Лекция 11 генераторы импульсных токов.
11.1. Назначение генераторов импульсных токов (гит)
ГИТ начали интенсивно развиваться в 60-х годах 20-го века в связи с расширением областей их применения в энергетике, экспериментальной физике и импульсных технологиях. Техника больших импульсных токов и магнитных полей нашла широкое применение в развитии проблемы управляемого термоядерного синтеза, особенно в областях так называемых сверхбыстрых процессов.
ГИТ используются в мощных импульсных источниках света, в устройствах накачки мощных лазеров, плазменных ускорителях, разделах магнитной гидродинамики, промышленных технологиях.
В данной главе будет рассмотрен раздел сильноточной импульсной техники, основанный на емкостных накопителях энергии, генерирующих импульсы тока колебательной формы частотой до 1,0 МГц или импульсы экспоненциальной формы. Зарядные напряжения емкостных накопителей лежат в диапазоне 5 – 150 кВ, токи ГИТ – до нескольких миллионов ампер.
Техника больших импульсных токов в энергетике нашла применение при решениях следующих проблем:
- исследования процессов при пробоях газообразных, жидких, твердых диэлектриков и пограничных сред;
- моделирование процессов в сильноточных коммутационных аппаратах;
- моделирование процессов, возникающих в аппаратах, устройствах и газовой изоляции при прямых ударах молнии.
В последнем случае для максимального приближения к естественному процессу грозового разряда создаются совместно действующие на одну испытываемую нагрузку импульсные генераторы напряжения и тока (система ГИН – ГИТ).
На настоящее время достигнуты следующие параметры ГИТ:
- по амплитуде тока - до 107 А (10 МА);
- по энергии - более 107 Дж (10 МДж);
- по скорости нарастания тока - менее 2∙1012 А/c (2∙106 А/мкс).
Следует отметить, что такие энергии и скорости нарастания тока близки к границам значений, при которых начинается устойчивая реакция синтеза в устройствах термоядерного синтеза (W 108 Дж, S 5∙1012 А/с).
К вопросу о максимальных значениях удельной запасаемой энергии накопителей.
Механический маховик может быть разогнан до скорости звука на ободе , при этом удельная энергия может достигнуть величины 500 Дж/см3. Во взрывчатых веществах достигается энергия до 8000 Дж/см3. Проблема преобразования таких видов энергии в электрическую решаема. Взрывные генераторы применяют в единичных физических экспериментах. Однако в регулярных исследованиях и испытаниях необходимы устройства многоразового длительного использования и такие генераторы могут выполняться на основе емкостных накопителей. Серийные импульсные конденсаторы имеют среднюю удельную плотность запасаемой энергии < 0,1 Дж/см3 . Использование новейших материалов и технологий позволяет поднять это значение до 2 Дж/см3.
11.2. Принципиальная схема генераторов больших импульсных токов (гит)
ГИТ представляет собой батарею параллельно соединенных заряженных конденсаторов, число которых, зарядное напряжение и их суммарная емкость определяют запасаемую энергию ГИТ:
|
(11.1) |
,
где
– число параллельных конденсаторов,
– емкость единичного конденсатора,
- зарядное напряжение.
Конденсаторная батарея ГИТ длительное время заряжается от зарядного устройства (ЗУ) и разряжается в короткий промежуток времени на нагрузку – объект испытания или исследования. Батарея разряжается на нагрузку коммутирующим устройством – управляемым разрядником. Электрическая схема ГИТ приведена на рис. 1.11.
Рис. 11.1. Электрическая схема ГИТ,
где: 1 – зарядное устройство; 2 - конденсаторная батарея; 3 – управляемый разрядник; 4 – системы шин; 5 – нагрузка; 6 – устройство поджига разрядника.
Основным требованием к ГИТ по определению является получение максимальной амплитуды тока и скорости его нарастания в нагрузке. При расчете и конструировании ГИТ выбираются его энергия и зарядное напряжение, из этих параметров – емкость батареи. Далее выбирается принципиальная схема и производится электрический и электродинамический расчет всех элементов.
В ряде специальных задач требуется импульс специальной формы, например, апериодический импульс, прямоугольный или затухающий синусоидальный с заданным декрементом. Для этого применяются специальные схемы, например, цепные, или программируемая коммутация нескольких ГИТ с разными параметрами.
В разработке ГИТ, также как и при разработке ГИН, соотносят такие параметры, как надежность, ресурс и стоимостные показатели.