книги из ГПНТБ / Кардашев, Г. А. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты

Обычно ультразвуковые генераторы имеют одну рабо­ чую частоту или один диапазон частот. Универсальные генераторы могут быть широкодиапазонными. Стабиль­

ность частоты {Aviv) должна быть достаточно высокой, так как нагрузкой служат резонансные системы. Так,

. при работе с магнитострикторами в жидкости - ~

70

ГЛАВА IV

ИМПУЛЬСНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Генераторы, в которых на нагрузку поступают отдельные порции энергии (импульсы), называют импульсными. Импульсные генераторы широко применяют в радиоло­ кации, ядерной физике, при электроэрозионной обра­

малой энергии. Другие направления связаны с формиро­ ванием импульсов больших энергий. Прикладная акустика занимает по использованию импульсов промежуточное по­ ложение, но, к сожалению, импульсным методом в акус­

В простейших одноступенчатых ГИН (рис. 25, а, б) ис­ пользуют один конденсатор или одну группу конденса­ торов, а в многоступенчатых (рис. 25, е) — несколько

72

групп конденсаторов. При анализе работы и расчете параметров ГИН рассматривают два режима — заряда и разряда — II соответственно зарядную и разрядную схемы.

В зарядную часть одноступенчатого ГИН (рис. 25, а, 6) входят: трансформатор Тр, выпрямитель Л, конденса­ тор С1 и резисторы RJ, R2 и R3. Принцип действия ГИН заключается в зарядке конденсатора С1 до напряжения Uх, достаточного для пробоя воздушного промежутка в шаро­ вом разряднике Рр. Пробой в разряднике Рр приводит к разрядке конденсатора С1 в контуре С1—R1—R2] при

Рис. 26. Схема зарядной части ГИН (а), зависимость напря­ жения на конденсаторе от времени и кривые зарядки конденса­ тора (в) на выпрямленном (кривая /) и постоянном (кривая 2) напряжении

этом напряжение f/2 возрастает, достигает максимального значения, а затем спадает до нуля. Если пренебречь рас­ пределенной емкостью и индуктивностью в разрядном контуре, сопротивлениями соединительных проводов и канала искры, то изменение напряжения Н2 можно опи­ сать уравнением

П2 = П1е х р ( - ^ ) .

Изменяя сопротивления резисторов R1 и R2, можно регулировать форму выходного напряжения генератора.

В многоступенчатых ГИН (рис. 25, ß) конденсаторы заряжаются в течение длительного времени при парал­ лельном соединении, а разряжаются через разрядники Рр при их последовательном соединении.

Для выпрямления переменного напряжения исполь­ зуют одно- и двухполупериодные схемы. Порядок расчета

73

заряда на конденсаторе С при зарядке на выпрямленном постоянном напряжении. На постоянном напряжении U„ процесс зарядки конденсатора описывается уравнением

(28)

Процесс зарядки на выпрямленном напряжении не имеет точного аналитического решения и с некоторым приближением описывается уравнением

t/c = i /m a x { l - e x p ( - ^ r ) -

+ е х р ( - 0,528 і= )]},

где Uc— среднее за полпериода напряжение на конден­ саторе;.

7/П1ах — амплитуда выпрямленного (зарядного) напря­ жения.

2. Амплитуду переменного напряжения, питающего трансформатор t/max, принимают равной Umax = (0,10н- н-0,15) £/с.

Время зарядки определяют по кривой 1 (рис. 26, е). Затем выбирают зарядное сопротивление по величине максимального допустимого кратковременного тока через выпрямитель; R — Hmax//max. Изменение зарядного тока /3 во времени с некоторым приближением описы­ вается уравнением

Так как действительное значение силы тока за время заряда т3

74

то, используя уравнение (29), находят

3. Время зарядки по кривой 1 (рис. 26, в) при усло­ вии Uc = 0,9и шх составит

4. Подставляя это значение т3 в уравнение (30), на­ ходят

R' Ѵт ~ Ѵзо '

5.Далее выбирают выпрямитель в зарядной схеме ГИН из условия равенства среднего анодного тока выпря­ мителя действующему анодному току Іа = Г3.

6.Из уравнений (28),' (30) и (32) определяют время

зарядки конденсатора до 0 С— 0,940 тах:

а

Последнее равенство позволяет либо рассчитать время зарядки конденсатора для выбранного выпрямителя с то­ ком / а и обратным напряжением Uo6p — 2Uc, либо ре­ шить обратную задачу: при заданных времени т3, емко­ сти С и рабочем напряжении конденсатора Uc выбрать выпрямитель.

7. Определяют мощность питающего трансформатора по действительному зарядному току и рабочему напряже­ нию конденсатора:

Ртр = І'зил ~ 0,8I'3UC

или

75

Полный и точный расчет разрядной схемы ГИН отли­ чается значительной сложностью, так как при учете соб­ ственной иидуктив'ности элементов ГИН необходимо ре­ шать дифференциальное уравнение третьего порядка. При введении упрощений,практически с достаточной точ­ ностью можно дать теоретический анализ. Например, если принять разрядное сопротивление Rx*(см. рис. 25, а, б) бесконечно большим, то колебаний в контуре не будет при условии

где L — индуктивность разрядного контура;

р _ схс2

~СН-С2 ■

Когда R 1 — 2 У и С а, напряжение на конденсаторе С2 описывается уравнением

у ‘ “ & + с ,с/Ф 1 - ( 1 + Ш ехр( - | г ) ] ’ <34>

где Ux— соответствует Uc [уравнение (28)]. Более под­ робно расчет ГИН рассмотрен в специальной литера­ туре [13].

Генератор импульсных токов (ГИТ) мало отличается от ГИН и используется для питания электродинамических излучателей (см. гл. IX). В ГИТ создаются сильные апериодические импульсы тока также за счет разрядки конденсатора. В схеме ГИТ при разрядке конденсатора

при условии R < 2 У L/C ток изменяется по уравнению

/ = ехр (— бт) sin сот, (35)

где б = R/2L — коэффициент затухания колебаний. Частота колебаний со определяется постоянными кон­

тура R, L и С из условия

* Здесь и далее в книге в формулах цифровые индексы при величи­ нах (сопротивление, индуктивность, емкость) соответствуют номерам элементов схемы.

76

Длина фронта импульса тока, т. е. время его нараста­ ния от нуля до максимума, определяется выражением

Таким образом, с уменьшением индуктивности дли­ тельность импульсов тока уменьшается (за счет уменьше­ ния г), а амплитуда тока возрастает.

Генератор периодических импульсов отличается нали­ чием коммутатора, при замыкании которого с определен­ ной частотой'получают периодическую последовательность импульсов на нагрузке.

Работа генератора периодических импульсов в боль­ шой степени зависит от параметров коммутирующего прибора. Поэтому к последнему предъявляют многочислен­ ные требования [13]. Коммутатор должен выдерживать высокие напряжения и пропускать большие токи; обла­ дать малым сопротивлением при пропускании импульса; иметь время срабатывания меньше длительности импульса; запускаться от импульсов малой мощности и т. д.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГЕНЕРАТОРОВ ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ и токов

Технические характеристики генераторов в сильной степени зависят от типа используемых трансформаторов, автотрансформаторов, выпрямителей и конденсаторов. В импульсной технике к конденсаторам предъявляют повышенные и специфические требования. При колеба­ тельном режиме работы на частоте © потери мощности составляют

P = t/2C© tgö,

где U — действующее значение переменного напряжения; С — емкость конденсатора;

tg 6 — тангенс угла диэлектрических потерь.

При апериодическом разряде на нагрузку с небольшим сопротивлением основные потери обусловлены омическим

77

сопротивлением конденсатора. Существенное значение имеет также собственная индуктивность конденсаторной батареи, уменьшающая амплитуду импульсного тока. Наконец, немаловажны электрическая и механическая прочность обкладок и диэлектрика, от которых зависит рабочее напряжение конденсатора 0 раб. При периодиче­ ском заряде и разряде обкладки сдвигаются и раздви­ гаются; при этом диэлектрик деформируется, что может привести к его разрушению и пробою. Между обкладками может быть и диэлектрик (в газообразном, жидком и твер­ дом состоянии) или вакуум. На практике применяют сле­ дующие типы конденсаторов: цилиндрические бумажно­ бакелитовые; бумажно-масляные в прямоугольном метал­ лическом кожухе; бумажно-масляные в цилиндрическом кожухе из изоляционного материала (фарфор, бакелит, пластмасса) и др. [13].

Трансформаторы, используемые в генераторах, класси­ фицируют по виду изоляции и конструктивному испол­ нению на масляные с металлическим или изоляционным кожухом на так называемые сухие трансформаторы с воз­ душной изоляцией. При напряжениях в десятки киловольт компактные трансформаторы изготовляют с использова­ нием изолирующих масс (компаундов и парафина). Наи­ более распространены масляные трансформаторы с ме­ таллическим баком. Их преимущество заключается в не­ высоком реактивном сопротивлении, а также в том, что обмотки трансформатора защищены от внешних воздей­ ствий. 'Однако они имеют значительный вес, громоздкую и сложную конструкцию выводов со вторичных обмоток. Для облегчения условий изоляции вторичных обмоток магнитопровод часто выполняют стержневым, а обмотки — дисковыми (с катушками) или многослойными цилин­ дрическими.

Схема трансформатора с многослойной цилиндриче­ ской обмоткой приведена на рис. 27. Однослойные ци­ линдрические элементы обмотки расположены на изоля­ ционных цилиндрах, соединены последовательно и охла= ждаются маслом; обмотка низкого напряжения располо­ жена ближе к магнитопроводу, а обмотка высокого на­ пряжения удалена от него.

Напряжение на трансформаторах можно регулировать омическими или индукционными сопротивлениями, вклю­ ченными в цепь обмотки низкого напряжения, а также изменением числа витков обмотки низкого напряжения.

78

Для регулирования широко применяют автотрансфор­ маторы. При их использовании величина регулируемой мощности ограничивается нагреванием щеток или кон­ тактов и не превышает нескольких киловольт-ампер. Поэтому большой интерес представляют автотрансфор­ маторы с подвижными обмотками, где напряжение регу­ лируют изменением расположения первичной и вторичной катушек на сердечнике. Для выпрямления переменного напряженияиспользуют различные типы выпрямителей:,

Вмомент, когда ИСТОЧНИК иого трансформатора:

служит вращающая шайба или стержень. Величина выпрям­ ленного тока достигает 300 ма при напряжении до 700 кв.

Более совершенны электронные и ионные приборы: кенотроны и газотроны. Они представляют собой лампу типа диод, пропускающую ток только при вполне опре­ деленной полярности электродов. Газотроны заполняются ртутными парами. В последнее времы широко применяют германиевые и кремниевые выпрямители.

В качестве коммутирующих приборов используют меха­ нические разрядники, тригатроны, электронные лампы, тиратроны, нелинейные индуктивности и др. При созда­ нии периодических импульсов частоту вращения меха­

где L3 и С3 — индуктивность и емкость зарядной цепи. В этом случае наступает резонанс и напряжение до­

стигает значения

79