Sb95751

Введение

Главной задачей силовой импульсной техники является получение в нагрузке мощных импульсов тока или напряжения заданных формы, длительности, амплитуды и частоты следования. В качестве накопительных и формирующих элементов используются различные пассивные линейные формирующие реактивные двухполюсники или многополюсники, обеспечивающие как накопление энергии, так и ее реализацию в нагрузке. Введение в структуру формирующих цепей управляемых или неуправляемых вентилей, а также полностью управляемых силовых ключей позволяет создавать генераторы импульсов регулируемых длительности и формы, что представляет большой интерес для реализации целого ряда импульсных электротехнологических процессов. Второй, не менее важной, задачей является создание высокоэффективных зарядных устройств, обеспечивающих заряд накопителей при минимальном отрицательном воздействии на питающую сеть и сохранении высокого значения КПД процесса заряда. Для изучения, исследования, моделирования и проектирования различных схем формирования импульсов могут быть применены разнообразные системы схемотехнического моделирования. Одной из таких систем является Micro-Cap 9, которая позволяет выполнить графический ввод исследуемой схемы и провести анализ электромагнитных процессов в ней во временной области. Система позволяет определить средние, действующие и амплитудные значения токов и напряжений во всех реактивных, ключевых и вентильных элементах, что является необходимым для последующего проектирования и практической реализации генераторов импульсов. Лабораторный цикл включает в себя 8 работ, в которых моделируются и исследуются схемы формирования импульсов, а также схемы зарядных устройств.

СИСТЕМА СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

MICRO-САР 9

Добавление компонентов в схему. Выбор некоторых компонентов,

необходимых для проведения лабораторных работ, осуществляется в меню Component-Analog Primitives: резистор, конденсатор, индуктивность, диод, длинная линия, трансформатор – в Passive Components; импульсный источник напряжения, источник постоянного напряжения, источник

3

синусоидального напряжения, источник постоянного тока – в Waveform Sourсe; идеальный ключ – в Miscellaneous, а в меню Component-Analog Library – тиристоры и транзисторы.

Выбранный компонент перемещается на схеме «мышью» при нажатой левой кнопке. Компонент поворачивается на 90° нажатием правой кнопки (до отпускания левой кнопки).

Ввод и редактирование атрибутов компонента. После помещения на схему компонента появляется диалоговое окно атрибутов. В графе VALUE для резистора, конденсатора и индуктивности вводится номинальное значение в омах, фарадах или генри соответственно; для ключа – Т (время включения, время выключения); для источника напряжения – напряжение в вольтах. Для диода (в общем случае) выбирается модель GENERIC.

Для импульсного источника в окне Pulse Source выбирается модель PULSE или IMPULSE и в текстовом окне задаются параметры модели

MODEL PULSE (или PUL IMPULSE): VZERO – начальное значение; VONE –

максимальное значение; P1 – начало фронта; P2 – начало плоской вершины импульса; Р3 – конец плоской вершины импульса; Р4 – момент достижения уровня VZERO; Р5 – период повторения.

Задание параметров моделирования.

Нажать клавишу Transient.

В окне Transient Analysis Limits задать параметры моделирования, используя команды:

Stepping – открытие диалогового окна задания вариации параметров. Run – начало моделирования.

Add – добавление еще одной строки спецификации вывода результатов. Delete – удаление строки спецификации вывода результатов.

Тime Range – время моделирования процесса.

State Variables – Zero (в случае нулевых начальных условий), Read (в случае задания начальных условий пользователем).

Строка спецификации вывода результатов:

Р – номер графического окна, в котором должна быть построена данная функция;

XExpression – имя переменной, откладываемой по оси х;

YExpression – математическое выражение для переменной, откладываемой по оси у. Это может быть простая переменная типа напряжения на емкости V(C1), ток элемента I(R1), напряжение узла V(1) или ветви V(1,9),

4

математическое выражение, например энергия, выделяемая в нагрузке – SUM(I(R1)*I(R1)*R1,t), AVG(u) – текущее среднее значение переменной u, RMS(u) – текущее среднеквадратичное отклонение переменной u при интегрировании по времени и т. п.

При создании принципиальных схем числовые значения параметров компонентов представляются в виде:

-действительных чисел с фиксированным десятичным знаком. Например, сопротивление 2,5 кОм записывается как 2500, а емкость 1 мкФ как 0.000001;

-действительных чисел с плавающим десятичным знаком – научная нотация. Например, емкость 1 мкФ может быть записана как 1Е-6;

-действительных чисел с плавающим десятичным знаком – инженерная нотация, согласно которой различные степени 10 обозначаются следующими суффиксами: Fили f (фемто) – 10-15, Р (пико) или p – 10-12, N (нано) или n – 10-9, U или u (микро) – 10-6, М или m(милли) – 10-3, К или k(кило) – 103, MEG (мега) – 106, G (гига) – 109, Т (тера) – 1012. Например,

емкость 1 мкФ может быть записана как 1u.

Лабораторная работа 1 ГЕНЕРАТОР С ЧАСТИЧНЫМ РАЗРЯДОМ ЕМКОСТНОГО

НАКОПИТЕЛЯ

Схема генератора, выполненная в программном средстве Micro-Cap 9, изображена на рис. 1.1, где V1 – источник питания; С – емкостный накопитель; R1 – зарядное сопротивление; R – сопротивление нагрузки; S1– полностью управляемый ключ, V2 IMPULSE – источник управляющего напряжения. Схема работает следующим образом: в течение времени заряда τ

(τ – длительность импульса) накопитель энергии С1 заряжается от первичногоисточника постоянного напряжения V1 через зарядное сопротивление R1. Это сопротивление ограничивает зарядный ток,

5

потребляемый от первичного источника, и определяет постоянную времени зарядной цепи. При замыкании ключа S1 накопленная энергия выделяется в нагрузке. В схеме используется полностью управляемый ключ, что дает возможность работать в режиме частичного разряда емкостного накопителя. Генератор формирует импульсы, близкие по форме к прямоугольным, длительность которых τ определяется временем замкнутого состояния ключа

S1.

Рис. 1.2

и на емкостном накопителе.

Эти зависимости имеют вид

Емкость накопителя определяется значением допустимого спада напряжения ∆Е на вершине формируемого импульса.

Оценим требуемое минимальное значение емкости накопителя, исходя из закона сохранения заряда. Значение заряда, потребленного от накопителя

qс, и заряда, протекшего через нагрузку qн, равны друг другу. Тогда

qC C(Emax Emin ) C E Iсрτmax .

Считая, что на начальном участке экспонента может быть заменена прямой линией, примем среднее значение тока нагрузки

I Emax Emin .

ср 2R

Отсюда следует, что

Ен Emax Emin τmax .

2 Е R

Определим КПД зарядной цепи вычислением отношения энергии, запасаемой емкостным накопителем за один период заряда Wс, к энергии, которая потребляется от источника питания за этот же период Wист:

6

энергия, оставшаяся в емкости по окончании процесса разряда. Значения этих энергий определяются следующим образом:

W0 0.5CнEmax2 , Wост 0.5CнEmin2 .

Здесь Emin – остаточное напряжение на емкости после окончания импульса тока нагрузки. Тогда W0 0.5CнEmax2 0.5CнEmax2 0.5Cн Emax2 Emax2 ;

Из зависимости (1.2) следует, что при полном разряде емкостного накопителя и η 50 %. При частичном разряде накопителя КПД тем

выше, чем больше остаточное напряжение на емкости или энергия, оставшаяся в ней по окончании формирования импульса. Кроме этого видно,

влияет на КПД процесса заряда, зависящего только от значений зарядного и остаточного напряжений.

Задание к лабораторной работе

1.Постройте принципиальную схему генератора в окне редактора схем (рис. 1.1). В качестве полностью управляемого ключа выберите в меню Waveform Sourсe ключ, управляемый напряжением S (V-Switch).

2.Вычислите значения емкости Сн и зарядного резистора Rзар генератора с частичным разрядом накопительной емкости исходя из

7

следующих условий: R = 1 Ом, V1 = 500 В, τ 1мс, частота следования импульсов F = 20 Гц, допустимый спад напряжения E = 50 В .

Задайте параметры генератора импульсов V2, управляющего ключом S1, следующими:

MODEL PULSE PUL (vone=5 pl=0 p2=0 p3=1m p4=1m p5=0.05) Ключ Switch (S1). Параметры ключа Example V,5,0,1m,1e6.

3.Постройте зависимости токов Сн, R и напряжения на Сн.

4.Определите КПД зарядного устройства двумя способами: по зависимости (1.2) и через соотношение энергий или мощностей, выделяемых

внагрузке и зарядном сопротивлении:

-при четырех различных значениях емкости накопительного конденсатора С в интервале ± 50 % от рассчитанного значения;

-при различных значениях сопротивления нагрузки R в интервале от

0,5 до 1,5 Ом;

-при различных значениях зарядного сопротивления R1 ± 50 % от рассчитанного значения.

5.Объясните полученные результаты.

Лабораторная работа 2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ФОРМИРУЮЩЕМ

ДВУХПОЛЮСНИКЕ 1-го РОДА

Известны 4 канонические схемы формирующих двухполюсников (ФД), которые эквивалентны длинной линии с распределенными параметрами в том случае, когда число этих элементов стремится к бесконечности.

8

Однако ввиду того, что ФД состоит из конечного числа элементов L и С, сформировать с помощью такой схемы импульс точно прямоугольной формы невозможно. Тем не менее, при определенном выборе значений элементов L и С удается получать в нагрузке импульс с крутым фронтом и отчетливо выраженной плоской вершиной, т. е. импульс, форма которого близка к прямоугольной. Формирующий двухполюсник 1-го рода, состоящий из n параллельно соединенных последовательных LC-контуров и зарядного устройства, изображен на рис. 2.1. Период собственных колебаний k-й ветви ФД 1-го канонического вида, состоящей из бесконечно большого числа таких ветвей, должен удовлетворять равенствам:

Tk 2π LkCk 2τ/ 2k 1 ; ρk LkCk 2k 1 ρπ/ 4 .

Умножив и разделив эти равенства друг на друга, получим

Таким образом, значения индуктивностей всех ветвей одинаковы, а значения емкостей убывают с возрастанием номера k ветви. Если бы емкость n-контура оказалась равной нулю (при n ), то сопротивление этого контура было бы бесконечно большим на всех частотах и никак не влияло бы на процессы в схеме. Цепь 1-го канонического вида с параметрами, рассчитанными по формулам (2.1), формирует импульс с довольно крутым фронтом, но большими наложенными колебаниями на вершине. Формы единичного импульса тока короткозамкнутого и нагруженного ФД приведены на рис. 2.2 (кривые 1 и 2 соответственно). Формы единичного импульса тока при количестве контуров n = 5 и n = 3 приведены на рис. 2.3 (кривые 1 и 2 соответственно). Так как увеличение числа контуров практически не изменяет амплитуду наложенных колебаний, то целесообразно ограничиться небольшим количеством контуров (не более 3– 5), которое зависит от требований, предъявляемых к крутизне фронта импульса.

9

Формирующая цепь 1-го канонического вида, состоящая из n параллельно соединенных последовательных LC-контуров, легко поддается анализу в режиме короткого замыкания, т. е. нахождение переходной характеристики данной цепи не представляет сложности, так как она равна сумме переходных характеристик отдельных контуров.

Переходная характеристика каждого контура представляет собой синусоиду, и перейти к цепи, приведенной на рис. 2.1, можно, если представить переходную характеристику цепи суммой ограниченного числа синусоидальных составляющих. Переходная характеристика k-й ветви этой цепи выражается формулой

Переходная характеристика всей цепи h n hk .

k 1

На рис. 2.4 представлены временные зависимости напряжений на емкостях, а на рис. 2.5 – токов нагрузки и индуктивных элементов пятиконтурного ФД,

Для примера рассчитаем пятизвенный ФД, предназначенный для формирования на активном сопротивлении R = 1 Ом прямоугольного

импульса тока длительностью τ = 1 с. Поскольку Lk = 1/4 = 0.25 Гн;

Ck 4/ 2k 1 2 π2 , то C1 = 0.41 Ф, C2 = 0.045 Ф, C3 = 0.0162 Ф,

C4 = 0.0083 Ф, C5 = 0.005 Ф.

Приведенный пример показывает, что значение емкости быстро убывает с ростом номера контура и дальнейшее увеличение числа контуров становится нецелесообразным.

10