Лекция 8. Схемы ГИН с умножением напряжения

Схема одноступенчатого ГИН

Лекция 7. Генераторы импульсных напряжений (ГИН). Принцип работы и характеристики приведенной схемы.

Грозовые (рис.3.1) и коммутационные (рис.3.3) импульсы напряжения можно воспроизвести наложением двух затухающих экспоненциальных функций разных полярностей (рис.3.4). Это означает, что схема для получения этих импульсов должна содержать, по крайней мере, два накопителя энергии, чтобы обеспечить требуемую двух экспоненциальную форму кривой. Обычно в качестве накопителей энергии используются индуктивности и ёмкости. Индуктивный накопитель с большой накапливаемой энергией не пригоден для быстрого разряда в микросекундном диапазоне. Испытуемый объект чаще всего представляет собой емкостную нагрузку, а в качестве генераторов используют обычно схемы с емкостным накопителем энергии. Индуктивность схемы генератора ограничивает минимально возможную длительность фронта импульса Т ₁. С помощью специальных конструктивных решений можно добиться существенного снижения индуктивности схемы и её можно рассматривать как паразитную, а в схемах генератора ею вообще пренебрегают. Для получения очень высоких напряжений используются, как правило, многоступенчатые схемы генераторов. Работу таких генераторов лучше всего пояснить с помощью одноступенчатой принципиальной схемы.

При напряжениях менее 100 кВ применяются одноступенчатые схемы, показанные на рис.3.6. Накопительный конденсатор C ₁ медленно, за время более 5 с, заряжается от источника постоянного напряжения до напряжения U ₀ и затем через коммутатор SF разряжается на емкость нагрузки С ₂. Сопротивления R ₂ (разрядное сопротивление), и (фронтовые сопротивления) служат для получения требуемой формы импульса. При U ₀ > 10 кВ в качестве коммутатора SF может быть использован простейший шаровой разрядник, работающий в атмосферном воздухе и срабатывающий без дополнительной системы управления при малых разбросах напряжения пробоя. Уровень требуемого напряжения регулируется расстоянием s между шарами. Время коммутации такого простейшего искрового промежутка при больших напряжениях ~ 10 нс, поэтому процесс коммутации незначительно влияет на изменение напряжения u(t) на ёмкости С ₂. Сам элемент SF можно рассматривать как идеальный коммутатор при получении грозовых импульсов (малое падение напряжения в проводящем состоянии). Следует отметить, что в качестве коммутаторов применяются также и другие типы управляемых и неуправляемых коммутаторов. Электронные коммутаторы (транзисторы, тиристоры, тиратроны) находят применение лишь при низких напряжениях.

Нагрузка С ₂ состоит из параллельно соединенных: емкости испытуемого объекта С _об; ёмкости измерительной аппаратуры С _и, включая ёмкости измерительного и срезающего шаровых разрядников; ёмкости генератора и всех соединительных проводников на стороне высокого напряжения c _пр; дополнительной (стабилизирующей) ёмкости С _ст.

(3.1)

При компактном исполнении испытательной схемы величиной c _пр можно пренебречь. Стабилизирующая дополнительная ёмкость С _ст ставится в схему для того, чтобы при изменении ёмкости объектов испытаний С _об не возникало необходимости в замене фронтовых и разрядных сопротивлений. Часто эта ёмкость используется как высоковольтное плечо ёмкостного делителя напряжения. Сопротивление R _з0, через которое происходит зарядка накопительной ёмкости С ₁ определяет время заряда ГИН и служит для ограничения зарядных токов.

Работа генератора, схема которого представлена на рис.3.6 состоит из двух этапов. На первом этапе происходит зарядка накопительной ёмкости С ₁ от источника напряжения U ₀ через зарядное сопротивление R _з0. Время заряда определяется постоянной времени заряда t_зар = R _з0× С ₁ и зависит от типа питающего напряжения. На рис.3.7. представлены графики изменения напряжения на ёмкости С ₁. График 2 соответствует зарядке от источника постоянного напряжения. График 1 соответствует зарядке от источника переменного напряжения с однополупериодным выпрямлением при условии, что t_зар >> 5 мс, т.е. значительно больше четверти периода переменного напряжения промышленной частоты. Обычно для ГИН, предназначенных для проведения высоковольтных испытаний это условие выполняется.

Отрезки времени зарядки ёмкости t ₁, t ₂ и t ₃ (рис.3.7.б) определяются временем открытия вентиля VD (рис.3.6) из условия U > U _c1. По мере зарядки ёмкости С ₁ эти отрезки уменьшаются. Если t_зар << 5 мс, то зарядка ёмкости С ₁ происходит в первую четверть периода, т.е. t ₁ = 5мс, а t ₂ = t ₃ =0.

После зарядки ёмкости С ₁ происходит срабатывание коммутатора SF, пробивное напряжение которого выбирается равным напряжению U ₀. Если в качестве коммутатора SF выбирается управляемый коммутатор, то время его срабатывания определяется временем подачи управляющего импульса со специального запускающего генератора (ЗГ). Начинается зарядка ёмкости С ₂ через фронтовые сопротивления и . Напряжение на объекта испытаний (ёмкости С ₂) возрастает до некоторого максимального значения, после чего начинает его уменьшение. Малая длительность фронта Т ₁ импульса u(t) (зарядка С ₂) обеспечивается соответствующим подбором фронтовых сопротивлений. Параллельно с зарядкой С ₂ ёмкость С ₁ разряжается через разрядное сопротивление R ₂, однако, в силу того, что разрядное сопротивление значительно больше фронтовых, этим процессом при оценочных расчетах можно пренебречь. Эти процессы представлены на рис. 3.8.

Максимальное напряжение на объекте испытаний (U_max) оказывается меньше, чем напряжение U ₀, до которого была заряжена накопительная ёмкость С ₁ до срабатывания коммутатора. Это объясняется по меньшей мере двумя причинами: а) сопротивления R ₂ и образуют делитель напряжения и поэтому напряжение на С ₂ будет несколько меньше чем на накопительной ёмкости ; б) зарядка ёмкости С ₂ осуществляется за счет зарядов, накопленных на С ₁ (происходит перераспределение зарядов), что приводит к её разряду и уменьшению напряжения до величины . После достижения максимального напряжения на объекте испытаний (С ₂), начинается процесс совместной разрядки ёмкостей С ₁ и С ₂, обеспечивая (подбором разрядного сопротивления R ₂) требуемую длительность импульса Т ₂. Импульс может быть количественно описан с помощью постоянных времени t₁, t₂ и коэффициента использования по напряжению h. Максимальное значение выходного напряжения регулируется за счет изменения напряжения пробоя коммутатора SF. В простых разрядниках, работающих в атмосферном воздухе необходима бесступенчатая регулировка расстояния между электродами. Такая регулировка осуществляется дистанционно, обычно электроприводом. Если используются управляемые разрядники, то нужно измерять зарядное напряжение U ₀ с помощью специальных делителей напряжения и по достижению требуемого значения напряжения подавать сигнал на запускающий (поджигающий) генератор. При необходимости работы генератора в режиме повторяющихся импульсов с постоянной амплитудой нельзя воспользоваться напряжением пробоя разрядников, так как на его значение влияют предшествующие разряды. В этом случае следует поддерживать постоянным время зарядки емкости C ₁. Важнейшей характеристикой генератора является накопленная в конденсаторе C ₁ энергия, кДж, при максимальном рабочем напряжении U ₀:

. (3.2)

Энергия W определяет также и стоимость генератора.

Напряжение на ёмкости С ₂ (объекте испытаний) имеет вид:

, (3.3)

где h = U_max / U_о - коэффициент использования по напряжению

; (3.4)

; ; (3.5)

; (3.6)

. (3.7)

Время достижения максимального напряжения на объекте испытаний можно определить, если взять производную по t от U (t) в выражении (3.3) и приравнять её нулю:

(3.8)

При оценках параметров ГИН можно использовать упрощенные формулы постоянных заряда соответствующих RC цепочек:

(3.9)

Связь между постоянными времени t₁ и t₂ и параметрами импульса T ₁ и T ₂ можно оценить по следующим соотношениям:

, (3.10)

где коэффициенты a, b, c можно оценить из графиков рис.3.9.

Схема Аркадьева-Маркса

Одноступенчатые схемы рис.3.6. при напряжениях более 250 ¸ 300 кВ становятся неприемлемыми, так как затраты на создание источника высокого зарядного напряжения оказываются чрезмерно большими, а значительные размеры элементов не позволяют изготовить генератор компактным.

Для получения компактных генераторов используют схемы умножения напряжения. Однорядные и двухрядные схемы ГИН приведены на рис.3.10 и 3.11.

Кроме того, максимальное рабочее напряжение современных импульсных конденсаторов не превышает 400 кВ (см. табл.П4.1 ¸П4.3).

Основной принцип работы многоступенчатых ГИН с умножением напряжения состоит в том, что накопительные конденсаторы , заряжаются параллельно до напряжения U ₀, а в момент коммутации соединяются последовательно. Суммарное напряжений на таком сборном конденсаторе С ₁ увеличивается в n раз, где n – число накопительных конденсаторов.

Время зарядки отдельных конденсаторов многоступенчатых ГИН несколько отличаются друг от друга, поскольку в цепях зарядки стоит разное число зарядных сопротивлений R _з1. Для снижения различий времен зарядки в первой ступени обычно ставится зарядное сопротивление R _з0 >> R _з1. При таком выборе зарядных сопротивлений постоянная времени всех конденсаторов практически будет равна t_зар = R _з0×. Время заряда определяется по графикам рис.3.7 и обычно выбирается равным 10 ¸ 30 с.

На рис.3.12 представлена схема двух первых каскадов ГИН 120/2400 (120 кДж, 2400 кВ) серии G фирмы High Volt. Поперечный разрез и внешний вид этого ГИН показан на рис.3.13 и 3.14. На рис 3.15 – ГИН ВЭИ. В качестве коммутатора в первой ступени выбран управляемый шаровой разрядник (тригатрон). Запуск генератора осуществляется подачей на тригатрон поджигающего импульса от запускающего генератора (ЗГ). Управляющий сигнал на запускающий генератор подается по оптоволоконным линиям связи (ОВС) с пульта управления. По ОВС на пульт поступает информация через конденсатор связи (КС) с импульсного детектора (ИД) и с аварийного детектора (АД). После зарядки накопительных конденсаторов , устанавливаются следующие напряжения. В точках 1, 2 U ₁ = U ₂ = U ₀ = 100 кВ. В точках 3 ¸ 6 U ₃ = U ₄ = U ₅ = U ₆ = 0. В точках 7, 8 U ₇ = U ₈ = - U ₀ = -100 кВ. После коммутации и пробоя разрядного промежутка тригатрона потенциал точки 7 становится равным потенциалу точки 1, т.е. U ₁ = U ₇ = 100 кВ.

Поскольку конденсатор заряжен до напряжения U ₀ и U ₄ больше на 100 кВ, чем U ₇ напряжение в точках 4 и 5 становится равным 200 кВ. Для сглаживания переходных процессов при коммутации разрядников между точками 4 и 5 ставятся демпфирующие сопротивления r _Д, которые одновременно являются составляющими фронтового сопротивления . Потенциал в точке 2 на 100 кВ больше чем в точке 5 и становится равным 300 кВ. На шаровом разряднике второй ступени (между точками 2 и 8) возникает разность потенциалов в 300 кВ, вследствие чего он пробивается и в точке 8 потенциал также становится 300 кВ. Поскольку в точке 6 потенциал на 100 кВ больше чем в точке 8 (конденсатор заряжен), то он становится равным 400 кВ. Процесс продолжается до пробоя всех шаровых разрядников ступеней и соединения всех конденсаторов ГИН последовательно. Суммарная ёмкость всех накопительных конденсаторов , образует ёмкость С ₁ схемы рис.3.6. Обычно в ГИН выбираются одинаковые по ёмкости накопительные конденсаторы, так что .

По конструктивному исполнению ГИН делятся на генераторы этажерочного (рис.3.14, 3.15), башенного (рис.3.16) и колонного (рис.3.17) типа. Генераторы лестничного типа практически не используются из-за больших габаритов, нерационально используемого объёма установки и малой величины объёмной энергии.

Схема Фитца

Для более качественного контроля за формой импульса используют ГИН Фитца, схема и режим работы которого показаны на рис.3.18. Как и в ГИН Аркадьева – Маркса зарядка конденсаторов осуществляется параллельно через зарядные сопротивления R _з0 и R _з1. Высоковольтные вентили VD 1 и VD 2 открыты. При выполнении условия R _з0 >> R _з1 зарядка всех ёмкостей и заканчивается практически одновременно.

Потенциалы в точках 1 и 3 достигнут величины U ₁ = U ₃ = + U ₀. В точках 0, 2 и 4 они будут равны нулю. Суммарное напряжение на выходе с пар конденсаторов и будет равно нулю, т.е. U ₀₂ = U ₀₄ = U ₂₄ = 0. Следующая стадия работы ГИН – подача поджигающего импульса на ШР. Шаровые разрядники пробиваются (рис.3.18.в) и образуется разрядный колебательный контур из конденсатора , индуктивности L 1, вентиля VD 2 и ШР. Начинается колебательный процесс в этом контуре, который приводит к перезарядке ёмкости и гашению дуги в ШР. Конечная стадия этой перезарядки показана на рис.3.18.г. После перезарядки все конденсаторы выстраиваются последовательно, как и в ГИН Аркадьева-Маркса. Процессами разрядки конденсаторов можно пренебречь, поскольку в этой схеме постоянная времени разряда будет определяться большими величинами зарядных сопротивлений R _з1, которые значительно (в сотни тысяч раз) превышают величины разрядных сопротивлений схемы рис.3.10, 3.11. Выбор величины индуктивности L 1 определяется предельно допустимым импульсным током (), который может пропустить вентиль VD 2 и условием, что вся запасённая в ёмкости энергия будет сохранена в индуктивности:

(3.11)

Пусть ёмкость = 0,5 мкф, а напряжение U ₀ = 100 кВ. Допустимый импульсный ток вентилей может превышать их максимально допустимый ток в стационарном режиме в несколько десятков раз и достигать сотен ампер. Пусть = 500 А. Тогда выбор величины L 1 по формуле (3.11) даст величину L 1 = 20 мГн. Тогда время перезарядки () будет определяться половиной периода колебаний в контуре, образованном и L 1, для которого , т.е 0,3 мс. Постоянная времени разряда этой же ёмкости через зарядное сопротивление = 1 Мом составляет 0,5 с, т.е. более чем в 1000 раз больше . После выстраивания всех ёмкостей последовательно подается поджигающий импульс на основной шаровой разрядник (ОШР).

Дата добавления: 2014-01-07