Sb95751

отрезке времени от 0 до τ, где τ – длительность импульса, практически униполярны.

Рис. 5.2

При замыкании полностью управляемого ключа К начинается разряд ОИЛВ на нагрузку. Если ключ остается замкнутым в течение отрезка времени t > τ, то к моменту времени t = τ практически вся энергия, запасенная в ОИЛВ, выделится в нагрузке, если она является согласованной (ρ = R). Форма импульса тока ОИЛВ незначительно отличается от формы импульса тока эквивалентных ОИЛ. На рис. 5.2 изображены кривые токов в нагрузке 5-звенной ОИЛ и ОИЛВ. Как видно из рисунка, импульсы тока ОИЛВ имеют несколько большую длительность по сравнению с импульсами ОИЛ, причем сколько-нибудь заметное различие в форме начинается с момента временя t = 1. Таким образом, введение вентилей в ОИЛ не влияет на фронт и вершину импульса. Срез импульса получается немного более пологим, но поскольку в генераторах прямоугольных импульсов тока регулируемой длительности с ОИЛВ обязательно наличие полностью управляемого ключа, предназначенного для регулирования длительности импульса, то длительность среза импульса будет определяться параметрами самого ключа и контура нагрузки. При регулировании длительности импульса полностью управляемый ключ S1 отключает ОИЛВ от нагрузки в момент времени t < τ. Энергия, оставшаяся в ОИЛВ и запасенная в электрическом поле емкостей С1 – Сn и поле индуктивностей L2 – Ln практически полностью сохранится, перераспределившись в энергию электрического поля емкостей ОИЛВ. На рис. 5.3 приведены кривые токов в индуктивностях, а на рис. 5.4 – напряжения на емкостях ОИЛВ при времени размыкания ключа t = τ/2.

21

Рис. 5.3

Таким образом, введение вентилей в ячейки ОИЛ позволяет плавно регулировать длительность импульса тока нагрузки при сохранении высокого значения КПД. По окончании переходного процесса в ОИЛВ в емкостях ячеек остается определенная доля энергии. Емкости при этом

заряжены до различных остаточных напряжений Uост, причем всегда

выполняется условие Uост1 > Uост2 > ... > Uостn.

РасчетпараметровэлементовОИЛВаналогиченрасчетупараметровОИЛ.

Задание к лабораторной работе

1. В схеме ОИЛ (τ = 1 мс, Rн = 1 Ом, n = 5) введите последовательно с нагрузкой ключ, управляемый по времени. Предварительно зарядите все

конденсаторы, используя режим Read и кнопку VID. Ключ замкнут в момент времени t = 0 ÷ τ/2. Постройте временные диаграммы:

-тока в нагрузке;

-токов в индуктивностях ячеек;

-напряжений на емкостях ячеек.

Рис. 5.4

22

2.Введите вентили в ОИЛ (см. рис. 5.1). Постройте для различных длительностей импульса тока нагрузки временные диаграммы:

- тока в нагрузке; -токов в индуктивностях ячеек;

- напряжений на емкостях ячеек.

3.Объясните полученные зависимости.

Лабораторная работа 6

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ОДНОРОДНОЙ ИСКУССТВЕННОЙ ЛИНИИ С УПРАВЛЯЕМЫМИ КЛЮЧАМИ

В ряде импульсных электротехнологий регулирование формы импульса позволяет повысить качество и производительность технологического процесса. Одним из способов создания генераторов импульсов тока регулируемой формы является введение ключей в ОИЛ. Электрическая схема генератора на основе ОИЛ с ключами (ОИЛК) изображена на рис. 6.1. Она обладает рядом достоинств по сравнению с другими схемными решениями. Основным преимуществом является неизменность режима согласования формирующего устройства с нагрузкой при изменении формы импульса в широких пределах.

Рис. 6.1

23

В случае, когда все отрезки линии заряжены до одинаковых значений напряжений, при коммутации ключей по волновому закону в нагрузке выделится прямоугольный импульс тока, ничем не отличающийся от импульса формируемого ОИЛК. Основное различие между ОИЛВ и ОИЛК состоит в том, что в ОИЛК емкости могут быть заряжены до напряжений различных уровней. Это позволяет решить более сложную задачу формирования импульсов регулируемой формы. В ОИЛК форма импульса тока в согласованной линейной активной нагрузке соответствует в определенном масштабе форме эпюра зарядного напряжения.

Для получения тока нагрузки заданной формы с помощью ОИЛК необходимо задаться формой зарядного напряжения емкостей ячеек. Для получения импульсов тока прямоугольной формы – обеспечить равный заряд

емкостей ячеек как U1 = U2 = …= Un. Для спадающих форм должно быть

U1 > U2 >…>Un, для нарастающих U1 < U2 <…< Un.

Для ОИЛК было получено уточненное значение моментов коммутаций ключей tk 0.93 k 1 2τnи . При этом ключ должен удерживаться

в открытом состоянии с момента включения и до окончания формирования импульса.

Рис. 6.2 Рис. 6.3

Все параметры ОИЛК рассчитываются так же, как и для обычной

ОИЛ; при этом τ 2.2 L0C0 .

На рис. 6.2 изображены различные варианты форм токов нагрузки, получаемые с помощью 5-звенной ОИЛК (прямоугольная – кривая 1,

24

линейно спадающая – кривая 2 и линейно нарастающая – кривая 3) а на рис. 6.3 – модулированный импульс тока нагрузки при увеличенном значении времени задержки tk .

Задание к лабораторной работе

1. Постройте принципиальную схему генератора на ОИЛК (рис. 6.1) с параметрами: τ = 1 мс, Rн = 1 Ом, n = 5, используя либо тиристоры и импульсные источники управляющего напряжения, либо T-ключи с диодами.

2. Постройте временные диаграммы тока в нагрузке при одинаковом уровне заряда ячеек:

-при одновременной коммутации ключей (tk 0);

-при коммутации ключей по закону tk 0.93(k 1) 2τnи .

3. Построите временные диаграммы токов в нагрузке при коммутации

-для линейно нарастающего уровня заряда ячеек;

-для линейно спадающего уровня заряда ячеек. 4. Объясните полученные зависимости.

Лабораторная работа 7 РЕЗОНАНСНЫЙ И РЕЗОНАНСНО-ДИОДНЫЙ РЕЖИМЫ ЗАРЯДА

ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ.

Дифференциальное уравнение для эквивалентной схемы цепи заряда емкостного накопителя (рис. 7.1) будет следующим:

где L – индуктивность зарядного дросселя; i – мгновенный ток индуктив-

накопителя в начальный момент времени, а I(0)=0 – зарядный ток формирующей линии в начальный момент времени и пренебрегая потерями в зарядном контуре (r=0), получим решение дифференциального уравнения (рис. 7.1), которое дает для напряжения u(t) и зарядного тока i(t) накопителя следующие уравнения:

Анализируя работу генератора в установившемся режиме, можно сделать следующие выводы:

-начальный зарядный ток I(0) для любого установившегося режима должен иметь определенное и постоянное значение;

-при постоянной длительности зарядного периода T или, что то же самое, при постоянной частоте повторения управляющих импульсов f максимальное напряжение, до которого заряжается емкостный накопитель, так же является величиной постоянной;

-за короткий промежуток времени, в течение которого происходит разряд накопителя, ток через зарядный дроссель практически не изменяется,

ипоэтому зарядные токи в начале следующего и в конце предыдущего зарядных периодов равны, а в установившемся режиме равны так же токи в начале и в конце данного периода: I(0) = I(T).

Из уравнения (7.2) можно найти начальный зарядный ток для установившегося режима:

Из полученного уравнения видно, что начальный зарядный ток может быть равен нулю, если ωТ = π, больше нуля, если ωТ < π, и меньше нуля, если ωТ > π. В зависимости от длительности зарядного периода кривая нарастания напряжения на накопителе может иметь ту или иную форму. При этом напряжение формирующей линии к концу зарядного периода будет всегда равно двойному значению напряжения источника питания. При отсутствии активных потерь КПД индуктивного заряда равен 100 %, поэтому энергия,

26

запасаемая в емкостном накопителе за один период W CU2 С2 , равна энергии,

потребляемой от источника W CUСE . Тогда UС 2E .

Таким образом, характер заряда емкостного накопителя зависит от параметров зарядной цепи и частоты повторения импульсов, т. е. от режима работы генератора.

а б

Рис. 7.2

Случай заряда накопителя, когда I(0) = 0, соответствующий условию ωТ = π, носит название резонансного режима заряда. Напряжение и ток при данном режиме заряда (рис. 7.2) описываются уравнениями вида

u(t) 1 cosωt , i(t) Eρ sin ωt .

Наиболее широкое применение на практике нашел резонанснодиодный заряд. При этом в зарядную цепь последовательно с индуктивностью включается отсекающий диод, который не допускает обратного разряда формирующей линии в источник питания. В связи с этим напряжение накопителя будет всегда удерживаться на максимальном уровне, до которого он заряжается. На рис. 7.2, б показаны кривые тока и напряжения формирующей линии при резонансно-диодном заряде. В этом случае, благодаря отсутствию переходных процессов в цепи заряда, при изменении рабочей частоты генератора импульсная мощность на выходе генератора остается постоянной.

Задание к лабораторной работе

1. Постройте эквивалентную схему зарядной цепи генератора в окне редактора схем (рис. 7.3).

27

Рис. 7.3

2.Вычислите значение зарядной индуктивности, если при резонансном режиме заряда генератор импульсов работает с частотой f = 50 Гц. При этом напряжение источника питания Е = 500 В, значение емкостного накопителя С = 100 мкФ. Задайте параметры генератора импульсов, управляющего ключом.

3.Введите в схему последовательно с индуктивностью диод и постройте временные диаграммы тока и напряжения емкостного накопителя при частоте следования импульсов f = 25 Гц.

4.Объясните полученные зависимости.

Лабораторная работа 8 ЛИНЕЙНЫЙ И КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМЫ ЗАРЯДА

ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ

Случай заряда формирующей линии, когда I(0) > 0, соответствующий условию ωT < π, носит название линейного режима заряда. Для этого случая начальный зарядный ток будет больше нуля и определяется как

На рис. 8.1, а приведены временные зависимости напряжения и зарядного тока накопителя для данного случая. Кривые представляют собой определенные участки косинусоид и синусоид, которые периодически повторяются. Из рисунка видно, что временная зависимость напряжения на

28

емкости почти приближается к прямой линии. Степень приближения к прямой будет тем больше, чем больше коэффициент k TTР .

К достоинствам линейного режима заряда можно отнести уменьшение пульсаций зарядного тока и потерь в индуктивности, а также то, что при одной и той же зарядной индуктивности возможна работа на разных частотах. Следует отметить, что нельзя допускать чрезмерно больших превышений рабочей частоты генератора по сравнению с расчетной, так как при пропусках замыкания ключа возникают значительные перенапряжения на накопителе. Этот режим аварийный, и для исключения тяжелых последствий необходимо знать предельное напряжение заряда накопителя Umax в случае IL 0 . В самом общем случае в накопителе имеется начальное

(остаточное) напряжение U (0) 0 , а ток индуктивности IL 0 . Тогда:

Umax E E2 2EU0 C WC (0)2 WL (0) .

Линейный режим заряда, как и резонансный, не может быть использован, если по условиям работы при изменении частоты повторения импульсов требуется, чтобы импульсная мощность на выходе генератора поддерживалась постоянной. Изменение частоты повторения импульсов для этих режимов всегда сопровождается переходными процессами с переменной импульсной мощностью на выходе генератора. Длительность переходного процесса будет тем больше, чем больше зарядная индуктивность.

Рис. 8.1

Рассмотрим случай заряда, соответствующий условию ωT > π и называемый колебательным. Пусть k = 2/3, тогда I(0) = – Е/ρ (ток отрицателен).

29

Выражения для напряжения и тока при данном виде заряда будут выглядеть следующим образом:

На рис. 8.1, б приведены кривые, построенные в соответствии с этими уравнениями.

Из кривых видно, что разряд формирующей линии происходит при напряжении, меньшем его максимального значения, а это снижает импульсную мощность на выходе генератора, так как коммутатор не используется по напряжению полностью. При колебательном режиме заряда увеличиваются потери в зарядной индуктивности. Преимущественно потери растут в магнитопроводе вследствие увеличения коэффициента пульсаций для кривой зарядного тока.

Задание к лабораторной работе

1.Постройте эквивалентную схему зарядной цепи генератора в окне редактора схем (рис. 8.2).

2.Вычислите значение зарядной индуктивности, если при резонансном режиме заряда генератор импульсов работает с частотой f = 50

Гц. При этом напряжение источника питания Е ~ 500 В, емкостный накопитель С = 100 мкФ. Задайте параметры генератора импульсов, управляющего ключом, следующими:

MODEL PULSE PUL (VONE=5 Р1=0 Р2 =0 P3=5u P4=5u P5=250u)

3. Постройте временные диаграммы тока и напряжения емкостного накопителя при трех значениях частоты следования импульсов.

Рис. 8.2 4. Объясните полученные зависимости.

30