книги из ГПНТБ / Медников, В. А. Высоковольтные модулированные униполярные генераторы

Я н ( 1 — Л")

к

подставив в (2—9), получаем

U\ (1 - К)

К.

Взяв производную Ру' по К и приравняв ее к нулю, получим зна­ чение К, при котором мощность в управляющем элементе макси­ мальна

и%

Заметив, что Ритах— -щ- и, подставив в (2—11), получаем Рутах =

= 0.25 Р н щах.

Выясним, как зависит относительная мощность потерь в управ­ ляющем элементе от К

иь

Ян

40

а близко к 0,25, это означает' что устройства для охлаждения ре­ гулирующего элемента должны быть рассчитаны на рассеяние теплбвой энергии по величине, равной четверти максимальной мощности нагрузки. Такая мощность потерь в управляющем эле­ менте может потребовать применения дополнительных охлажда­ ющих устройств.

■ (2-15)

41

Определим относительную мощность потерь в управляющем элемен­ те

аРу

рншах

1

Сучетом выражения (2—16), определим относительную мощ­ ность цотерь в управляющем элементе

Взяв производную по /С и приравняв ее к нулю,

Ян

’' = <1 - 2>0 ( 1 + т & ) - 0’

получим значение К —0,5, при котором мощность в управляющем элементе будет максимальна, при этом

вша, = 0.25 (l + - ^ 7 ) •

На рис. 2.5 кривые 8Х, 82, З3, 84 соответствуют значениям ^R = = 10; 3; 1; 0,1. Анализируя кривые 8Х, 82,. 83, 84 (рис. 2.2 и

рис. 2.5), видим, что с увеличением отношения ^R“ , к. п. д. устрой­

ства растет, но, с другой стороны, стах растет также очень быстро,, поэтому надо выбирать компромиссное решение, исходя из допу­ стимой мощности регулирующего сопротивления и мощности, по­ требляемой от источника питания, характеризуемой т].

Модулятор с управляющим элементом, включенным парал­ лельно, энергетически менее выгоден, чем модулятор с последова­ тельным включением управляющего элемента.

42

Рассмотрим, как К зависит от сопротивления управляющего элемента Ry. С этой целью выразим {Ун через U0

а максимальное напряжение на выходе определим при условии

ПU нтах Uo

Я б а л

~ж~ +1

тогда окончательно, согласно 2—1, получим

Сравнивая первый и второй методы модуляции высокого напря­ жения (рассмотренные в § 1 и § 2), устанавливаем, что первый метод энергетически выгоднее второго; одни и те же пределы регулиро­ вания выходного напряжения в первом случае достигаются мень­ шим варьированием параметра Ry; к. п. д. управления в первом варианте значительно выше, чем во втором. При максимальном на­ пряжении на выходе модулятора с последовательным включением управляющего элемента к. п. д. достигает единицы, в то время, как при параллельном включении управляющего элемента оно даже теоретически всегда меньше единицы, поэтому мощность источника во втором должна быть значительно выше. Однако последователь­ ное включение управляющего элемента трудно осуществить из конструктивных соображений, так как невозможно одновременно заземлить корпус прибора, регулятор, нагрузку и источник высо­ кого напряжения, поэтому один из этих элементов обязательно будет находиться под высоким потенциалом обоими полюсами. Но этот недостаток, вообще, не является препятствием для его осу­ ществления.

Рассмотренные способы модуляции высокого напряжения могут применяться во всех случаях получения высокого напряжения, но при этом необходимо учесть, что регулятор должен выполняться на полное напряжение нагрузки, значительные токи и мощности, что требует увеличения габаритов, веса, стоимости и усложнения конструкции за счет охлаждающих устройств. К тому же они не отличаются хорошими энергетическими характеристиками, одна­ ко позволяют модулировать высокое напряжение широким спект­ ром частот. Модулятор можно включить и на стороне низкого напряжения. В этом случае регулятор может быть выполнен более компактно и с применением типовых элементов, но тогда полоса пропускания преобразователя низкого напряжения в высокое должна быть достаточной для всех модуляционных частот.

43

§ 3. МОДУЛЯТОР С РЕГУЛИРУЮЩИМ ЭЛЕМЕНТОМ, ЯВЛЯЮЩИМСЯ АКТИВНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ И ВКЛЮЧЕННЫМ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ИЛИ ПАРАЛЛЕЛЬНО С ИСТОЧНИКОМ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ

Рассмотрим способы модуляции высокого напряжения измене­ нием напряжения, питающего преобразователь.

А. Последовательное включение регулирующего элемента

[28]. Основные выражения, характеризующие работу модулятора^ с точки зрения экономичности, будут аналогичны рассмотренным'

В § 1.

Для к. и. д. модулятора имеем гш = К.

Эта зависимость b полностью совпадает с прямой а (рис. 2.2). С учетом потерь в других элементах схемы получаем выра­

жение

Ч = W n = riaK .

Для различных т|п эта зависимость представлена на рис. 2.2, где обозначена буквами Сь а% а3|. При определении зависимости ре­ гулировочной характеристики K = f (Ry) необходимо иметь в ви­ ду, что в формулах должно участвовать приведенное сопротивле­ ние нагрузки

щ

Подставляя (2—20) в выражение (2—8), получаем с учетом т}п 1

К =

1+ Rat\nRynl '

Учитывая, что регулирующий элемент нагружен кроме нагрузки еще и сопротивлением потерь в элементах преобразователя, вы­ прямителя и фильтра для or получим

44

\по R бал / г*п

Кривые, отображающие эту зависимость, на рис. 2.5 обозначены

буквами гъ г2, г3, г4 для значений — L = 10; 3; 1; 0,1 соответст-

■Ябал

венно при Tin=0,78.

Аналогичным образом можно получить из (2—19) выражение для К, пользуясь условием (2—30)

45

Преимущества и недостатки этих способов регулирования пол­ ностью совпадают с преимуществами и недостатками ранее рас­ смотренных способов, за исключением конструктивного выполне­

грузки.

В связи с этим следует особо рассмотреть возможные способы совмещения функций регулирования с силовой частью схемы, где происходит основное преобразование энергии. Такие преобразова­ тели энергии низкого напряжения в высокое могут быть выполне­ ны по блок-схеме (рис. 2.1 е), важнейшей частью которой явля­ ются мощные инверторы, позволяющие постоянное напряжение преобразовывать в переменное синусоидальной или пр'ямоугольной формы, которое в дальнейшем может быть трансформировано до необходимого уровня. Совмещение функций инвертирования и регулирования позволит избавиться от необходимости применения специального регулятора, что резко сокращает габариты, вес и сто­ имость устройства при повышении надежности работы.

Рассмотрим возможности этих устройств.

§ 4. УПРАВЛЕНИЕ ВЫСОКИМ НАПРЯЖЕНИЕМ, ИЗМЕНЕНИЕМ АМПЛИТУДЫ И УГЛА ОТСЕЧКИ ВОЗБУЖДАЮЩИХ СИНУСОИДАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИИ

Исследования в области преобразования электрической энергии показывают, что в выходных.каскадах инверторов'для увеличения надежности работы, снижения габаритов и веса устройств в целом, следует применять полупроводниковые приборы. Наибольшее распространение получили транзисторы [29].

Обычно выходные каскады инверторов выполняют по двухтакт­ ным схемам, а транзисторы в них работают в режиме класса «В»

(рис. 2.6).

Рис. 2.6. У п р ощ ен н ая сх ем а т р а н зи ст о р н о го и н в ертора

46

47

Максимальное напряжение в нагрузке будет при максимальном на­ пряжении U'v которое в свою очередь определяется величиной на­

пряжения источника питания и напряжением перехода • коллекторэмиттер насыщенного транзистора. Иначе максимальное напряжение U \ шах определяется так:

Еа — Uk3h — U1тах.

Так как и КЭн< .Еп, то считаем и [тлу. = Еп,

Максимальная мощность в нагрузке

(2-30)

Эта зависимость представлена на рис. 2.5 кривой «Д».

Найдем максимальное значение riMи о. Из выражения (2—28)

Для определения максимума функции o=f(/c) необходимо взять ее производную по К и, приравняв к нулю, определить значение К, при котором о максимально

а' = -i— 2К = 0,

48