Генератор импульсных напряжений (стр. 2 из 4)
Источник высокого напряжения представляет собой стандартный высоковольтный источник типа УВ-160-2,5 со следующими основными характеристиками: сеть - 220В, частота - 50 Гц, фаза 1, Рпотр.-0,8кВа, наибольшее выпрямление напряжения до 160 кВ, наибольшее выпрямление тока 2,5 мА, коэф. пульсации-10%. Схема в УВ-160-2,5 представлена на рис.1.4
Рис.1.4. Схема высоковольтного источника типа УВ-160-2,5
Технические характеристикивысоковольтного источника. Технические характеристики, предлагаемые изготовителем источников питания, обычно содержат информацию о входных и выходных напряжениях, стабилизации выхода, пульсациях и нестабильности выхода. Технические характеристики изложены в перечисленном ниже порядке: входное напряжение; выходное напряжение; выходной ток; пульсации; нестабильность; накопленная энергия; импульсный режим; стабилизация по сети; стабилизация по нагрузке; динамическая стабилизация; КПД энергопреобразования [6.7].
Полная схема замещения разрядного контура ГИН представлена на рис. 1.5а.
Рис. 1.5. Схемы замещения разрядной цепи
В этой схеме С1 – емкость генератора в разряде; R1 – суммарное активное сопротивление разрядной цепи ГИН и успокоительных сопротивлений для подавления высокочастотных колебаний в разрядной цепи; R2 – разрядное сопротивление, предназначенное для регулирования длительности импульса; С2 - сумма емкости объекта, паразитной емкости ГИН и специально включаемой емкости для регулирования длительности фронта импульса; L1 и L2 – индуктивность элементов ГИНа и петли подсоединения объекта к ГИНу [8].
Наличие индуктивности в разрядной цепи ГИНа приводит к возникновению колебаний и искажению формы апериодического импульса и в то же время усложняет расчет генератора. В соответствии с требованием на стандартный грозовой импульс напряжения допускается наложения колебательной составляющей не более 5% от амплитуды импульса. Отсутствие колебаний достигается при условии:
(1.1)При выполнении этого условия влиянием индуктивности можно пренебречь и схема замещения упрощается и принимает вид, показанный на рис. 1.5б.
Удовлетворительные результаты расчета могут быть получены при использовании более простых схем замещения (рис. 1.4), полученных из полной схемы замещения при условиях: RФ=0 (рис. 1.5 а) и R1=0 (рис. 1.5 б).
Рис. 1.6. Схемы замещения разрядной цепи
Эти схемы отличаются друг от друга коэффициентом использования разрядной схемы ГИН. Для дальнейших расчетов принимаем схему, показанную на (рис. 1.6,а).
Для схем рис. 1.6б и рис. 1.6а измерение напряжения на выходе (U2) дается дифференциальным уравнением второго порядка.
(1.2)Н и l - коэффициенты, зависящие от параметров схемы. Решение этого уравнения относительно U2 имеет вид:
(1.3)Р1 и Р2–корни характеристического уравнения; А–постоянная интегрирования, которая может быть определена из граничных условий при t =0
Для схемы рис. 1.6а они запишутся так:
(1.4)n – число ступеней ГИН, Uо – зарядное напряжение ступени.
(1.5)Таким образом, напряжение на выходе ГИН описывается выражением [9,10]
(1.6)1.3 Связь параметров импульса напряжения с параметрами разрядного контура ГИН
Согласно определению длительности стандартного импульса можно записать уравнение (4) в виде:
(1.7)tи – длительность импульса, T1 и T2 - постоянные времени. (P1 = 1/T1 и P2 = 1/T2). Так как для стандартных импульсов T1 >> T2, то можно в первом приближении допустить, что вторая экспонента практически равна нулю, и выражение (1.8) имеет вид:
(1.8)Если пренебречь затуханием первой экспоненты в течение длительности фронта импульса, что справедливо для стандартных импульсов, то значение постоянной интегрирования А, с некоторым допущением, можно принять равным амплитудному значению А = U2max. Тогда решая уравнение (1.7) относительно tи, получим выражение, которое связывает длительность импульса с параметрами разрядного контура ГИН:
tи ~ 0.69 T1 T1 ~ (R1 + R2)·(C1 + C2) (1.9)
Согласно определению длительности фронта импульса для стандартной волны можно записать соотношения:
(1.10) 
(1.11)t1 и t2- значения времени, когда напряжение импульса достигает соответственно 0.3 и 0.9 от амплитудного значения.
Пренебрегая затуханием первой экспоненты в пределах длительности фронта импульса и полагая первую экспоненту равной единице, что справедливо при T1 >> T2, получим
Так как (t2-t1)~0.6, то длительность фронта определяется как:
| |
tф = 3.25 T2,
(1.12)Анализируя выражение (1.6), отметим, что разность экспонент в нем зависит только от соотношения длительности фронта и длительности импульса напряжения. Эту разность принято считать коэффициентом использования волны напряжения по амплитуде (hв). Максимальное значение этого коэффициента может быть получено из выражения:
(1.13)P1 и P2 – корни характеристического уравнения.
Соотношение
из уравнения (1.7) принято называть коэффициентом использования разрядной схемы по напряжению ( 
). Его значение, выраженное через параметры разрядного контура ГИН, которое получается заменой P1 и P2 через Т1 и Т2, соответственно [11]: 
(1.14)
Таким образом, в данной части курсовой работе приведены основные формулы, которые используются в расчетах работы генераторов импульсных напряжений.
2. Расчёт основных частей схемы и элементов ГИНа
2.1 Определение максимального значения коэффициента использования разрядной схемы и постоянных времени экспонент
При расчете ГИН необходимо исходить из максимально возможного коэффициента полезного действия разрядной схемы ГИН, который равен произведению коэффициентов использования волны и схемы. Коэффициент волны, зависящий только от соотношения фронта и длительности импульса, определяется данными задания. Максимальное значение коэффициента использования схемы, зависящее только от соотношения С2 и С1, можно получить, решая совместно уравнения (1.10), (1.13), (1.14).
(2.1)
Постоянные времени T1 и T2, входящие в это уравнение, определяют из соотношений (1.9) и (1.10):
T1 = tи / 0.69; T2 = tф / 3.25 (2.2)
Расчетный коэффициент разрядной схемы ГИН должен быть не менее 0,95 от максимально возможного для заданных параметров импульса. Минимальное и максимальное значение отношения С2/С1 задаем в пределах (0,025 – 0,5), а шаг изменения этого соотношения порядка 0,001.
Определение hсх и С2/С1 осуществляем с помощью программы MathCad на ЭВМ. (Приложение А). Для решения на ЭВМ необходимо ввести обозначения элементов уравнений (1.16) и (1.17) для составления программы.
(2.3) 
(2.4)Из приложения А видно, что максимально возможное значение коэффициента hсхmax = 0.845. Для этого значения оптимальное отношение емкостей С2/С1 =0.08.
2.2 Расчет коэффициента использования импульса напряжения и допустимых пределов изменения соотношения С2/С1
В большинстве случаев невозможно использовать при расчете ГИН максимальное значение коэффициента использования схемы. Это связано, с одной стороны с тем, что затруднительно точно определить паразитную емкость генератора, с другой стороны, подобрать необходимую емкость конденсаторов ГИН из номенклатуры выпускаемых промышленностью. Поэтому задается минимально допустимое отклонение коэффициента использования схемы от максимального значения его и определяется допустимый разброс изменения отношения емкостей ГИН и нагрузки. Расчет ведется с помощью ЭВМ (Приложение А).