автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование генераторов импульсов тока для формирования объемных несамостоятельных разрядов

С/НКТ-ПЕТЕРБУРГгаИЛ ОРДЕНА ЛЕНИНА И СРДИМ ОКТЯБРЬСКОЙ РНЖШЩИН

злн(ТР0Тш;ячш:ял ИНСТШУГ' 1жпя В.И.УЯЫШСНА дашнл>*

На правах рукописи

Грсмовенко Валентин Михайлович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ ШПУЛЬССВ ТОНА ДЛЯ ФСРЯЙРОВАНКЯ ОЕЬЕШШ НЕСШЯТОЯШЫаХ РАЗРЯДСЗ

Специальность: Сб.09.03 - Эпектротохничоскиэ ксгятлэгссн и

систеш п::лг?юя их упрзявдме и рогу-шроаанив

АВТОРЕФЕРАТ диссертрации на соискание ученой стагиии кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1992

гаоота выполнена в НИИКИ.ОЭП ВИЦ ГОИ им,С.И.Вавилова

Научный руководитель -ландидат технических наук ведущий научный сотрудник Опре В.М.

Официальные оппоненты: доктор физико-ыатеиатических наук профессор Рахимов А.Т. кандидат технических наук доцент Золотницкий В.М.

Ведущее предприятие - Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры имени Д.В.Ефремова (НИИЭМ).

Зашита диссертации состоится •• ^ •• ^ ^ 1992 г. в / 53 часов на заседании специализированного совета К 063.36.08 Сакт-ПатерСургского ордена Ленина и ордена Октябрьской Револоции алактротехнического института имени В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул.Проф.Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан •• . 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

Балабух Л.И.

ОБЩАЯ ХАР/КТЕРИСТИКЛ РЛБОШ

Актуальность теш. Современный этап развития техники газового разряда характеризуется расширенном области его практических применении, связанных с необходимость» получения достаточно больших объемов (десятки литров) однородной неравновесной средн. Интенсивное внедрение лазерных технологий обработки материалов стимулировало развитие техники объемных газовых разрядов для накачки газовых лазеров. Помимо технологии газовые лазеры используется для разделения изотопов, контроля воздушной среда и т.д. Внедряется в производство плазмохимические реакторы, МГД-генераторы; широко проводятся научные исследования объемных газовых разрядов, связанные с оптимизацией используемых методов и поил коя новых практических применений.

Обьемиыо газовые разряды по условиям существования подразделяется на самостоятельные и несамостоятельные. По времени существования - на импульсные и непрерывные. Особый интерес представляют импульсные объекнъе несамостоятельные разряды (ОНР)» обеспечивающие по сравнение с непрерывными устойчивое горение при больших давлениях газовой смеси (атмосфера и высге). йнпульсно-периодичвс-кие pesvßäu, кроые того, в ряде технологических задач оказываются более эффективными по сравнению с непрерывней.

Технологическая эффективность ОНР определяется степенью возбуждения требуешх энергетических уровней элеиентоз газовой сие-си, зависящей от параметров функции распределения электронов го энергиям. В ОНР, в отличие от самостоятельных объемных разрядов, существует возможность управления функцией распределения электронов по энергиям изменением напряженности электрическогскполя в разряде. Вследствие этого, вид технологического процесса, использу ще го ОНР, определяется составом газовой смеси и величиной пи-тащего напряжения, - а его количественные характеристики - амплитудой и длительность» импульса тока и частотой следования импульсов. Таким образом, эффективность технологического процесса с применением ОНР максимальна при выполнении условия постоянства напряжения на разряде з течение импульса, а универсальность определяется возможностью и диапазоном регулирования параметров, определяющих количественные характеристики процесса.

Традиционный метод ..получения.импулъсьаых ОНР (частичный раз-

ряд бИчостдага накопителя знарга;, упраздяем^й внезшш иоишата-роу) т ааз&олтт обеспечить нэнздешгость нвпряхаиня т разряде в тсчеша шпудьеа в оетахшоа ю-за Сашгой вероятности ноашш-пульсюго пробоя. Поскольку запасаемая в еикостноа нашгеггела гшргия в яоскодько раз прешааат вкладаааомую в разряд в течэнш »¡¿пульса, те ©.гзйгтеиая гоеяек^аудъешго пробоя, в яучпаа случае. Су.цат ©резюш-аа нзг&н&нко г.рсф«з электродной снстеод, прк&одя-£;аа и юэдздшш доршл-дост» коьтраге.ровгдагяз разряда и, в конечном итоге, к «шрузагг;® тзхиохагшзекого процесса. Особен® ваша п;>е-¿ртераггжи тс^ашуяьешх пробоев а сустетх шпульсш-партди-чаекого дйгй«*вш с быссшми значашиам енерговкладов (неа:о.ш;о «Да), т.к. таай пробои ¡.югут пргщэдыгь к выходу из строя сдгэхшх о-актро/гж сжтш, соеаеа^кшх конструктивно с элементами газового тракта. Указашюй лротизорзчиэ традиционного иетода «олат бить уотрш&ю пргаакеннац иилукьешх систоа яитшшя ОНР, постро-егаш иа база гхшрзтороа гггпульеоа тока <П1Т) с реактивными фор-щфупугуа цвпэда и дознш разрядов накопятвля энергии. Вследствие итого, работы, саязаша» с созданием эффективных и надезшг моечных ххшераторок тщхьсоа то.ш я»? питания ОКР, сшсо&гк работать в (ш>ульсж>-пср*:од.!Мвскз« и обеспочившхрк возможность сшрат&ашго р&гудшрозашгя тарзггатров технологического процесса, предета&шяса дошсаш в актуяльниаи.

!Ь>ль работа. Разработка лршцкпов построения « кзтодют ин-«вжрнаго проекгкровгшт ькщшх высоковольтных ¡илиульснш нсточ-тшкоа шагашга ШР »¡а оста» реактнвнях фсршгрувдж цепей, обес-г&чи&ухтх лалучмЕйа пряьпугодьшх »зшук>сов тока фиксирования и рэгуйарувк^а АМГ&ЛЬМЗСТИ.

Загачи юсг^дованмя. Для дрстюкакшг поставленной цзея в д;?:-еертациоиша работе резавтсд елздуюезгз задачи.

1. Аигиаа особенностей. 4ор»фовааил импульсных ОНР и возмог-юстей создания иоцшж виетгаеааьтиых генераторов импульсов тока регулируемой ддигельшсты <ГЩРД) для их питания.

2. Разработка ш^едн ОНР как элемента электрической цепи; теоретическое (т <ккза разработанной модели) и экспериментальное исследование 1шпу.яысшх ОНР с определением условий применимости иодели.

3. Экспериментальное исследование процесса включения игнитронных разрядников (ИР) и разработка на этой основе математичес-

кой модели ИР. —

4. Анализ принципов построения высоковольтных ГИТРД и выбор базовой схемы.

5. Анализ электромагнитных процессов в ГИТРД с рекуперацией энергии в источник питания.

6. Экспериментальное исследование электромагнитных процессов в ГИТРД с рекуперацией энергии.

7. Разработка методики проектирования импульсных генераторов тока для питания ОНР, включая и ГИТРД.

8. Разработка практических схем генераторов пргшоуголыш импульсов для питания ОНР.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались положения и метода теории электрических цопей. Численный анализ электромагнитных процессов в генераторах импульсов тока проводился на ЭВМ методом переменных состояния; численное решение систем дифференциальных уравнений с частными производными - истодом конечных разностей. Экспериментальные исследования характеристик ОНР проводились в десяги.здтровоЯ разрядной кзм0|.чэ стенда "ЧИБИС" .{разработка филиала ГОЛ им.С.И.Вавилова) с использованием созданых в рамках настоящей работы импульсных генераторов тока.

Научная новизна. Основными нозши научны?,ш результатами диссертационной работы являются следующие положения, гиносишю на защиту.

1. Математическая модель СИР, учитывающая особенности физических- процессов в объемном газовом разряде.

2. Эмпирическая модель ИР, как элемента электрической [¡спи, отражающая относительную независимость процесса вклкмения ИР от параметров' разрядного .контура и описывающая в виде вольт-секундной характеристики три стадии его включения.

3. Принцип регулирования длительности высоковольтных импульсов тока, формируемых однородной искусственной линией, использующий рекуперацию энергии.

4. Результаты анализа электромагнитных процессов в ГИТРД, позволившие установить факты зависимости коэффициента резонансного заряда И амплитуд!.' выходных импульсов от их длительности.

5. Новые схемные решения ГИТРД для питания ОНР.

Практическая ценность и реализация в промстлемзости - Предложенные в работе принципы построения ГИТРД и разработайте подол/.

ОНР и ИР использованы для создания методики инженерного проектирования импульсных генераторов для питания ОНР. Показана и экспериментально проверена возможность создания ГИТРД с рекуперацией энергии с-улучшенными техническими характеристиками. Разработан алгоритм численного решения системы уравнений модели ОНР, обеспечивающий устойчивость решения при высокой скорости счета.

Результаты диссертационной работы были внедрены при создании мощных импульсно-периодических систем питания ОНР в филиале ГОИ им.С.И.Вавилова на стенде "ЧИБИС".

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. Научно-технических конференциях ГОИ им.С.И.Вавилова и филиала ГОИ в 1978, 1983 и 1985 гг;

2. 2-й, 4-й и 6-й Всесоюзных научно-технических конференциях "Оптика лазеров" в 1979,1985 и 1991 гг..

3. Научно-техническом семинаре "Источники питания электротехнологических установок" в г. Ленинграде в 1991 г.

Публикации по теме диссертации. Опубликовано в соавторстве 15 работ, в том числе получено 4 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти главг, заключения, списка литературы, включающего 109 наименований, и двух приложений. Основная часть работы изложена на 132 страницах машинописного текста. Работа содержит 6 таблиц и 82 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность тематики диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований, изложеш основные научные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы рассматриваются неко торые вопросы применения и формирования объемных газовых разря дов. На основе сравнения условий существования самостоятельных несамостоятельных объемных газовых разрядов делается вывод перспективности для решения задач технологии развития техник именно импульсных ОНР.

Анализ публикаций по вопросам получения и применения иы пульсных СНР относительно больших объемов (5-100 литров) позаолк

уточнить основные параметры таких импульсов (МО к/, 20*100 кВ, IОт 100 мкс, 1*500 Гц) и выявить недостатки традиционной методики получения импульсных ОНР: большая вероятность послеимпульсных пробоев разрядного промежутка, снижение напряжения на электродах разрядной камеры в процессе формирования импульса ОНР, потери энергии в защитном токоограничиващем резисторе. Возможность возникновения послеимпульсных пробоев обусловлена наличием напряжения на электродах разрядной камеры по окончании импульса, а снижение этого напряжения нежелательно для стабилизации технологических параметров ОНР. Вследствие этого повышение эффективности рассматриваемого метода совершенствованием самого метода невозможно. Кардинальное решение вопроса повышения эффективности и экономичности импульсных ОНР может быть достигнуто применением питающего импульсного генератора тока.

Создание таких ГИТ, формирующих в импульсно-периодическс« режиме работы ОНР большого объема сопряжено с решением ряда проблем. Выбор оптимальных параметров элементов ГИТ при нелинейной и нестационарной нагрузке, выбор элементной базы и, в первую очередь, коммутирующих приборов, удовлетворительнее решение вопросов регулирования длительности импульсов. Проблема регулирования длительности импульсов приобретает особую остроту из-за отсутствия запираемых высоковольтных коммутаторов тока.

Задача получения мощных прямоугольных импульсов тока для формирования ОНР фиксированной длительности наиболее эффективно решается с помощью реактивных формирующих цепей при учете инерционности нелинейных элементов разрядного контура ( ОНР и коммутирующего прибора) для обеспечения оптимального согласования формирующей цепи с,нагрузкой. На Сазе сравнительного анализа способов получения высоковольтных импульсов регулируемой длительности с учетом возможности их использования для получения импульсных ОНР показано, что задача получения прямоугольных импульсов регулируемой длительности может быть реиеня при использовании дополнительных коммутаторов тока, вклшаемых либо в структуру формируемой цепи, которая в этом случае выполняется в виде однородной искусственной линии (ОИЛ), либо, на ее зажимах. В главе приводится сравнительный обзор цепей и способов генерирования прямоугольных импульсов тока регулируемой длительности.

. .Анализ • проблемы коммутации тока показал, что с учетом трэ-

буешх при формировании ПНР параметров импульсов перспективно использование в иипульсно-периодических режимах серийно выпускаемых промышленностью сильноточных ИР. Однако, из-за относительно большого времени вклшения (0,Ен-1 ыкс) эти приборы нельзя считать идеальными кленами при формировании импульсов микросекундного диапазона. Можно выделить два аспекта этой проблемы: влияние инерционности ИР на форму генерируемых импульсов тока и потери энергия в процессе'коммутации в самом приборе. Встречающиеся в литературе зависимости сопротивления ИР от времени в процессе его вклшения подтверждают существование проблемы, но не дают достаточного представления об ИР, как об элементе электрической цепи. Такие зависимости могут быть использованы при проектировании лишь для достаточно узкого диапазона параметров разрядного контура, вблизи которого они были получены.

В заключение главы сформулированы основные выводы о характере ОНР, как элементе электрической цепи, и требования к питающим ОНР генераторам импульсов.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию моделей ОНР и ИР. Математическое описание ОНР построено на базе трех дифференциальных уравнений переноса зарядов для электронов, положительных и отрицательных ионов и уравнении Пуассона для распределения электрического поля в разрядной промежутке:

^ > + ч - к4 пв-г, - -пе - ;

■а*. а ---<п ах

а ---(п а*

аь

д «-<п± дх 1

К

сШ 4 Я е

с1х е

■ --П - п ) . л 1 е г«' 1

где п - концентрация нейтральшх атомов и молекул газовой смеси, г»в, Ув, у1р пп, -. концентрации и скорости электронов, положительных и отрицательных ионов, соответственно, и коэффициенты диссоциативной рекомбинации соответственно электронов и отрицательных ионов, Кх и Ка - коэффициент ионизации и коэффициент прилипания электронов к нейтральным частицам, я -

скорость рождения электрон-ионных пар внешним ионизатором и е -электрическое поле. Учет большого количества участвуицик в разрядных процессах веществ осуществляется в соответствии с прави лами смеси, учитывающими парциальные давления газовых компонент. Граничные условия определяются процессами рождения и гибели заряженных частиц.на электродах, а также приложенным к электродам напряжением. Начальные условия представляют собой исходные концентрации заряженных частиц при равномерном распределении электрического поля в разрядном промежутке. Эти концентрации определяются временем воздействия внешнего ионизатора на газовую смесь до момента подачи напряжения на разрядный промежуток. Го шением системы уравнения газового разряда являются распределения концентраций носителей тока и электрического поля, что позволяет определить протекающий через ОНР ток.

Такая модель позволяет представить ОНР как элемент электрической цепи в виде нелинейного и нестационарного приемника энергии Е(и,ч,1>, ВАХ которого в момент подачи напряжения на разряд представляет собой прямую, проходящую через начало • координат. Расчет переходного процесса с такой моделью возможен для случоя питания ОНР от источника постоянного напряжения с реэистивннм внутренним сопротивлением. Начальное напряжение на разряд? при этом, определяется по внешней характеристике источника. При включении в цепь последовательно с ОНР индуктивности нельзя использовать такой подход из-за невозможности опт ,—.......................-...................

; пир I

ределения напряжения на разряде на очерэ- ! ____ I

дном шаге интегрирования. В силу этого ' Д |

необходимо дополнить модель ОНР конденса- . | —*— [ |

тором, шунтирукцим разряд (рис.1). Этот | сак с-,' |-

конденсатор, величина емкости которого >_]______\ )

выбирается равной емкости электродной си- !....................-..................- ■

стемы, выполняет функции источника напря- . Рис. Г

жения для ОИР.

Алгоритм численного решения скстош уравнений модели '"ИГ построен с использованием метода конечных разностей для пгчюи разностной схеш при учете.независимости тока ст координаты разрядного промежутка (условие консервативности разностной схглп,). Устойчивость решения во времени обеспечивается использеванием соответственно правой и левой аппроксимация производи по коерл» -

с

нате для положительно и отрицательно заряженных частиц, а также полуцелых точек координатной сетки для напряженности электрического поля и, соответственно, скоростей частиц.

Численные исследования с применением предложенной модели ОНР а режиме скачка напряжения позволили установить характерные времена переходных процессов установления ОНР и проследить динамику изменения тока (рис.2). Было установлено, что в описанном 'виде целесообразно использовать модель ОНР для коротких (менее I см) разрядов атмосферного давления при невысоких скоростях ионизации газовой смеси внешним ионизатором < q < Г 10 16см"3-с-1 ). При больших скоростях ионизации и длинах разряда допустимо использование однородной модели разряда: в (I) все производные по координате положены равными нулю. Неоднородность электрического поля в разряда в этом случае может быть учтена катодным падением потенциала, расчетные величины которого не превышает в рассматриваемых режимах 1+2 кВ. Результаты сравнения , экспериментальных,и теоретических динамических вольт-амперных характеристик разрядов в и 10 20 30 ин, кВ азоте и смеси co2:N2:He=l:2:3, Рис.3 доказывают возможность применения

предложенной модели ОНР (рис.3, пунктир соответствует расчету).

Для изучения влияния инерционности включения ИР на форму генерируемых импульсов и потери энергии в самом коммутаторе совместно с сотрудниками ОКБ "Бега" (г.Рязань) были выполнены экспериментальные исследования динамики падения напряжения на ИР в различных режимах коммутации тока <ги=30*1500 мке; 1ш=0,3*100 кЛ; di/dtcl-lO^I-IO11 А/с). Било установлено, что в первом приближении процесс включения ИР модно считать слабо зависящим от параметров разрядного контура и, в силу этого, в электрической цепи ИР

Рис. 2

[дожвт быть описан вольт-секундной характеристикой <ЕСХ). Весь процесс может быть условно разбит на три стадии: Д и ъ

и (ъ)=и

ак4 ' о

при Ь < Т

С' ] *

1 а к

иак <ь >-0,5 - [ио - (Г- р )-иж] ■ (со* (2. (1-тк) )+2-ия]

(2)

. <*- >- (и -и ) -ехр (-1 /г )+и

при

< т

где ио - начальное напряжение на

при ч, > л/й+г , аноде игнитронного разрядника; - падение напряжения на приборе в установившемся ретша; и5 -падение напряжения на приборе в начале третьей стадии включения, а параметры Аи/ио, тк,г и £2 - являются параметрами модели, зависящими от режима работы и типа ИР. Для ИРГ-4-1 чксланшв значения параметров равны: а = 3,49-1сГ с"1; и.=70 В; и, =25 В; ли/и^- о,2, Ту^ЗО-Ю^с. Параметр хк зависит нелинейно от температуры при бара, уменьшаясь с 3 до 0,7 икс при изменении температуры от 10 до 30°С. Стадии вклсчения ИР, представленные в виде (2), в хсиплехсо составляй- ВСХ игнитронного разрядника.

. Третья глава посвящена решению задачи создания высоковольтных ГИТРД, работавдих по принципу полного разряда емкостного накопителя энергии, выполненного в виде реактивной формирующая цепи. Анализ возможных структурных схем таких Г^ТРД позволил сформулировать требования к структурным элементам ГИГ, при выполнении которых возможно осуществление регулирования длительности импульсов за счет рекуперации энергии в емкостной накопитель энергии. В такси ГИТРД (рис.4,а) реактивная формирующая цепь может быть только отрезкой однородной длинной линии с распределенными параметрами или эквивалентной ей ОИЛ, коммутатор цепи рекуперации энергии К2 должен обладать вентильными свойствами, а накопитель энергии с должен быть заряжен приблизительно до половины зарядного нап-

ИПН

у.

кз

ОИЛ

I (Г > н и

I ст }

Н ш

Рис. 4

ряжения ОИЛ для обеспечения равенства амплитуд тока разряда 0Я1 на нагрузку и тока рекуперации. В силу последнего условия в качестве конденсатора Со может быть использован конденсатор фильтре источника питания при условии применения резонансного режима заряда ОИЛ. Длительность импульса в гаком ГИТРД определяется как: т^Тц/г+Дг, где -длительность шпульса, формируемого ОИЛ, Дг -временная задержка включения клена К2 относительно момента вклк>-чения клоча К1, удовлетворяющая условию: |Дь|<гт/2.

Анализ электромагнитных процессов в такой базовой схеке ГИТРД с отрезком однородной длинной линии позволил выявить особенности формирования импульсов в ней при импульсно-периодическш режиме работы генератора. Выходные импульсы формируется с пьедесталом, а их £4.1 плиту да зависит от длительности (рис.4,6):

МУ «*р(-уу

•т—гт—г = - *

н 'го 1-Крз-(1^хр<-СвДр>) '

где гв=гт-ти - длительность процесса рекуперации, тр=тт-а/2 -постоянная времени цепи рекуперации <«=С0/СЛ, где Сл - суммарная емкость формирующей цепи), Крэ - коэффициент резонансного заряда, равный отноЕвни» напряжения заряда формирующей цепи к исходному напряженно на конденсаторе Са. В случав использования источника питания с выпрямителем Крз тоже зависит от длительности импульсов (рис.5). Эта зависимость обусловлена повышением напряжения на Со в процессе рекуперации энергии и, поэтому, меньшим отбором энергии от источника питания в очередном зарядном цикле. Наибольшее влияние на амплитуду (3) и форму импульсов, К и КПД (17) оказывает параметр а (рис.5-6).

Особенности формирования импульсов в ГИТРД с ОИЛ, исследованные численными методами, связаны с удлинением среза укороченных импульсов, наложением на пьедестал затухающих колебаний к выбросом тока пьедестала вблизи его среза. В значительной степени величины отмеченных параметров импульса определяются значением индуктивности цепи рекуперации ьв. По результатам этих расчетов предложена эмпирическая зависимость для оценки длительности среза укороченных импульсов (при ья'1 =-я ):

. 2

,9

,8

,7

,6

О-%

99,5 99,0 98,5

{в п - число ячеек ОМ, 1-я -. величина индуктивности ячейки О!'Я.

I (X >

н 4 т' 1,6

1.4

т.2 1,0

\\! ! 20

-.....V.............ю К I ---

1 ! ; _ . ^^ц—-..........5:........... ! ! ! 1 1

О»8

98,0

1 1 —1- V К!/11

тв ,

м / !

„?........1...........

!/ Ч ' ( 4,1 _ I [Ч. - !

( ! ! / 1 1 ' 1 1

О

10 15 20

О 0,2 0,4 0,6

Хт

Рис.5 т Рис.б

В четвертой главе рассмотрены вопросы техюнескоЯ реализации ада схемных решений высоковольтных ПГГРД с- улучаончыыи технически характеристиками, предложенных на основе анализа базовой кеыы.

Учет снижения напряжения на конденсаторе С0 в процессе эдря-а ОИЛ позволил предложить схемные решения ГИТРД с незасксгщей от яительности амплитудой импульсов и повшешим КПД. Условно реа-язации таких схем может быть представлено в виде:

".1

а >

■Гхп-Ь^

{-я/ /4-аг-1 - I

да о - добротность резонансной зарядной цепи. В одной из вариантов такого ГИТРД (рис.7) формирование импульса начинается прак-ически сразу по окончании процесса заряда ОИЛ до восстановления апряжения на накопителе с .

вполнение в таком варианте ИТРД накопителя энергий в иде ОИЛ позволяет устранить ьедестал и повысить КПД. тношение волновых сопротив-ений линий в этом случае ависит от отношения напря- Рис.7

ений на-них к моменту начала процесса рекуперации:

и

= Г

• Задача уменьшения длительности среза импульса наилучшим об разом решается при закорачивании выхода ОИЛ в требуемый момен времени. В работе предложено совместить в одной схеме оба принци па регулирования дли тельности: рекуперации энергии и закорачива ния выхода ОИЛ (рис.8. ). Анализ процессов в такой схеме показал

что формирование импульсов независящей от длительност

ИПН

Н

кг

ОИЛ

кз

/

амплитудой возможно лишь пр 25-303> увеличении электриче ской длины ОИЛ. При этом пе резаряды ОИЛ при формирова нии импульсов максимальна Рис.8 длительности могут достигат;

до 60% исходного напряжения заряда ОИЛ. Как развитие этого прин ципа регулирования длительности импульсов в работе предложен схемное решение ГИГРД с двумя источниками питания (рис.9). Эт. схема обеспечивает снижение перезаряда ОИЛ до уровня менее 30% 1 не требует увеличения электрической длины ОИЛ. Необходимым уело вием независимости амплитуды формируемых импульсов от их длитель ности является равенство емкостей ОИЛ и дополнительного источник; питания: С = с. *

д л

Пятая глава посещена разработке методики проектирования импульсных генераторов для питания ОНР и экспериментальной проверю

полученных в диссертацион ной работе результатов. I главе представлены резуль таты разработок двух мощны; генераторов импульсов,.соз даных совместно с сотрудни ками филиала ГОИ им.С.И.8а вилова для использования I отраслевых НИР.

Методика . инженерное Рис.9 проектирования ГИТ для пит<

-ния ОНР включает две стадии.На первой стадии проектирования определяются параметры генератора для фиксированной длительност! импульсов. ОИЛ рассчитывается по требуемому-энерговкладу и вре менным параметрам импульса максимальной Длительности при заданно!

напряжении на ОНР.

На второй стадии проектирования определяется и уточняются параметры источника питания и резонансной зарядной цепи генератора для обеспечения заданных параметров (шпульсов минимальной длительности. Выбор параметров источника питания (ЭДС, величин,-} емкости фильтра) производится исходя из допустимого диапазона " амплитуд тока нагрузки и предельных параметров пьедестала импульсов. Коррекция параметров формирующей цепи, рассчитанных для требуемых амплитудных значений тока и напряжения нагрузки, производится путем численных расчетов переходного процесса с использованием моделей ОНР и применяемого коммутатора.

Экспериментальное исследование режимов работы ГЖРД с рекуперацией энергии и влияния параметров отдельных элементов схемы на форму генерируемых импульсов выполнено на макетах ГИТРД с ти-ристорныуи (или тиратронными) ключами и резистивной нагрузкой. На этих же макетах проверена работоспособность некоторых вариантов ГИТРД с улучшенными техническими характеристиками.

В заключение главы приведено описание двух ыоя^мх импульсных генераторов для питания ОНР. Один из генераторов со средней мощностью до 150 кВт выполнен по схеме с двойной форяирущой линией для получения импульсных ОНР фиксированной длительности (30 мкс; 50 Гц). Второй генератор со средне%максимальной ш-

щностьо до 600 кВт выполнен по двухкзнальной схеме ГИТРД с управляемым резонансным зарядом накопителей энергии (ти= 15-30 икс; голед< 200 Гц). В качестве нагрузки обоих генераторов использовалась десятилитровая разрядная камера стенда "ЧИБИС" с поперечной продувкой газовой смеси и высотой разрядного промежутка 10см. При напряжении на нагрузке в согласованном режиме разряда ОИЛ до 50 кВ ток "ОНР достигал 2,5 кА. В схемах обоих генераторов предусмотрена дискретная регулировка зарядного напряжения и частоты следования импульсов. В качестве коммутаторов использованы ИР типа ИРТ-4-1.

В приложении приведены программа (ФОРТРАН-7?) численного расчета системы уравнений модели ОНР для случая скачка напряжения на электродах разрядной камеры и пример расчета параметров ГИТРД для питания ОНР.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТА РАБОТЫ

1. Обоснована необходимость использования генераторов импульсов для получения импульсных ОНР большого объема,определены требования к этга генераторам я сформулированы задачи исследования.

2. Разработана математическая модель ОНР, базирующаяся на уравнениях пзрвноса заряженных частиц в плазме ОНР и уравнзиии Пуассона для распределения электрического поля в разряде, учитывающая нелинейность и нестационарность ОНР. Использование модели нагрузки, вклшащей модель ОНР и шунтирующий конденсатор, позволило выбрать параметры элементов формирующей цепи генератора в наибольшей степени отвечающих условиям формирования ОНР.

3. Разработана эмпирическая модель ИР, основанная на представлении о практической независимости процесса включения разрядника от параметров разрядной цепи. Модель учитывает зависимость ВСХ коммутатора от температуры охлаждающей воды.

4. Выполнены экспериментальные и теоретические (с применением предложенных модолей) исследования характеристик импульсных ОНР, в результате которых найдена область применения предложенной модели ОНР. Показано, что для больших мэжэлектродных расстояний (более I а.! при атмосферном давлении) модель может быть упрощена за счет отказа от учета неоднородности электрического поля в разрядном промежутке.

5. Выполнен анализ, ряда формирующих высоковольтные импульсы структур, обеспечивающих возможность оперативной рв1"улировки длительности импульсов. В результате анализа предложена базовая схе-^ ыа высоковольтного генератора импульсов. Базовая схема ГИТРД не имеет аналогов и отличается высокой экономичностью за счет рекуперации энергии в источник питания генератора.

6. Выполнен анализ электромагнитных процессов в ГИТРД. Установлено, что в базовой схеме выходные импульсы формируются с пьедесталом, а их амплитуда зависит от длительности. Показано, что особенности формирования импульсов в .основном обусловлены величиной отношения емкостей источника питания и накопителя энергии, потерями энергии в контуре рекуперации и невозможностью получения зарядного напряжения накопителя, в точности равного удвоенному значению напряжения источника питания.

Пс.чазгно также, что яра рекуперации экерпгч п ¡гг.'счшп: п;тз-ш ко£ф*:зд:э.чт раш&иснсго заряда еакастиого накопителя этргии шисит и от дагголькоеги формируемых генератор* гггпу.иссв ?j о? •ргиэтроз истотшиа питания.

7. - Продложвн £ящ козах сгеглгя pszaisifl еупс-хссл&ш« ППГЯД ¡х>купврацц&й энергии и улучэекгаз» техккч-.еккд*

u Выполнены .ToopeT'RiCKtea и з:сспер,.,.:йшт,.;ъй,;з нсс'зло^аг-ля, •дгверздащиэ воагсаносгь создашь таких гэ^ратороо г? спрадзля-еиа ус.тав;ы реаг-оадш ш решений.

8. Разработана ивтодяса инженерного расчзте ПЗГ, Сгпиругпая-г на полученшх в рзЗоге аналитических и сага:р?-г-:зсккх "жисигс-е--!х и првдяоженшх иодеяях нагрузки и ¡'.«»лутстсс-г.. М&то.змч офс-чивзег возможность нлбора оптиыалъкых парматрсз азеяэнтсз и рвдолош(а репка работа ГИТ, -включая ШГРД, с ц<?яы> э£$октипг;о~ f фср;_';!роБач"1я и-шульесв 0/1?.

10. Разрлбогаш внэ/й»?ш в НИНКИ 0Э1Т ЕНЦ Г011 tta. C.I'.öüEv:-ва практические- скопи шпульсшх генераторов для ютами

ЦНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ СНР.В ОДНОЙ ИЗ KOTCPUX впервые било мсполь-вано кьатудъсноэ ягггзше СНГ* с нргаекениеи грязратсссь кчпульесЕ дглтельнс-стн.

о

ПУБШ/ЦЩ ПО ТЕЖ ДИССЕРТАЦИИ

1. Импульсные кодуляторц с поеыгеянся частотой сяедовашй тульсов /В.Ф.Борисов, Д.Л.Гсрячкш,. Т.Е.Аивс№ова, Б.Й.Граге&е-з в др.// Крабоуа и TaxmiKä эксп8р;!канта.-1977.-ЭЗ.-С.109-112.

2. Гсрдокга ¡¡.А.. Гроиовенхо B.Sf. Кссдадовигге С02-лэзэра с юстоятельися разрядку/ Тез.докл.12 сиуч.техн.конф.ГОЙ, Ленин-зд, май 1978г.,-J.--I978.-C.I50.

3. Аиисимова Т.Е..Граговешш В.К. .Йиконов Ю.П. Некоторш ха-стеристики плат продыошзашгл .*а7С«онизационннх ОКГ //Тез.докл. науч.техн.кон$.ГОЛ, ^енингрзя, иай 1978г..-Л.-1978.-C.I57.

4. Фотсиснизационшй СОй-лазер, работящий в импульсно-перио-гаском режиме/ Т.Е.Аниешевз, Д.А.Горячкин, В.М.Громойенко и .// Тез.докл. 2 Всесозн.кснф. "Оптика лазеров", Пенинград.фо-1ЛЬ 1979г.,-Л.-1979.-С.44 .

5. Меследопанмз возможности создания фотоионизационного

С02-лазвра с^высокая частотой по&торения импульсов/ Ю.А.Ананьев, Т.Е.Анисиыова, Д.А.Горячкин, В.М.Громовенко и др.// Изв.АН СССР, Сер.Физическая.-1980.-Т.44.ЮТ.-С.2II3-2II5.

6. Исследование аргона в составе рабочей смеси импульсногс ЭИ С02-лазера атмосферного давления/ С.Н.Димаков, В.М.Громовенко, В.П.Яшуков и др.// Тез.докл. 4 Всесоюзн.конф. "Оптика лазеров", Ленинград март,1985г.,-Л.-1985.-C.I34.

7. йощный импульсный модулятор на игнитроннои разряднике/ Т.Е.Анисияова, Е.В.Аккуратов, В.М.Громовенко и др.// Приборы i техника эксперимента.-1935.-№2.-С.123-126.

8. Имлульсно-периодический С02-лазер атмосферного давления, Н.Е.Аверьянов, -Ю.М.Балошин, В.М.Громовенко и др.// Изв.ВУЗов Приборостроение.-I936.-T.29.ff5. -С. 93-96.

9. Генератор высоковольтных импульсов с переменной длительностью/ Т.Е.Анисимова, Е.В.Аккуратов, В.М.Громовенко и др.//Ч1рн боры и техника эксперимента.-1987.-№4.-С.93-94.

10. Исследование сильноточних импульсных ксеноновых ламп накачки / Б.М.Агеев, А.А.Артемов, 0.Б.Данилов, В.М.Гроаовенко i др.// Тез.докл. 6 Всесоюзн.конф."Оптика лазеров--, Ленинград, февраль 1990г.,-Л.-1990.-С.236.

11. Импульсно периодический йодный лазер с ламповой накач кой / Б.И.Агеев, А.А.Артемов, О.Б.Данилов, В.М.Громовенко и др./. Изв.АН СССР, Сер. Физическая.-I99I.-T.55. »2.-С.231-235.

12. A.c. 951666 СССР, МКИ НОЗК 3/53. Генератор импульсов / В.М.Громовенко, Ю.П.Никонов (СССР).-ff 3239818/I8-2I; Заявлено 26.01.81; Опубл. 15.08.82, Бш.9.-4с.

13. A.c. 1354398 СССР МКИ НОЗК 3/53. Генератор импульсов / В.М.Громовенко (СССР). № 4042001/24-21; Заявлено 25.03.86; Опубл. 23.11.87, Бюл. 43.

14. A.c. I4836I5 СССР МКИ НОЗК 3/53. Генератор импульсов рэ гу лируемой длительности/В.М.Громовенко (СССР).-№4191479/24-21; Заявлено 9.02.87, Опубл. 30.05.89, Бш.20.

15. A.C. 1596437 СССР МКИ НОЗК 3/53. Способ получения импульсов регулируемой длительности/ В.М.Громовенко, В.М.Опре (СССР). № 4311783/24-21; Заявлено 07.07.87; Опубл. 30.09.90, Em. 36.