автореферат диссертации по энергетике, 05.14.12, диссертация на тему:Коммутаторы емкостного накопителя энергии для электродинамического ускорителя массы

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ /технический университет/

РГБ ОД

МИЛРИН ППСИЛИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ШИУТАШН ЕУКОСШГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ для ЖКТРОДИИШЧКШГО УСКОРИТЕЛЯ мш: а

Специальность Oii.M.IÜ. "Тсхиикд ныеоких шшцяжший"

ft н т (i i» к ф i-: i1 п т

ДИСССЧ'Т'ЩИЯ lid сои(;к<чнис цчемой степени К.ШДИД.ЧТ^ ТСХНИЧ(;СКИХ ll.l'IK

MiHKiid 19Я4 г.

Работа выполнена в Московском Энергетическом Институте и Чувашском государственном университете.

Научный руководитель:доктор технических наук,

профессор В.П.Ларионов

Официальные оппоненты:доктор технических наук,

старший научный сотрудник Н.В.Шилин

кандидат физико-математических наук .В.Е.Астахов

Ведущее предприятие: ВНИЦ . ВЭИ им.В.И.Ленина

Защита состоится " У " 1994 года в аудитории Ш

вхбчас.О^ мин.,на зягедании специализированного совета К 053.16.07 Московского энергетического института.

Отзывы в двух экземплярах .заверенные печатью,просим присылать по адресу:105853,ГСП,Москва,Е-250,Красноказарменная улица,дом 14,Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан"_"_1994 г.

Ученый секретарь специэлизированного совета К 053.Ifi.07.

к.т.н. ,е.н.с, / Т.Н.Тарасова

niinnu хм'пктн'ипикп рпыпи

ЙКЩаЛЬНОСТЬ рабОТЫ . I. ii.УЧИ С раЗВИТИСМ космичоской техники itlU1! МИ1Й является проиломавзаимодействия тол при их соударениях. При 1)1.ШИИ модемных космических СИСТОМ Необходимо Прогнозировать резу.НЬ in высокоскоростного взаимодействия тел и разработки систем mumme и i тойкости элементов т.тих систем при воздействии im них тел, имеш X относительную скорость dt нескольких километров и секунду при ма> тел порядка граммов и до многих десятков километров при массах im дка миллиграммов. Для решения проблем, связанных с высокоскорш i ми гочдарсниями. необходимы зкеперименталыше установки ускорите тел. При этом к ускорителям предъявляйте« строгий требования как и иоиении обеспечения тревуемых скоростей и масс ускоряемых п-п. к и удобств проведения чкепериментов, соблюдения условий безоп.о

СТИ.

1)дним из перспективных цстрой!:тп для метания тел с гинерзвуконнмн космическими скоростями унляюп я члектромагпитнн!! ускорители, со i.içi ие сильное импульсное магнитное поле, взаимодей!твующее с током, отекавшим в ускоряемом теле. Источником энергии в таких ускорителях ляются емкостные накопители. Основной проблемой при создании таких конителей является коммутация разрядных токов. Несмотря на наличие знообразинх коммутаторов псе еще остается актуальной разработка nie Фических коммутаторов, с учетом особенностей накопителя и режима ф рения.

Разработка специальных конструктивно совмецаемых ыалоиндуктинных зрядников с искажением поля. предназначенных для установок > ектромагнитными ускорителями тел, позволяет не только улучшить гьнм тцы накопителя энергии, но и обеспечить требуемый режим ускорение. сличить скорости метаемых тел при требуемых мамах.

До сих вор разработка таких разрядников не имеет достаточной и-и тической базы, и проектирование основывается на отрывочных :шиири ских сведениях. Поэтому требуется разработка нового подхода к внбп наиболее ответственных"злемептоп конструкции коммутатора и otmiно ние режимов коммутации, и том числе многоканальной коммутации и ре ма шунтирования конденсаторов в момент максимума тока.

Целью р.ныти мними i i m ип jii'Hiiiidimi! in,минных харак терис тип paapuj никои и разрночтка на зтой таите методики проектирования и расчс рп:»рыдникип. предназначенных juisi электромагнитных ускорителей тел.

Дли достижения mu Тгшлсшюй поли неооходими решить следующие зад;

чи:

1 .'■'Пронести теоретические и акспориментальные исследования мног( К<Ш(Ш>Ш)Й КОММугаЦИИ, ВКЛЮЧаЯ влияние ипдуктивнт той И ВЗаИЫНЫХ ИНД\)1 тинностей токовых контуров на распределение тика между каналами в сис теме параллельных разрядных промежутков.

?.. Исследовать основные характеристики плоских разрядников с иске жением поля: статическое мрооивиои напряжение. индуктивность, активне сопротивление, время запаздывания.

3. Изучить влияние электрической эрозии спектродов на характерис тики рлзраоатываемых разрядников.

4. На основании проведенных исследований да ti. рекомендации по вы пору основных конструктивных элементен разрядником, способных обеспе чип- получение трепуемых характеристик коммутатора.

Провести экспериментальные и теоретические исследования влия пия основных характеристик шунтирующего разрядника на эффективност использования энергии емкостного накопителя и определить соотножени характеристик шунтирующего устройства и нагрузки, при которых обеспе чивается увеличение гкорости метаемого тела в 'июктроыагнитных ускори телах.

Научная новизна:

1. Установлено, что взаимная индуктивность токовых контуров в мио гоканалыюм разрчдпикс увеличивает постаянную времени перераспределе ния током между контурами на "'ОХ н разрядной цени с емкостным накопи гелем.

?.. Получены зависимости, позволяющие определить неличину порогово го рабочего напряжении разрядника, при превышении которого время за паздывапи'л не нреныиает нескольких сотен наносекунд. При этом срабаты нание разрядника начинается с пробоя промежутка между управлящи! злектродом и электродом высокого напряжения.

3.Показано. чти умсньиение величины статического пробивного напряжения разрядника н процессе зкеплуатации омрниолено преиыучествен но осаждением на внутренних поверхностях изоляции продуктов мрозии, i

: связано с механизмом ударной ионизации в иоле микронеровиоглнй, кшикапцих на электродах коммутатора.

1. Получены соотновения unаду основными х^рактоцистиками вунтирую но разрядника и нагрузки, при выполнении которых достигается паи •львая скорость метаемого тела.

[Iрактическая ценность и inюдрение:

1. Разработаны, испит,ты. мне дрены многоканальные малоиндукт шшмг езрядники с вироким диапазоном рабочих напряжен^. высокой сУабиль н;тью срабатывания.

2. Спроектирован и испытан разрядник для вунтиропания конденсате ib электромагнитного усилителя.

Результаты диссертационной работа внедрены в Научно исследователь юн институте автоматических систем при реаении задачи парамктричее iro синтеза емкостного накопителя, позволявшей расширить диапазон ¡простей метаемого тела при моделировании высокоскоростного взаимо !йствия. Реализация результатов работы позволяет получить наиболь |ю скорость метаемого тела в электромагнитном ускорителе при питании

емкостного накопителя. Кроме того, результаты работы могут выть ис 1Льзованы при ревении проблем, связанных с разработкой других у< там» iK. например технологических, предназначенных для магнитно-импульсной ¡работки материалов.

На защиту выносятся:

1. Теоретические и экспериментальные результаты исследовании мно 1Канальной коммутации, вкличая влияние индуктивностей и взаимных ин [ктивностей токовых контуров на распределение тока меаду каналами в 1стеме параллельных разрядных промежутков.

2. Результаты исследования основных характеристик плоских разряд ikob с искааением поля и зависимости, позволяющие определить неличину рогового рабочего напряжения.

3. Соотновения меаду основными характеристиками аунтируюцего раз [дника и нагрузки, при выполнении которых достигается наибольшая :чф активность преобразования накопленной энергии н кинетическув знергии таемого тела.

4. Разработанные конструкции разрядников для злвктромагнитннх уг жителей тел.

Результаты, полученные в диссертационной работ'*, докладывались и

f)

обсуждались ii.î Всесоюзной конференции "Им* "канольтные искровые и взр! вные коммутаторы" в г. "Гош ко. 1ЯН1»; на UII всесоюзном симпозиуме i сильноточной :»jii к тропике и г. Новосибирске, l!U)!i; на !U всесоюзной кот ференции "'-ijh-к Iрический разряд в «идкпсти и (M o применение в прими« ленности" и г. Николаеве, lilfljt; на XU всесоюзной конференции по гене раторам низкотемпературной плазмы н г. Iloooi ибиргке. 1499; на 111 Все союзной конференции "Им11'|л1н ные источники -жергии" н i". Ленинграде 1Э8П.

И!М'ликации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 рабе ( и:« которых ') ан горских свидсм ельс i и >.

Объем и структура работы. Диссертация обгоном 17!i страниц состой и:) «ведении, четырех глав, заключения, списка литературы ( 98 наиыено вании !. содервит l'.iti страниц основного тек*та. M рисунка, 5 таблиц.

ctiAKi'smiHK l'Mioiti

Во введении показана актуальность работы, сформулированы цель, за дачи и методы исследований, приведены пути реализации поставленной це ли.

Пернач гл.та посвящена анализу современного состояния эксперимен

талышх и теоретических исследований, связанных с созданием разрядни ков с искажением поли с точки зрения возможности их использования электромагнитных ускорителях тел. позволяющих не только улучжить пара метры накопителя мнергии. но и обеспечить требуемый режим ускорения увеличить скорости метаемых тел.

Проведенный анализ литературных данных показал следующее:

1. Отсутствуют количественные оценки влияния взаимных индуктивное тей токоных контуров н многоканальном разряднике на распределение ток меаду параллельными каналами.

?.. Имеющийся в литературе экспериментальный и теоретический мате риал но разрядникам г искааением поля в силу неполноты сведений не по зволяет обоснованно выбрать определенную конструкцию, исходя из требу емых основных характеристик коммутатора.

3. Отсутствуют способы определения порогового напряжения, при пре вывевии которого срабатывание разрядника начинается с пробоя промежут ка. образованного управляющим электродом и электродом высокого напря яения. что приводит к сокрацению времени запаздывания разрядника.

4. Процесс пробоя промежутков в разряднике изучен недостаточно лно, сведении о пространственном развитии каналов, их скорости мри стаиия и количестве в промежутках коммутатора отрывочны.

!i. Отсутствуют соотношения между характеристиками шунтирующего зрядника и нагрузки, при выполнении которых достигается наибольиая орость метаемого тела.

Следовательно, известные из литературы разрядники с искажением ни , применяемые в некоторых емкостных накопителях, не соответствуют временным требованиям в отношении надежности, обеспечения многой.i льной коммутации, стабильности срабатывания и неэффективны при ре нии задачи достижения наибольшей скорости метаемого тела в электро гнитннх ускорителях. Стремление увеличить скорость метаемого тела, «стечение требований к емкостный накопителям с коммутаторами требу проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исгле маний для более целенаправленной разработки специальных конструктив совмещаемых с остальными элементами накопителя малоиидуктивннх р.м дпиков с искажением поля, способных значительно повысить исиользо ние накопленной энергии в электромагнитном ускорителе тел.

ho второй главе приводятся результаты исследований влияния индук вностей и взаимных индуктивностей токовых контуров в многоканальном зряднике на распределение тока между параллельными каналами, а также етсы пространственная картина разряда в промежутках плоского разряд ка.

¡5 качестве расчетной схемы при исследовании влияния индуктивностей взаимных индуктивностей токовых контуров принималась модель с двумя раллельными дугами. Н результате исследовании установлено, что вза ная индуктивность токовых контуров не позволяет получить устойчивой стемы параллельных дуг, но приводит к увеличению постоянной времени рораспределения токов в дугах при значениях Функции влияния c4,j3 ) < 1. где об H/I..J3 1.0/1., Н взаимная индуктивность дуг. I. дуктйвность дуги, 1.0 индуктивность емкостного накопителя. Из ана за функций влияния следует, что в практически реализуемых случаях i ч< 0.!) ) постоянная времени перераспределения токон между контурами еличивает'ся на 30....40Z в разрядной цепи с емкостным накопителем.

Пространственная картина разряда в разряднике исследовалась мето м незавершенных разрядов. Суть метода заключается в том, что напря

»'М!И(? 11Ц ПК лад iJ n. i< ■ I С M К IIIIIHKIIh M M раирЯДННМЦ Про M fï ■ *|Т к>1 коммутаторе течении m раниченного иромс-нутка нромени, чти ткшоляет исследоьг оптическим i шк.шик ирострат щипнув Ис1{>гиич ра »рыда н момент cju напряшепим.

Ироцо I. распития разряда и> следоналсы .на ч"тырехканалышм плоен разряднике. осипну которого со> танляют полосы 1 длиной В см и ширин <■'. ем ( рис. 1 ). Полосы с одного конца объединятся г. иомоцьп токоир

Рис. 1 Конструкция четырехканашного плоского разрядника. (1 ) пнд ciioini, О). нид ецерху ( крншка i нята >.

ходящих шин >!, образуя индуктинный делителе гик,) с расстоянием пиал соседними каналами 4 см. (la другом конце нолю: раполагавтея основнь ялпктродм .1 и диаметром ? см. h меяэлектроднмх промежутках установ лены упраплыющие злектроды lj с острой кромкой, потенциал которых процессе зарядки накопите.ля ладаотсы рс-.шгл«рами fi делителя напряжен« Изоляция '/ ниполнена из фторопласта. Электродная система размещается корпусе I! и ;мкрмна"Т1 ч крышкой '). И крышке имеются штуцеры 10. чере

Прые (H УЩ(!СТ«Л.У1! rc.l :1.Ш11ЛН1МШ1! и ЩШДук канорн Газом. N качестве

опий среды истин.jofj.in сухой воздух при давлении 0,1...0,5 МПа. Различные стадии разряда i! разряднике, показанные на рис. ?.. пи jmbt сделать вывод о том, чти при заданной величине потенциала иод а Мн и соотношении между промежутками iii и (11. образован«ыии эле к дом 1 лиг. он ni к напряжения управляющим электродом i! и управляю •нектрпдом ,! электродом 'Л, подключенным К нагрузке lOOTBOTI iIII4I имеется минимальное раьочее напряжение llpaf» на электроде 1, при ором срабатывание разрядника начинается с пробоя промежутка '-) г » j ичину рабочего напряжения назовем пороговым напряжением Нпор. При очих н<)пряжениях ниже Пнор меняется последовательность пробоя про утков dl и (1г.

..! Стилизованные рисунки стадий пробоя межэлсктродних промежутков разрядника.

На рис. ?.л показан канал разряда в промежутке 1I2 дня соотношения

di/d 0,7, ца ila/il 0.3 при расстоянии между основными элек нами 1 и 3 d \ .'¿?. см; рабочее напряжение Праб 4 кИ. При увели ни рабочего напряжения на электроде 1 в промежутке t!i были зафикси ты нитевидные каналы. Так. на рис. ¡?б показана группа нитевидных 1лоо для соотношения fji 0.7. цл 0.3 при <1 \ ,72 см; рабочее па «ение llp.it) к!к И пронеденпых экспериментах количество ните

шх каналов достигали девяти. Сформированные нитевидные к.шалы от \ются по интенсивно!ти свечения. При дальнейшем увеличении .рабочего ряжения на электроде 1 > рабатмвании 1>.13рядника начин.»стся с пропоя

промежутка в виде одного или двух ксшалок разряда ( рис. ?.и ), ра: пинающих»я ич о.<лее ярких нитевидных каналов. Причем канал разряда промежутке »1¿ о i¡41< туег. Величина Ппор может (иль с достаточной то1 нос тою ус TaiiMii лена. ори наблпдении характера разряди. И частности AJ соотношения' i^scO.,'. •(.j^O./i при И с \см (о-рогтою напряжет Ннор t !.i к!'|. I'r ((U!C I a l !J УКciie|iHMl'llTaJIMIUX И><ЛгДОНаНИЙ ПОЗВОЛЯЮТ ппгрешно! тын. не ирещлиаянч!^'! ± 1аюцшксимирпк.пч. неличииу порогов» i о напряжения фпрмулпй

Ннор = П-р<1 i ti A/píi1. (1

еде Ппор - nopoiооее напряжение. к1»; d - расстояние между основны»

электродами, см; р — давление н разрядной камере. На; П и li - эмпир>

Ш

ческие коэффициенты дли ноздуха, kH/i м и кВ/см соответственно, значс иия которых раины:

а) для 1(^1 0,ti. = 4 ( один управляющий электрод )

П 3. \\ • \ (Г- 1. И • 1 (f.Ki! i,-!. И • 10VKÍi. li г - 3. i) ■ i 0 , i'Ko -0, ИКн ; (Í

0) для 0,'/ . с 0,3 ( один управляющий электрод )

п = -1 . и • 10"*» 1 .,'7- 10"VKj111, М0*Кн. I) ^ 7-1O"Í0.1HKh-0.1üKh ;

н) для i^í - O.íi . 1^2 = 0.3 , =0,,'-! ( два управляющих электроде

с. (Í3/»l. 1I3 - промежуток мекду управляющими электродами ) (] * 4,iM0"V-4.:¡- ю"УКн11.4Н'10*Кн. ti д 0.1-ÍJ. t -105Кн 1 í< .4 • 1 О^Кн. Н Здесь Кп - коэффициент неоднородности поля. Мак»имапьная напряженное! находилась экспериментально с помощью электролитической ванны. Отме тим. что при уменьшении Кн величина linop нозраета».-г.

Пренебрегая временем статистического запаздывания t.cT. что onpaii дано, так как Пнджш ашщий импульс подается на управляющий электрод коронирующей (и грпй кромкой , время запаздывания определим по формуле

1,зан - К t (l^/tluop >. (ti

еде К - эмпирический коэффициент, c-li/еы2.

На основании результатов проведенных исследований разрайитан мете определения времени . запаздывания. Задавшись давлением р в камере расстоянием с! мокду щ ионными электродами разрядника, используя соот ношения (1)-. ..(4). находим соответствующее Ннор. Экспериментально orí ределяем t,3<iii при рабочем напряжении !)раб. равном пороговому Unop. II известным, величинам Ппор и t,3an рассчитывает« я к»»эффици»;нт К в вираже нии (ü >. Считая коэффициент К постоянным для заданной электродной сис темы разрядник.»' и параметров поджигающего импулыа, no (ti) проводите

расчет зависимости Ьзап К Праб ) при' Праб ^Ипор.

Третья глава посвящена экспериментальной проверке предложенного метода определения времени запаздывания срабатывании разрядника, раз работке конструкций новых типов плоских разрядников, их ресурсным испытаниям с изучением эрозионной стойкости.

Правомерность предложенного способа определения времени запаздина ним разряда проверялась на плоских разрядниках с различной степенью неоднородности поля в промежутке между основными электродами и при комбинации полярностей »/ ( первый знак указывает полярность наирчже ним на емкостном накопителе, второй полярность подвигающего имнуль га ). Первый разрядник с одним унравлявщин электродом, конструкция ко торого представлена па рис.!. имел Кн г 1,!>. статическое пробивное на пряжение Ист ¿\) к11. второй отличался от первого величиной Кн 1,3. На рис.3 приведены зависимости времени запаздывания срабатывания раз рядника 1зап от отновения рабочего напряжения Ираб к статическому про бивному напряжению Чет ( сплоаные линии ) для : 0,6. г^о -- 0.4 ( ли нии 1,3 ) и ^ 0.7, г^г 0,3 ( линии ?., 1 ) в случае управляемого запуска при атмосферном давлении. Здесь же показаны расчетные записи мости ( ггрихопые линии ). полученные с использованием выражений (П..Л5). Измерения и расчет Ьзап проведены для двух значений коэффициентов неоднородности поля в разрядниках Кн - 1.3 ( линии 1, ?. ) и Кн 1,5 ( линии 3, 4 ).

Предложенный метод использовался также для расчета времени замаз дннания срабатывания разрядника с двумя управляющими электродами. 15 этом случае, как Показали исследования, уменьшается коэффициент К и выражении (¡5) от 1,03-10 до О.^-Ю"3 сВ/смг ( при параметрах импульса подвига с амплитудой '10 кВ и длительностью фронта (10 не ). Эксперимен тальные зависимости времени запаздывания 1лап от отновения ираО/Ип разрядников с Кн - 2,1 и 1,7 для г^ 0,й, ^ 0,3. 0.2 иллюе

трирует рис.3( спловные кривые 5. 6). Здесь ке приведены расчетные за висиыости указанных разрядников ( втрихопые кривые й, 0 ).

Па рис.4 приведены расчетные зависимости времени запаздывания 1за1 от отновения 11раб/1)ст разрядников с Кн 1,3 и 1.7 ( втрихопые линш 1,2) при давлении п камере р - 0.3 МПа, при г^ 0,Г). 0.4 I

О.'З, 1^2 0.3. 0.2 соответственно.

\г

не 220 200 180 160 - Ш

HQ 100 SO 60 kQ 20

028 0,36 OW 0,52 0,6 0,68 0,76 0,81

ис.З Зависимости времени запаздывания срабатывания разрядника t3an

от отношения Upatj/UcT. а этом же рисунке приведены экспериментальные зависимости времени зауздывания 1зан от отношения Upafi/UcT ( сплошные линии 1.2) при за-элнении камеры разрядника сухим воздухом. Па рис.3, 1 точками обозна-зны расчетные значения времени запаздывания 1заи при Upa6 = Unop. Составление расчетных и экспериментальных данных указывает на их удов-

' 500 *^-+--------—--

мо—sV—--------!

И1—~

¿оо-------yl~

ш----

_________Ucm] 1

ofi 0,11 O.S'i 0,S6 \ I

ic.4 Зависимости времени запаздывания срабатывания разрядников t3an от отношения Upafi/UcT при давлении р 0.3 М1а.

tjад т V

ч л

V ч 1 1 f

!•--, -

clcг Sg.

летнорителынн: совпадение при Ираб 11пор ( расхождение не пропитает ¿[\7. ), что свидетельствует о правомерности допущения постоянства ко эф Фициепта К при рабочем напряжении. больше порогового.

При определении эрозионной.стойкости разрядника испытаниям подпер галась электродная система из металлокорамической композиции ВНМ < вольфрам 'ГЛ. никель медь 2Ъ,Ъ7. ). Ток в цепи разряда

обеспечивался емкостным накопителем с запасаемой энергией 31 кДж и имел форму затухающей синусоиды с максимальным значением тока 300 кЛ; за один разряд через промежутки разрядника протекал заряд О - 5,1 Кл.

В результате испытаний получена зависимость статического прпгжнпо 14) напряжения от числа включений четырехканалыюго разрядника, которая иллюстрирует необратимое ухудшение работы разрядника после многократных срабатываний. Я с. таповлено. что пробивное напряжение разрядника по еле 1000 разрядов снизилось па ВХ.

Рентгпноструктурный анализ электродов из металлокерамики ПНИ по казал. что концентрация меди и поверхностных слоях материала состаиля ла !)%. а после 1000 разрядов концентрации меди в электродах высокого напряжения уменьшилась до \7-. а в электродах, подключенных к нагрузке, до )7.. Различие н значениях концентрации меди в электродах имеет место до глубины 50-10 м. Следовательно, при разрядах медь с поверхности электродов испаряется, а структура вольфрамового каркаса остается неизменной, что приводит к нарушению рельефа поверхности электродов.

Изменение рельефа поверхности электродов в процессе испытаний ион тролировалось с помощью профилометра профилографа. имеющего погром-

_ с

ность измерения Ъ7.. радиус щупа 2-10 м. Рельеф поверхности представ лял собой чередование выступов и впадин. После 1000 разрядов высота неровностей профиля увеличивается в ( 10...15 ) раз и на поверхности электродов образуются микроныстуны. имеющие форму вытянутого полуэл липсоида вращения высотой 1) 130-10 м и опорной длиной Ь ВО-10 м. Микроныстуны па поверхности электродов создают поле, которое может оказывать влияние на пробивное напряжение Ипр разрядника. Величина на нряжснности электрического поля Е па вершине микроныступа определялась как решение задачи об электрическом поле эллипсоида вращения, помещен ного в однородное поле с напряженностью Еср. Соотношения для расчета величины Е определялись по выражению для распределения потенциала. Для практических расчетов фактора усиления поля Ми Е/Еср па вершине ми

• и

кровыстуна окруженного »и?таналогичными выступами, предлагается следующая формула:

Мп- а 01' 3 Щ, АЩ * ЪаГь Д^4 ' (Ь)

гди ^^ ЩГ1)-^ ТГ'

+ к : Щ*) ъ \ щ&г & V -ч' ^

обобщенная координат.!: а- ~У.\\\ — I.\ : г ¿ — р.кч тояние от вершины выс туна до центром рядом расположенных выступов;А . Д^,А^.А^. А5 матри цы определителей линейных дифференциальных уравнений.

Совместное решение уравнения П>) и выражения для условия самостоятельности разряда, запинанного с учетом процессов' ударной ионизации в иоле микроныступа относительно напряженности К,- позволяет найти сте пень и характер влияния на пробивное напряжение Инр состояния поверхности электродов. результаты, расчетов показали, что при расстоянии между основными электродами разрядника й ■ 0.б'1 см, давлении воздуха в камере рг 0.3 М1!а и полученных |1азмерах микровыступов 1), С на поверхности электродоп фактор усиления поля Ып - !>,3, а пробивное напряжение Пир ^30 к!'.. Следовательно, создаваемое микровыступами поле с Мп 5,3 не оказывает влияния на пробивное напряжение. Незначительное уменьшение Ипр, полученное в результате испытаний, обусловлено осаждением на внутренних поверхностях изоляции разрядника продуктов электрической эрозии электродов.

Вопрос эрозионной стойкости разрядника связывался с проблемой равномерного распределения тока но параллельным каналам коммутатора. Масса выброшенного металла определялась взвешиванием электродов до И после серии из 100 разрядов. Общий заряд, переносимый током через электроды разрядника за 10ОО разрядов,- составил '¡100 Кл. Проведенные исследования четмрекг.аналыпн'о разрядника показали, что электрод высокого напряжения'теряет в среднем 1,81) мг/Кл за разряд, электрод, подключенный к нагрузке мг/Кл. а управляющий электрод - 0,48

мг/Кл. Отличие в величине удельной 'эрозии электродов, образующих параллельные каналы плоского разрядника, нр'превышает К'/.. При этом эрозия электродов в 1 ) раз ниже, чем в режиме одноканальной комму-

ТаЦИИ разрЯДНИка.

В четвертой главе приведены результаты исследования режима «щити рнианиа. при котором разряд начинаетса как колебательный. а п момент черного максимума тока производится закорачивание конденсаторов нлко нителя. Определялось влияние индуктивности и активного сопротивления контура шунтирования на Форму тока в ускорявшем устройстве и интеграл квадрата тока но времени Ппр, рост которого способствует увеличению скорости метаемого тела. Результата расчетов на 31Ш показывают, что скорость тела на выходе ускоряющего устройства имеет максимальное зна чипие. если flop больше критической величины Пкрит. то есть выполю,пп < w соотношение:

г

flip i, Пкрит г l Псин i Аид ) / ?. « О.Ш!) Iмакс Т. i7>

l rT 2 i 2

где Псин .тг/Змако Sin cut. ii(cut) 0.5 Змакс Г— интеграл кн<'Драта

Ы, I'О

тока по времени для колебательного разряда емкостного накопителя;

/ г! 2 2 рт г 2

Пид -¿rjp sin out ,l(Wl) \ Jr Змакг. til, 0,i!3!i Змакс T~ итог

рал квадрата тока по времени для идеального ( с пулевыми акивннми tо

проявлениями ) разряда емкостного накопителя; Т — первый период коле

баний тока в цепи разряда.

Численное моделирование режима шунтирования показало, что значение интеграла квадрата тока по времени Пар уменьшается при росте индукти внести Lap и сопротивления Rap шунтирующего разрядника и условие '! > выполняется при соблюдении следующих соотношений

l.gp N< 0,0!i l.n; Rap ч< 0.05W 1.н. ИМ

где Си - 1 /VcacTil-.ii>1 круговая частота основной цени разряд.) ем костного накопителя; С емкость накопителя; 1.ст индуктивность стар тового разрядника. |.н индуктивность нагрузки.

Результаты числ(!Н!1ого анализа и сформулированные требования к на раметрам шунтирующего разрядника проверялись экспериментально на мо дуле емкостного накопителя с запасаемой энергией '.И кДж. 'Закорачивание конденсаторов' модуля емкостного накопителя осуществлялось с помощью газонаполненного четнрехканального разрядника с двумя управляющими электродами. Значение индуктивности ускоряющих устройств изменялось в диапазоне от 130 нГн до У70 нГн. Г целью выяснения влияния индуктивно сти 1.шр шунтирующего разрядника на Пир последовательно с ним устанав ливалась металлическая петля, конфигурация которой могла изменяться. Влияние активного сопротивления Кир разрядника на Пир определялось из

менением сопротивления иунтирующсч о разрядника путем варьирования числа параллельных каналов с соответствующей компенсацией индуктивности.

Проведенные исследования показали, что зависимость интеграла квадрата тока но времени Пир от индуктивности 1,шр ( рис.'а ) является монотонно убивающей.Удовлетворяющая условии (?) величина Аир - 'J9000 fl*c > Пкрит 92000 ft^c для !.н 444 нГн. Rrap --■■2,? м()м (.линия 1 ) получена при Lup 20 нГн. При увеличении индуктивности шунтирующего разрядника ( 1.яр 40 н1 в ) Пир уменьшается до значения 9!)000 О-с и применение режима вуптироианим неэффективно ( условие (V) не выполняется ).Аналогичные выводы мижно сделать для 1.н 'J08 нГи, Кир 2.9 мОм (линия 2) и 1.н 6(10 нГн, Кир 'Л,У м()м ( линия 3 ). Уменьшение величины йжр происходит вследствие увеличения колебательной составляющей тока в нагрузке, амплитуда которой определяется соотношением индуктивности вун-тирующего устройства и нагрузки.

Рис.5 Зависимость интеграла квадрата тока по времени flap от индуктивности 1.«ф «цитирующего разрядника.

Зависимо!:ть Пор Г( Кир ) также является монотонно убывающей ( рис.С ), и требуемый эффект от применения режима иунтирования для Lii 444 н) н, 1.ш 20 nl'ii ( линия 1 ) обеспечивается при Ни - 2,7 мОм.

р

Увеличение Кшр до 3,8 мОм приводит к уменьшении Пир : 91000 fi-c < Пкрит : Ч2000 А^с и не выполнению условия (У). Точно такие же рассуж -цения можно сделать, рассматривая 1.н ; 508 нГн, 1.в 20 нГн ( линия 2) и Lii fjНО нГн, 1.ир 20 нГн ( линия 3 ), во всех случаях уменьшение величины Пшр связано с убыванием постоянной времени апериодической составляющей тока в нагрузке при росте сопротивления Rmp.

100 90 S'J 70 60 SO

Лир .— —

,1 —

N ---- —

i —

нг

Ишр

i г Ъ h S 6 ? $ 9 10 M Ом

Риг .h Зависимость интеграла квадрата тока по времени Пир от активное)

сопротивления Кшр шунтирующего разрядника. Получено хорошее согласование результатов численного моделировании и экспериментальных исследований.

ШОДИ

1. Показано, что применительно к электромагнитным ускорителям и<-лесообразно использовать многоканальные малоиндуктивные плоские раз рядники с искажением поля. Такие разрядники обеспечивают как синхрон нос включение параллельных контуров электромагнитного ускорителя так и «цитирование конденсаторов накопителя и момент максимума тока, l'a<i>.i fioTdim конструкции таких разрядников, что позволило существенно у пум шить характеристики ускорителя, увеличить спорости и массы ускоряемых тел.

.'). Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что вы имная индуктивность токовых контуров в многоканальном разряднике емки стного накопителя увеличивает постоянную времени перераспределения то ков между контурами на 30...40%.

3. Получены зависимое.ти. позволяющие определить величину порог они го напряжения, при котором срабатывание разрядника начинается с пропоя промежутка, между электродом высокого напряжения и управляющим элек тродом.

4. Показано, что уменьшение величины статического пробивного па пряжения разрядника, наблюдаемое при его длительной работе, обуслов лено преимущественно осаждением на внутренних поверхностях изоляции продуктов эрозии электродов и не связано с механизмом ударной иониза ции в поле микронеровностей. возникающих на электродах коммутатор,!.

'i. Получены соотношения между основными характеристиками вцптируш

щего разрядника и нагрузки, мри выполнении которых достигается наибольшая скорость метаемого тела.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Пямарин li.fi.. Калихман (,'.0 . Динамика системы параллельных импульсных дуг с индуктивным делителем тока // Электротехника.■1981.-N9.

С. 17-18.

2. Аимарин В.В.. Калихман С.П. Высоковольтный многоканальный искровой коммутатор // Тез.докл.Всесоюзн.конф. "Высоковольтные искровые и взрывные коммутаторы". Томск, 1986. -С.75 77. ДСП.

3. Нимарии fS.fi. Высоковольтный искровой коммутатор // Электрофизические процессы н сильных электрических и магнитных полях. Чебоксары,

1987. С.41 98. ДСП.

4. Энергоисточпик мегадвоульного диапазона на базе емкостного накопителя знер! ии / Абрамов А.М.. Аимарин В.В.. Блохинцев А.А. и др. // Тез.докл. 011 Всесоюзн.симпозиума по сильноточной электронике,- Томск,

1988.-С.(15 Иб.

5. Лшмарин IJ.fi.. Калихман С.Л. Эрозия электродов коммутатора под действием импульсной дуги //Тез.докл. XV Всесоюзн.конф. но генераторам низкотемпературной плазмы. Новосибирск. 1989. С.22 23.

6. Знергетический комплекс высоковольтного питания электродинамических устройств / Калихман С.П., Абрамов А.М.. Лнмарин В.И. и др. // Тез. докл. II! Всесоюзн. конф. "Импульсные источники энергии".- Ленинград, 19К9-. С. 111 (12.

7. Лшмарин В.В., Калихман С.А. Разработка и исследование устройства шунтирования нагрузки емкостного накопителя энергии // Электрофизические и улектротехнологические процессы и установки.- Чебоксары,

1989. С.111 112.

8. Аимарин В.В., Калихман С.Л. Временные характеристики разрядников с искавением ноля // Электротехника.-1991. N7. С.24- 27.

9. А.с. 983(152 СССР, МКИ И01Т5/00 Н0Ш/00. Многоканальный искровой разрядник / 11 .В. Ашмарии, А.Л.Блохинцев. С.А.Калихман СССР. -N329915М/24 07; Заявлено 05.00.81: Опубл.23.12.82, Бил.N47.-2с.

10. П.с. 12(14798 СССР. МКИ П01Т2/02. Многоканальный управляемый разрядник / В.В.Лшмарин. Л.Л.Блохинцев, С.А.Калихман СССР.— N3771177/24 07; Заявлено 13.07.84. непубл.

I'1

11. ft.« . U'iV/i'O С с. С I'. M К И ПсЧ'М/Ю. Miminií, нмцышй ш щмшпй раз рудник /ft. Г>. Ишмарии. П. П . Iíjiuxhukck. Г .П.Калилман !.f'i;i>. N í!iti',)'i!i!\/?А 07; (аяВЛСНО 30 . Olí. 11,1 . llell'|0.f!.

17. П.!.. Г'ПГ/МЗ ШМ\ и К и !КЧТ7/0<'. Ичнтирцючий разрядник/

H.H.Пимарин. П.М.(Нфамон. И.П. Поп и др. СССГ. N^ti'í Щ^'.'А 07: ?.аянлоно ,.'0.07.INI. iii:ii(|fiji.

13. Авмарип И.!!.. Калихм.ш (1.0. (I причинах < иицгниу электрической прочности сильноточного разрудпика с искажением пиля // Злектричсст■ но. IÍ)Í)3. т.. е.,м ?:/.

i io.'oiiii'aop к печати Л ЧОО

Печ. л. }2& Тира/к У С/(У Зака i 1

Типография МЭМ, Крааюкя.члрмспная. '3.