Пичугина М.Т. Высоковольтная электротехника

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 1.17. Коаксиальная

компоновка [13]

Рис.118. Схема с общим коммутатором

[1]

На практике выходные параметры сформированного импульса оп-

ределяются также параметрами разрядника, омическими и диэлектриче-

скими потерями при распростране-

нии падающей волны в линии, пара-

зитной емкостью на краях полоско-

вых линий. Эти факторы влияют на

длительность фронта и амплитуду

выходного импульса.

Для уменьшения длительности

фронта применяют специальные бы-

стрые разрядники и соединяют их

параллельно в каждом каскаде. Для

уменьшения влияния паразитной ем-

кости на краях линий на фронт и ам-

плитуду импульса нужно уменьшить

волновое сопротивление линии  и

С

. Очевидно, что с уменьшением 

возрастает индуктивная постоянная времени разрядника, оптимальным

является случай равенства индуктивной L

/ и емкостной С

состав-

ляющих фронта импульса [13].

Радикальный путь

уменьшения С

– коаксиаль-

ная компоновка полоскового

генератора, когда полоски

выполняются в виде цилинд-

ров, которые вставляются

один в другой (рис. 1.17).

Нагрузка включена в

точке, равноудаленной от

ключей. Если нужно заме-

нить много ключей одним, то

следует в схему генератора

на полосковых линиях ввести

дополнительные развязывающие импедансы для предотвращения раз-

ряда длинных линий через общий проводник (рис. 1.18). Развязываю-

щий импеданс 

>> , что соответствует а

>> а, где а

– расстояние

между полосками развязывающей линии. Амплитуда волны напряже-

ния, распространяющаяся в пассивных линиях в сторону нагрузки, по-

сле удвоения на конце линии равна



aU 

. (1.18)

Рис. 1.19. Схема

спирального генератора

Это дает значение выходного напряжения основного импульса



















ρ а

RNU

вых

, (1.19)

где  - коэффициент, учитывающий изменение плоской части импульса

за счет потерь в линиях.

Спиральный генератор. Если свернуть двойную полосковую ли-

нию с волновым сопротивлением 2 и длиной 2l в спираль, то получает-

ся спиральный генератор Фитча (рис.

1.19) 13,5. Центральный проводник по-

лосковой линии заряжается до напряже-

ния U

, а затем на ее середине общий

проводник из составляющих линию по-

лос замыкается на одну из внешних по-

лос ключом К. В обоих направлениях от

ключа К по закороченной одинарной ли-

нии начинают распространяться волны

снятия напряжения. Если при t = 0 на-

правленные встречно векторы напряже-

ния по сечению спирали компенсирова-

ли друг друга, то при t > 0 постепенно по

мере распространения волны снятия напряжения в соответствующих

витках снимаются компенсирующие векторы. Коаксиальные конденса-

торы с напряжением U

на каждом, образованные смежными витками

спирали, включаются последовательно. Когда волны снятия напряжения

достигают концов спирали, напряжение между внутренним и внешним

витками спирали становится равным N



, где N – число витков. После

отражения от разомкнутых концов спирали при движении отрицатель-

ной волны напряжения постепенно изменяется полярность напряжения

в активной полосковой линии. Когда отраженные волны достигают

ключа К, процесс перезарядки активной линии прекращается, и напря-

жение между внутренним и внешним витками спирали достигает мак-

симального значения 2N



. Однако на этом переходный процесс не

прекращается. После отражения от замкнутого ключа К в активной ли-

нии опять распространяются волны снятия напряжения и т.д. Таким об-

разом, напряжение между витками генератора колеблется от 0 до 2N



. Время нарастания напряжения до максимума определяется выраже-

нием









 l2

, (1.20)

где D – средний диаметр спирали.

Выходное напряжение для 0 < t < 

 

2 U

ВЫХ





(1.21)

где 

– среднее время прохождения волной одного витка спирали.

Для интервала времени < t < 2

 

)(2 U

NtU

ВЫХ







. (1.22)

Выходная емкость спирального генератора, когда внешний диаметр ма-

ло отличается от внутреннего

ВЫХ

















, (1.23)

где С – полная емкость линии, свернутой в спираль.

Амплитуда и форма импульса в реальном генераторе зависят от ха-

рактеристики коммутации разрядника, от потерь в диэлектрике и про-

воднике, а также от шунтирующего влияния индуктивности каждого

витка спирали. Анализ формы импульса, получаемого от спирального

генератора, приведен в [17].

Преимуществом спиральных генераторов является сравнительная

простота компоновки и возможность умножения напряжения в 30-40

раз и более. Кроме того, требуется только один коммутатор. К недос-

таткам следует отнести малую выходную емкость и необходимость ис-

пользовать малоиндуктивный быстрый коммутатор.

Контрольные вопросы.

1. От чего зависит амплитуда, длительность и фронт импульса на-

пряжения в генераторе импульсных напряжений, собранного по

схеме Аркадьева-Маркса?

2. Как влияет индуктивность разрядного контура на скорость вывода

энергии из первичного накопителя?

3. Что понимается под импульсной зарядкой малоиндуктивного на-

копительного элемента?

4. Пояснить принцип работы генератора Фитча.

5. Какая из рассмотренных схем генераторов на отрезках длинных

линий обладает лучшим к.п.д.?

Рис. 2.1 Схема

однозвенного генератора

2. Магнитные генераторы мощных импульсов

2.1 Принцип работы магнитных генераторов импульсов

Формирование импульсов в магнитных импульсных генераторах

основано на использовании нелинейных свойств сердечников. Пока

сердечник не насыщен, напряженность Н магнитного поля в нем не пре-

вышает некоторой величины H

, зависящей от свойств магнитного ма-

териала [18]. Согласно закону Ампера ток i, протекающий через обмот-

ку дросселя, также ограничен.

iN = Hl, (2.1)

где N – число витков обмотки, l – длина сердечника.

Магнитное состояние сердечника определяется законом Фарадея,

согласно которому магнитный поток пропорционален интегралу напря-

жения на обмотке дросселя



 Udt

(2.2)

Поскольку ток намагничивания i в ненасыщенном состоянии мал,

напряжением на R

можно пренебречь и считать, что все напряжение

конденсатора С

приложено к обмотке

дросселя L

(рис. 2.1). Поэтому одновре-

менно с зарядом С

магнитный поток бу-

дет нарастать до тех пор, пока не достиг-

нет значения Ф

, при котором сердечник

переходит в область насыщения. В облас-

ти насыщения напряженность поля уже не

ограничена значением H

, и характер про-

цесса будет определяться крутизной ха-

рактеристики намагничивания, т.е. вели-

чиной индуктивности дросселя в насыщенном состоянии. Если эта ин-

дуктивность будет значительно меньше индуктивности зарядного дрос-

селя, то конденсатор за короткое время разрядится на нагрузку. Дрос-

сель с насыщающимся сердечником играет роль ключа в магнитном ге-

нераторе. В ненасыщенном состоянии ток через обмотку дросселя дол-

жен быть минимальным, в насыщенном состоянии желательно иметь

как можно меньшее напряжение на обмотке. Очевидно, что чем глубже

насыщение сердечника, тем ближе характеристика дросселя к идеаль-

ному ключу.

Если магнитный генератор питается от источника переменного

напряжения и не содержит никаких других нелинейных элементов,

кроме переключающего дросселя, то после разряда конденсатора начи-

Рис. 2.2. Схема генератора с

подмагниченным дросселем

нается его заряд током противоположного направления, при этом сер-

дечник перемагничивается в обратном направлении. В установившемся

режиме сердечник перемагничивается по симметричной предельной

петле гистерезиса, насыщаясь через каждые полпериода колебаний

э.д.с. источника [18]. Соответственно в нагрузке получаются импульсы

чередующейся полярности.

Для получения в нагрузке однополярных импульсов необходимо

использовать подмагничивание дросселя L

постоянным током I

от

вспомогательного источника (рис. 2.2) В этом случае перемагничи-

вание сердечника будет происходить по несимметричной петле гистере-

зиса, причем возможен такой режим, когда сердечник насыщается толь-

ко в одном направлении, а в нагрузке получаются импульсы одной по-

лярности. Такой режим называется асимметричным с одним насыщени-

ем за период. Схема магнитного ге-

нератора, питаемого от источника по-

стоянного напряжения, обязательно

должна содержать хотя бы один

управляемый ключ, например, тири-

стор, чтобы стало возможным преоб-

разование постоянного тока в перио-

дический переменный. Обычно в ка-

честве управляемых ключей в маг-

нитных генераторах используются

тиристоры. Тиристоры могут нахо-

диться не только в зарядной цепи, но

и в цепи разряда конденсатора. В этом случае они вместе с конденсато-

ром образуют звено с управляемым ключом.

Основным элементом, общим для всех схем магнитных генерато-

ров, является звено, содержащее конденсатор и дроссель (трансформа-

тор) с ферромагнитным сердечником (рис. 2.2).

На практике наиболее часто применяются комбинированные схемы

генераторов, содержащие звенья того и другого типа (рис. 2.3) 18.

В схемах наносекундного диапазона нелинейные элементы исполь-

зуются, главным образом, не как коммутаторы, а как элементы, форми-

рующие волны с крутыми перепадами из сформированных генератором

исходных импульсов волн с относительно медленно нарастающим

фронтом. По существу это обострители со свойствами, определяемыми

параметрами фронта.

В магнитных звеньях осуществляется сжатие импульсов во време-

ни и в результате при сохранении энергии растет мощность импульсов.

Магнитные звенья сжатия получают энергию для формирования им-

пульсов либо от сети переменного тока, либо от источника импульсов,

который может быть выполнен на тиристорах или тиратронах. Тогда

соответственный генератор исходных импульсов называется магнито-

тиристорным или тиратрономагнитным.

Основное преимущество устройств на магнитных звеньях по срав-

нению с генераторами, использующими искровые разрядники, заключа-

ется в том, что возможна устойчивая, надежная работа их на частоте.

Однако магнитные генераторы равной мощности по габаритам превы-

шают генераторы на разрядниках в 1,5 – 2 раза [19].

2.2 Формирование импульсов в многозвенной схеме

Рассмотрим формирование импульсов в многозвенной схеме, не

содержащей управляемых ключей (рис.2.5) [18].

В данной схеме, как и в других, возможно большое число различ-

ных видов колебаний. Ограничимся рассмотрением асимметричного

режима с одним насыщением сердечника дросселя первого звена за пе-

риод. В течение первого периода можно выделить 3 процесса:

– накопление энергии в конденсаторе первого звена;

– формирование рабочего импульса, когда накопленная в первом

конденсаторе энергия благодаря поочередному

Рис. 2.4. Комбинированная схема генератора (АБА) [18]

Рис. 2.3. Схемы магнитного звена: типа А(а), типа Б (б, в) [18]

перемагничиванию и насыщению сердечников переключающих

дросселей передается в виде импульса вдоль цепи магнитных

звеньев в нагрузку;

– обратное перемагничивание сердечников, при котором схема

подготавливается к формированию очередного рабочего

импульса.

Пусть емкости конденсаторов всех звеньев, кроме первого, равны

между собой

CCCC 

, а емкость

CКC 

, где К

– коэффициент

трансформации трансформатора L

Звенья генератора осуществляют сжатие импульса во времени, по-

этому

4321

2 ÍÍÍÍ

LLLLKLK 

, где

- индуктивность к-го

дросселя при насыщении, а

- индуктивность вторичной обмотки

трансформатора L

при насыщении.

Рассмотрим формирование рабочего импульса с момента времени t,

когда сердечник L

приходит в положительное насыщение. Предполо-

жим, что к этому времени сердечники всех остальных дросселей нахо-

дятся в состоянии отрицательного насыщения. Напряжение на С

равно

, а на всех остальных конденсаторах равно 0. Токи во вторичной об-

мотке трансформатора L

и дросселях L

и L

равны 0. Дроссель L

под-

магничивается постоянным током I

После перехода дросселя L

в насыщенное состояние начинается

разряд конденсатора С

на С

. Ток i

протекает через обмотку дросселя

, по первичной и вторичной обмоткам трансформатора L

, через дрос-

сели L

и L

, нагрузку R

и С

. Под действием этого тока дроссели L

поддерживаются в состоянии отрицательного насыщения, а сердеч-

ник трансформатора L

в самом начале процесса разряда конденсатора

переходит в ненасыщенное состояние. Характер и длительность про-

цесса разряда определяются, главным образом, емкостями С

и С

и ин-

дуктивностью

Полярность напряжения на С

после его разряда будет отрицатель-

ной. Напряжение отрицательной полярности на С

вызывает изменение

Рис. 2.5. Схема магнитного генератора

индукции в сердечнике дросселя L

и удерживает этот дроссель в нена-

сыщенном состоянии, аналогичном состоянию разомкнутого ключа.

По мере разряда С

напряжение на С

растет. По мере заряда С

ко

вторичной обмотке трансформатора L

приложено напряжение



индукция в сердечнике трансформатора нарастает, и сердечник насы-

щается. Когда сердечник перейдет в состояние насыщения, начинается

процесс разряда С

. Ток разряда i

протекает по вторичной обмотке

трансформатора L

и через конденсатор С

. Ненасыщенные состояния

сердечников L

и L

препятствуют разряду С

на С

и С

. Процесс разря-

да продолжается, пока сердечник трансформатора L

не перейдет в не-

насыщенное состояние. Длительность разряда С

значительно меньше

длительности разряда С

. Напряжение на конденсаторе С

к этому вре-

мени станет равно напряжению U

= U

, а



Индукция на дросселе L

, напряжение на котором равно

, в те-

чение процесса нарастает, и при насыщении сердечника L

начинается

разряд С

на конденсатор С

. Этот процесс аналогичен предыдущему,

только частота собственных колебаний

ÑL







будет больше, а

длительность разряда /

меньше. Когда напряжение на С

равно 0, то

напряжение на С

достигает максимального значения, равного U

= U

В этот момент времени индукция в сердечнике последнего дросселя

становится равной В

, после чего начинается разряд конденсатора С

на

нагрузку.

После насыщения дросселя L

последнее звено образует искусст-

венную формирующую линию, состоящую из конденсатора С

, насы-

щенного дросселя L

и параллельных контуров L

C

и L



. Для полу-

чения максимальной энергии в нагрузке волновое сопротивление линии

 выбирается равным сопротивлению нагрузки R

. Тогда в нагрузке

формируется импульс прямоугольной формы с амплитудой U

/2R

длительностью 

, определяемой параметрами формирующей линии.

После окончания импульса напряжение на С

и ток через L

становятся

равными 0, а дроссель L

оказывается на пороге положительного насы-

щения [18].

При работе генератора в асимметричном режиме все сердечники в

интервале между основными импульсами должны перемагнититься в

обратном направлении. Обратное перемагничивание сердечника к-го

дросселя происходит под действием напряжения на к-том конденсаторе,

полярность которого противоположна полярности рабочего импульса.

По существу процесс обратного перемагничивания сердечников анало-

гичен процессу их намагничивания при передаче энергии рабочего им-

пульса.

Когда дроссель L

переходит в ненасыщенное состояние и конден-

сатор С

начинает заряжаться от источника синусоидального напряже-

ния е, то через рабочую обмотку первого дросселя протекает ток сме-

щения I

, равный приведенному к рабочей обмотке току подмагничи-

вания. В результате при заряде С

на цепь, состоящую из зарядного

дросселя и конденсатора С

, воздействует не только источник перемен-

ного напряжения, но и генератор постоянного тока I

. Поскольку сред-

нее значение тока в этой обмотке равно 0, а насыщается дроссель в рас-

смотренном режиме только один раз за период, то при разряде С

на С

через рабочую обмотку L

проходит количество электричества пример-

но равное I



Т. Отсюда следует, что амплитуда рабочего импульса на

конденсаторе С

и на выходе зависит в основном от тока подмагничива-

ния. Это позволяет легко регулировать амплитуду выходных импульсов

путем изменения величины тока подмагничивания





, где Т –

период питающего напряжения.

Таким образом, схемы, не содержащие полупроводниковых прибо-

ров, не могут получать импульсы большой частоты следования, т.к.

шкала частот электромагнитных генераторов переменного тока ограни-

чена. Для увеличения частот используются разные схемы и способы.

1. Генераторы с многоканальным входом.

При работе генератора в каждом канале вырабатывается последо-

вательность импульсов. В общем звене генератора происходит сложе-

ние этих последовательностей. Если в каждом канале частота следова-

ния импульсов равна f, то в общих звеньях и на выходе генератора

средняя частота следования импульсов будет в m раз больше, где m –

число каналов на входе генератора.

В генераторах с многоканальным входом (рис.2.6) путем соответ-

ствующего сдвига во времени последовательностей импульсов разных

каналов можно получить периодически изменяющиеся интервалы меж-

ду выходными импульсами.

Многоканальный вход можно использовать и в магнитных генера-

торах с тиристорами, где таким образом повышается частота и мощ-

ность генератора во столько раз, сколько каналов на входе.

2. Генераторы с делением частоты.

Рассмотренная выше схема магнитного генератора не может выра-

батывать импульсы с частотой следования меньше, чем частота источ-

ника питания. В генераторе с делением частоты источника питания

(рис. 2.7) первый дроссель насыщается один раз в течение целого числа

периодов [18].

Такой режим становится возможным благодаря наличию в первом

звене генератора дополнительного контура L

, причем резонансная

частота этого контура в 2n

раз меньше частоты источника.

3. Генераторы импульсов тока.

В таких генераторах амплитуда выходных импульсов зависит от

величины сопротивления нагрузки. Она должна быть согласована с по-

следним звеном генератора. Внутренним сопротивлением генератора

является характеристическое сопротивление  искусственной форми-

рующей линии, образованной конденсатором С

, индуктивностью на-

сыщения дросселя L

и цепочкой резонансных контуров Ф (рис.2,8)[18]. .

источник

питания

зарядная цепь и

I звено канала 1

зарядная цепь и

I звено канала 2

общие звенья

генератора

Рис. 2.6. Схема генератора с многоканальным входом [18]

нагрузка

Рис.2.7 Схема магнитного генератора импульсов с делением частот

Рис. 2.8. Схема генератора импульсов тока

Нагрузка