Однородная искусственная линия с вентилями

Поскольку физическая реализация линии с распределенной индуктивностью, обладающей одновременно и распределенными вентильными свойствами, в силовой импульсной технике маловероятна, перейдем к ее физи­ческому аналогу – ОИЛВ. При этом используется тот же принцип, что и при переходе от ЛРП к ОИЛ. ЛРП разбивается на ряд равных по длине отрезков, и каждый отрезок заменяется сосредоточенной индуктивностью Lяи емкостью Ся, величины которых Lя = L0/n и Ся = C0/n, а затем эти Г-об­разные ячейки объединяются в цепочечную структуру. Точно так же происходит переход от ЛРД к эквивалентной ОИЛВ, только в каждую ячейку добавляется диод, включенный последовательно с индуктивностью ячейки. На рис. 4.13 приведена схема генератора на основе n-звенной ОИЛВ [10].

Рис. 4.13

Численный анализ процессов в ОИЛВ подтвердил, что процессы частичного разряда ОИЛВ происходят на потенциальном пьедестале, определяемом (4.21). Отличие процесса частичного разряда ОИЛВ от частичного разряда ЛРД состоит в том, что перепад напряжений DU (4.22) распределяется на некотором числе ячеек линии, а не определяется разностью потенциалов каких-либо двух соседних ячеек.

Расчет параметров элементов ОИЛВ совершенно аналогичен расчету ОИЛ (3.9) и (3.10). Следует отметить, что в случае формирования импульса максимальной длительности tmaxв согласованном режиме (a = 1) отличие форм импульсов ОИЛ и ОИЛВ заключается лишь в несущественном увеличении длительности среза импульса tсру ОИЛВ по сравнению с ОИЛ. Но данный факт не представляет интереса, поскольку ОИЛВ предназначена для генерирования импульсов регулируемой длительности tvar < tmax, а длительность среза при этом определяется параметрами полностью управляемого ключа и постоянной времени L1/R.

На рис. 4.14 приведены осциллограммы тока нагрузки и токов всех индуктивностей пятизвенной ОИЛ при tк = 0,6tmax.Как видно из рисунка, в структуре ОИЛ после отключения полностью управляемого ключа присутствуют колебания, которые приводят к потере части оставшейся в линии на момент времени tк = 0,6tmaxэнергии.

Включение неуправляемых вентилей в ячейки ОИЛ последовательно с индуктивностями позволило полностью исключить колебания в структуре ОИЛВ, что дало возможность существенно повысить кпд процесса разряда и улучшить частотные свойства генераторов (рис. 4.15).

Рис. 4.14	Рис. 4.15

Одним из существенных преимуществ ОИЛВ является возможность создания генераторов импульсов тока регулируемой длительности с достаточно произвольно выбранными значениями волнового сопротивления, которое может быть существенно меньше значения сопротивления нагрузки. Режим работы ОИЛВ будет при этом несогласованным и апериодическим, что в принципе несущественно при наличии полностью управляемого силового ключа. Однако при этом появляется возможность на этапе проектирования ОИЛВ за счет свободного варьирования расчетного значения волнового сопротивления линии подобрать параметры конденсаторов ячеек таким образом, что бы они были кратными стандартному ряду номиналов. Кроме того, уменьшение значения волнового сопротивления линии приводит к увеличению ее суммарной емкости, но при этом уменьшается ее индуктивность, что позволяет изготавливать генераторы с уменьшенными мас­согабаритными и улучшенными технико-экономическими показателями.

Необходимо отметить, что по окончании достаточно короткого переход­ного процесса в емкостях ОИЛВ присутствуют остаточные напряжения.

Рис. 4.16

На рис. 4.16 приведены временные зависимости напряжений на емкостях пятизвенной ОИЛВ при длительности импульса тока нагрузки 0,7 с. Уже к 0,9 с переходный процесс завершен. Значения остаточных напряжений зависят от длительности импульса тока нагрузки и могут быть как положительными, так и отрицательными, что необходимо учитывать при создании зарядного устройства ОИЛВ.

4.7. Генераторы с дискретной регулировкой
длительности импульсов

Цепочечная структура ОИЛ позволяет регулировать длительность импульсов тока нагрузки за счет разряда различного числа ячеек. При этом минимальная дискретность регулирования определяется числом звеньев линии , а длительность формируемых импульсов , где .

На рис. 4.17 приведены импульсы тока нагрузки 10-звенной линии при включении двух, четырех, шести, восьми и десяти ячеек. Из рисунка видно, что при таком способе регулировки увеличиваются относительные длительности фронта и среза, но их абсолютная величина остается неизменной. Понятно, что ручное подключение или отключение части ячеек линии не представляет интереса.

Рис. 4.17

Поэтому практическую реализацию данного способа регулирования длительности можно осуществить, используя два принципиально различных подхода:

· заряд посредством электронного или электромеханического зарядного коммутатора необходимого числа ячеек ОИЛВ, разряд которой на нагрузку обеспечивается одним разрядным ключом VT (рис. 4.18);

Рис. 4.18

· разряд необходимого числа ячеек полностью заряженной ОИЛ с уп­равляемыми вентилями, также включенными последовательно с индуктивностями ячеек (рис. 4.19). В случае одновременного включения всех вентилей с помощью системы управления СУ такая линия представляет собой ОИЛВ, но требует зарядного устройства, обеспечивающего раздельный заряд каждой ячейки.

Рис. 4.19

Перспективным способом дискретной регулировки длительности ОИЛ является способ разбиения цепочечной структуры линии на отрезки, формирующие импульсы разной длительности. Коммутация таких отрезков на нагрузку в различной последовательности позволяет заметно сократить чис­ло разрядных управляемых вентилей.

Рассмотрим ОИЛ, содержащую n звеньев и разделенную на m неодинаковых отрезков таким образом, что длительность импульса, формируемого каждым последующим отрезком, в два раза больше, чем предыдущим: , где .

Приведенная на рис. 4.20 схема ГИТРД позволяет формировать в нагрузке импульсы, длительность которых изменяется дискретно в следующих диапазонах:

, где ; .

Здесь t1– длительность импульса, формируемого первым отрезком ОИЛ. Работа схемы (рис. 4.20) обеспечивается тем, что выход любого j-го отрезка линии соединен со входами каждого предыдущего отрезка: (j – 1); (j – 2), ...., 2; 1 и с нагрузкой.

Рис. 4.20

Сравним схемы генераторов с равными дискретами длительностей Dt1(см. рис. 4.18 и 4.19) и генератора с дискретами, изменяющимися по закону двоичного кода при одинаковых значениях tmax(см. рис. 4.20) по количеству используемых вентилей.

Зависимость величины дискретности длительности импульса от числа разбиений ОИЛ на отрезки значительно сильнее выражена во втором случае.

Действительно,

; ,

причем при m ³ 2, где и – относительные величины минимальных длительностей импульсов, реализуемых, соответственно, при равномерном и при неравномерном законах разбиения ОИЛ на одинаковое число отрезков.

В случае равномерного разбиения ОИЛ на отрезки (при этом число отрезков может быть меньше, чем число ячеек, т. е. m < n) число вентилей

.

При неравномерном разбиении ОИЛ на отрезки по закону двоичного кода зависимость числа вентилей от числа разбиений следующая:

.

При двоичном законе разбиения ОИЛ на отрезки максимальная длительность импульса , откуда .

Для одинаковых величин дискретности < 0,33 вариант разбиения ОИЛ на отрезки по закону двоичного кода предпочтительнее по числу используемых вентилей, чем при равномерном разбиении. Однако следует учесть, что неравномерное разбиение ОИЛ на m2отрезков позволяет реализовать и неравномерный дискретный ряд .

Таблица 4.3

	, %	m2
1/3
1/7
1/15	6,7
1/31	3,2
1/63	1,6

На практике выбор варианта должен определяться необходимой точностью регулирования. Как видно из табл. 4.3, например для случая £ 10 %, варианты равнозначны по числу вентилей, но второй вариант обеспечивает более высокую точность регулирования (выше заданной), так как при = 10 = 0,1, а при = 10 = 0,067.

4.8. Особенности расчета и проектирования генераторов
на основе однородных искусственных линий с вентилями

При изготовлении ОИЛВ необходимо учитывать те дополнительные потери, которые возникают непосредственно в вентилях ячеек в процессе формирования импульса тока нагрузки. Эквивалентная схема ОИЛВ, в ко­торой учитываются только потери в вентилях, приведена на рис. 4.21. В этой схеме статические вольт-амперные характеристики вентилей аппроксимированы зависимостью вида

,

где – дифференциальное сопротивление вентиля, – напряжение спрям­ления вольт-амперной характеристики вентиля. Потери в индуктивных и емкостных элементах линии не учитываются.

Рис. 4.21

Поскольку величины дифференциальных сопротивлений вольт-ампер­ных характеристик полупроводниковых и (особенно) газонаполненных вен­тилей различных видов несущественны, потерями в резисторах можно пренебречь. Тем не менее из 3.3 известно, что такие потери несколько увеличивают спад плоской части импульса тока нагрузки.

Для оценки влияния на форму импульса тока нагрузки величины используем метод переноса источников напряжения через узлы цепей и преобразуем схему, приведенную на рис. 4.21, в схему, изображенную на рис. 4.22. Как следует из этой схемы, значение начального напряжения заряда ячеек ОИЛВ пропорционально уменьшается с ростом номера ячей­ки, т. е. . Это несколько изменяет эпюр начальных напряжений заряда ОИЛВ и, как будет показано далее, также приводит к некоторому спаду плоской части импульса.

Рис. 4.22

У полупроводниковых вентилей значение обычно составляет порядка 1 В. При напряжениях начального заряда в сотни вольт и больше это несущественно даже при сравнительно большом числе ячеек ОИЛВ, но должно учитываться при использовании газонаполненных или вакуумных вентилей. Обычно выбор полупроводниковых вентилей производится по значению допустимого рабочего напряжения Uраби значению среднего то­ка Iср. Для k-го вентиля ОИЛВ его средний ток

,

а рабочее напряжение может быть принято равным напряжению заряда линии: Uраб = Uл. Тем не менее выбор вентилей по среднему току в силовой импульсной технике не всегда оправдан, так как при генерировании импульсов тока большой амплитуды в режиме одиночных импульсов средний ток нагрузки мал, а амплитуда импульса тока велика. В этом случае вентили надо выбирать, исходя из максимальных значений тока нагрузки, учитывая способность вентилей конкретного вида выдерживать кратковременные перегрузки по току. Для газонаполненных вентилей задаются такие основные параметры, как амплитуда напряжения анода, ток анода в импульсе, среднее значение тока анода, допустимая длительность импульса и максимальная рабочая частота. У этих вентилей отношение амплитудных и средних значений тока анода отличаются на два – три порядка. Полупроводниковые полууправляемые вентили (тиристоры) в отличие от газонаполненных вентилей допускают трех-пятикратное превышение амплитуды импульса тока над его средним значением при соответственном снижении среднего тока вентиля. Но эти вентили способны коммутировать импульсы только сравнительно большой длительности (десятки и более микросекунд), существенно превышающей время их включения. При этом необходимо следить, чтобы скорость нарастания анодного тока тиристоров не превышала допустимых паспортных значений.

5. Генераторы импульсов тока
регулируемой формы