Методы анализа

Ламповые преобразователи частоты. Область применения, принцип действия, конструкция. Типовые схемы ламповых преобразователей частоты. Способы регулирования мощности преобразователей

Лекция 10

Современные ламповые генераторы (ЛГ) для электротехнологических процессов охватывают диапазон частот 0.44-27 МГц и диапазон мощностей 20-2000 кВт. Обычно ЛГ содержит линейную электрическую цепь с нелинейным элементом (триод, тетрод или пентод). Применение схем с самовозбуждением дает наилучшие результаты при работе ЛГ на электротехнологические установки.

Однако существуют жесткие стандарты на отклонение частоты ЛГ от номинального значения, и необходимость их соблюдения вынуждает проводить тщательный выбор схемы ЛГ и ее параметров.

Схемы ЛГ содержат следующие основные элементы: лампа, колебательный контур, цепь обратной связи (ОС). Схемы ЛГ могут быть сведены к одноконтурной (рис.1.) и двухконтурой (рис.2.) схемам.

Рис. 1. Одноконтурная схема лампового генератора

Рис. 2. Двухконтурная схема лампового генератора

Одноконтурная схема ЛГ содержит резонансный контур с индуктивной компонентой в виде индуктора, параллельно которому подключена емкость. Наивысший КПД ЛГ достигается при использовании понижающего согласующего ВЧ трансформатора между нагрузочным контуром ЛГ и лампой. При этом компенсирующие конденсаторы должны быть включены на вторичной стороне трансформатора. В этом случае реактивная мощность циркулирует только в резонансном контуре, ток в обмотках трансформатора и потери в нем минимальны. Такой генератор называется апериодическим. Общий КПД ЛГ при этом достигает 75 %.

Проблема стабильности частоты решается выбором параметров цепи ОС. Основная схемная конфигурация цепи ОС показана на рис.3. Она используется, когда в течение всего электротехнологического процесса выполняется соотношение:

L_fb >> L_load,

где L_fb - индуктивность цепи обратной связи

L_load - индуктивность нагрузки.

При этом для ЛГ с самовозбуждением частота будет, в основном, определяться значением L_fb, а изменение L_load будет влиять на нее незначительно. Выполнение вышеприведенного условия ведет к увеличению реактивной мощности цепи ОС и росту потерь в индуктивности. Но одновременно увеличивается и угол фазового сдвига между анодным и сеточным напряжением j_uaug, что в конечном счете повышает КПД ЛГ.

Рис. 3. Базовая схемная конфигурация цепи обратной связи

Двухконтурная схема ЛГ включает такой же резонансный контур и дополнительный контур, который подключается между лампой и нагрузочным контуром. В этом случае колебательная система состоит из двух резонансных контуров.

Дополнительный контур дает:

· гибкие условия согласования, что очень важно при смене индуктора и длительных электротехнологических процессах, когда эквивалентные параметры индуктора могут изменяться в несколько раз;

· возможность повысить КПД ЛГ путем искажения формы анодного напряжения ЛГ.

Очевидно, что введение в схему дополнительного контура приводит к появлению дополнительных потерь в нем. Однако правильный выбор его параметров дает возможность путем искажения формы анодного напряжения получить би- и полигармонические режимы работы, в которых КПД ЛГ не только не снижается из-за этих потерь, но даже повышается.

Условия выбора параметров для получения бигармонического режима следующие:

· один из полюсов частотной характеристики должен быть равен n*f, где f - частота самовозбуждения; n =2,3,... При n равном 2 в анодном напряжении содержится вторая гармоника;

· сопротивление колебательной системы на этом полюсе должно быть в несколько раз больше, чем на частоте самовозбуждения. Это дает необходимую амплитуду второй гармоники в составе анодного напряжения.

Выполнение этих условий приводит к искажению формы анодного напряжения таким образом, что потери на аноде лампы значительно уменьшаются благодаря малому уровню анодного напряжения во время протекания тока анода лампы.

Наивысший КПД достигается при введении 4-ой или 5-ой гармоник. Общий КПД двухконтурного ЛГ в таких режимах может достигать 85ч90 %.

Если значение n находится в диапазоне 2 < n <..., то имеем полигармонический режим работы ЛГ. В таких режимах ЛГ имеет почти такой же КПД, а анодное напряжение кроме основной гармоники содержит не одну высшую гармонику, а две, например 2-ю и 3-ю или 3-ю и 4-ю и т.д.

Режим работы ЛГ в классе “C” показан на рис.4. Большие потери на аноде лампы объясняются как значительным уровнем анодного тока, так и напряжения.

Рис. 4. Режим работы лампового генератора в классе “C”

Бигармонический режим работы ЛГ с самовозбуждением с введением третьей гармоники показан на рис.5.

!

Рис. 5. Бигармонический режим работы ЛГ с самовозбуждением

Потери на аноде лампы в этом случае значительно меньше при том же уровне мощности в нагрузке благодаря пониженному уровню анодного напряжения во время протекания тока анода. Это означает увеличение КПД ЛГ и уменьшение потребляемой мощности. Дополнительно можно отметить следующее. Каждая лампа характеризуется предельно допустимой мощностью, рассеиваемой анодом. В режимах пониженного рассеяния мощности на аноде этот параметр достигает предела при передаче в колебательную систему большей мощности, чем при работе в обычном режиме. Таким образом, полигармонические режимы имеют дополнительное преимущество - увеличение колебательной мощности лампы.

Стабильность частоты в двухконтурных схемах достигается так же, как в одноконтурных.

Для анализа преобразователей электроэнергии разработано большое количество программ. Наиболее совершенными сегодня являются программы PSPICE и Microcup. В настоящем курсе используется программа PSPICE.

Современные методы анализа преобразователей электроэнергии основываются на:

· автоматическом формировании системы уравнений, описывающей электромагнитные процессы в них. Пользователь должен только указать типы элементов и их соединение друг с другом. Параметры сложных модельных элементов находятся в базе данных программ и определяются автоматически. Дискуссия об эффективном методе формирования системы уравнений (узловые потенциалы, переменные состояния и др.) завершена благодаря появлению современных компьютеров, для которых время расчета определяется только сложностью схемы (количеством элементов в ней). Среднее значение числа элементов схемы преобразователя равно 50, и различие в подходах к анализу рассматриваемых схем является незначительным.

· анализе переходных и установившихся режимов всей электрической схемы, что дает токи и напряжения всех элементов. Анализ переходных процессов определяет устойчивость работы преобразователей в динамических режимах - при начальном пуске, а также изменении нагрузки во время технологического процесса. Анализ установившихся режимов позволяет сравнить экономические параметры различных схем: энергоемкость, КПД, размеры, стоимость и т.д.

· моделировании системы управления и контроля преобразователя (если это необходимо). Это особенно важно при усложненных законах управления.

Дата добавления: 2014-01-07