Схемная реализация оптимальных режимов

Конечной целью реализации является построение схемы КПЧ, для которой выполняются уравнения, описывающие оптимальный стационарный режим. Для преобразователей на HP" в виде готового изделия задача схемной реализации состоит в выборе структуры схемы, параметров ее отдельных компонентов, источника колебаний и нагрузки, обеспечивающих оптимальный режим работы HP". Для КПЧ на синтезированных НРЭ возникает дополнительная задача по выбору компонентов синтезируемого элемента. Исходными данными при решении этих задач служат эквивалентные активные и реактивные сопротивления НРЭ (10) для найденных оптимальных режимов НРЭ. Рассмотрим в общих чертах основные вопросы, связанные со схемной реализацией оптимальных режимов КПЧ.

Выбор структуры схемы КПЧ. Структура схемы КПЧ зависит от способа подавления побочных гармоник на его выходе, типа НРЭ, числа составляющих в воздействующем колебании (1). Для преобразования промышленной частоты (50 Гц) при наличии трехфазиой питающей сети КПЧ строятся по схемам с компенсационным способом подавления побочных гармоник. В кратных преобразователях радиодиапазона используется фильтровой или комбинированный (для удвоителей частоты) способ, при этом фильтрами служат одиночные контуры или более сложные полосовые фильтры. Выбор конкретных схемных решений КПЧ определяется заданными требованиями.

Выбор параметров схемы КПЧ. Рассмотрим порядок выбора параметров трехконтурного умножителя частоты, схема замещения которого изображена на рис. 1. На схеме обозначено: Е,", Um, Л_ист — параметры источника напряжения с частотой со; L_n С" R, — параметры контуров с частотами настройки /to; — суммарное сопротивление потерь на частоте /то; R_H — сопротивление нагрузки; R_/v> C,_w — эквивалентные активное сопротивление и емкость НРЭ на частоте /то, определяемые выражениями (10), причем R_{m (a}> 0, Л"_й)< 0, Л_/(0 < 0; Q_r— комплексные амплитуды составляющих заряда; г = т, п, /.

Необходимо по известным параметрам НРЭ (R_ni), С_п0) и амплитудам воздействующего на НРЭ заряда выбрать параметры внешних по отношению к нему линейных электрических цепей КПЧ.

Составим уравнения гармонического баланса реактивных и активных мощностей на частотах /то, полагая при этом, что входной конур настроен в резонанс на //ко:

=> баланс реактивных мощностей, или условие настройки контуров в резонанс на частоту /то:

=> баланс активных мощностей.

Рис. 1. Схема замещения кратного преобразователя частоты.

На основании (11), (12) предлагается следующий порядок выбора элементов схемы КПЧ:

=> емкости С, контуров КПЧ следует выбирать из условия слабой связи между ними

а индуктивности — из условия (11) их настройки в резонанс на частоты /то с учетом эквивалентных емкостей С_п), а также реактивного характера проводимостей источника и нагрузки;

=> активные сопротивления суммарных потерь контуров (и нагрузки /?,) на частотах /со и /ко должны быть скомпенсированы отрицательными сопротивлениями 7?/₍₁₎ и R,_H,_t НРЭ. Поэтому оптимальное сопротивление нагрузки R_H=-R_m-R_n (R_{n (0}< 0). Соотношение R_alM + R, = 0 обычно выполняется автоматически, поскольку является ограничением + Р_{ = 0 (7);

=> параметры источника колебаний (Е_т «Лист) выбираются таким образом, чтобы выполнялось соотношение U_т — minQ_x (R_l[cr + R_m + Л,_т0),.

т.е. при настроенном в резонанс входном контуре обеспечивалась оптимальная амплитуда заряда (или тока => для обеспечения оптимального смещения заряда Q₀ на НРЭ необходимо подать напряжение смещения Uo_om (3).

В отличие от умножителей частоты, для которых все расчеты по определению параметров ограничиваются стационарным режимом, в делителях по завершении расчетов, связанных с определением оптимальных параметров схемы, необходимо произвести проверку выполнимости условий возбуждения колебаний и при необходимости ввести соответствующую корректировку. Для самовозбуждения колебаний необходимо выполнение следующих неоавенств.

где /?^" —сопротивления НРЭ на частотах /ш, /?со при Q/—> 0, Q_n—«0.

Выбор компонентов синтезированных НРЭ. При использовании синтезированных элементов выбор компонентов силовой части СНРЭ можно производить на основании его идеализированной модели по известной форме воздействия и отклика. В стационарном режиме работы КПЧ напряжения и токи соответствующим образом распределяются между накопителем и элементами управляемого ключа; мощность потерь СНРЭ полностью рассеивается на управляемом ключе. Силовые элементы СНРЭ должны быть выбраны таким образом, чтобы мощность рассеивания, мгновенные и средние значения напряжений и токов не превышали максимально допустимых значений, а СНРЭ обеспечивал преобразование заданной частоты с минимальными потерями мощности. Элементы управляемого ключа должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к приборам при их работе в импульсных режимах. Выбор схемного решения и параметров информационно-управляюшей цепи СНРЭ зависит от конкрегных условий и не составляет принципиальных трудностей.

Изложенный метод энергетического синтеза, апробированный автором на различных типах КПЧ, позволяет построить простые методики расчета с приемлемой для инженерной практики точностью (см., например, [27]).