя только его естественные характеристики. При большом абсолютном динамическом сопротивлении нагрузки это может привести к завышению установленной мощности источника питания. В этом случае более рационально использовать замкнутую систему регулирования, включающую преобразователь с дозированной передачей энергии в нагрузку.

7. Схема обладает повышенной надежностью, отключение нагрузки, в том числе и при коротком замыкании нагрузки, осуществляется простым снятием импульсов с тиристоров.

8. Схема с дозированной передачей энергии легко позволяет осуществить синхронную параллельную и последовательную работу. При параллельном подключении токи параллельных ячеек делятся пропорционально емкостям конденсаторов ячеек, поскольку при синхронной работе напряжения на конденсаторах равны. При последовательной работе напряжения на ячейках делятся обратно пропорционально емкостям конденсаторов, так как ток PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com ячеек одинаков. Это особенно ценно при промышленном производстве источников питания, поскольку позволяет набрать требуемую мощность источника питания с помощью оптимальных базовых ячеек.

Отмеченные особенности преобразователей с дозированной передачей энергии в нагрузку определяют перспективность использования устройств, построенных на базе указанного принципа при работе на повышенной частоте и на нагрузку с резко переменными параметрами, изменяющимися вплоть до короткого замыкания. Простота управления, естественная коммутация тока при перезаряде дозирующего конденсатора до значения равного напряжению источника питания, определяют высокую надежность работы.

ВЫВОДЫ ПО ПЯТОМУ РАЗДЕЛУ 1. К источникам питания ЭТУ на основе газового разряда предъявляются жесткие требования, которые сформулированы в подразделе 5.1.

Pages:     | 1 |   ...   | 6 | 7 || 9 | 10 |   ...   | 12 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.