СОДЕРЖАНИЕ 

Введение

1. Теоретический анализ основных контуров газонаполненного генератора импульсных напряжений (ГИН), собранного по схеме Аркадьева-Маркса

1.1 Зарядный контур генератора импульсных напряжений

1.2 Анализ разрядного контура

1.3 Связь параметров импульса напряжения с параметрами разрядного контура ГИН

2. Расчёт основных частей схемы и элементов ГИНа

2.1 Определение максимального значения коэффициента использования разрядной схемы и постоянных времени экспонент

2.2 Расчет коэффициента использования импульса напряжения и допустимых пределов изменения соотношения С₂/С₁

2.3 Расчет разрядной схемы ГИН

2.4 Расчет разрядного контура на апериодичность

2.5 Измерение тока и напряжения ГИНа

3. Констуктивное исполнение ГИН

Заключение

Список использованной литературы

ПРИЛОЖЕНИЯ

 

 

      Введение 

     Современное крупнотоннажное химическое производство, использующее традиционный подход –  термическую активацию химических процессов, сталкивается с проблемой  энергосбережения. Дальнейшее развитие промышленной базы влечет за собой  наращивание объема отдельных производств, неоправданные затраты ресурсов для создания оборудования, истощение  полезных ископаемых, металлов и топлива.

     Естественным  выходом из сложившейся ситуации, очевидно, должен быть переход на новые  технологические решения в металлургии, химии, энергетике и ряде других отраслей. Качественные изменения возможны при  резком повышении удельной производительности оборудования, т. е. производительности на единицу объема реакционной зоны. Для этого необходимо значительное увеличение температуры в зоне реакции, так как при этом химический процесс  в рамках классической кинетики экспоненциально  ускоряется в соответствии с законом  Аррениуса. Нагрев реактора и реагентов  до высоких температур требует также  увеличения расхода энергоносителей, поэтому необходимы новые пути увеличения производительности и снижения удельных энергозатрат [1].

     Совмещение  реакционной зоны с газоразрядной  позволяет локально нагревать реагенты до высоких температур без нагрева  стенок реактора, что значительно  сокращает непроизводительные потери энергии. Данные условия легко реализуются  при возбуждении реагентной газовой  смеси непрерывным электронным  пучком, в дуговом разряде и  др. При этом снижение барьера реакции  достигается также за счет участия  в реакции свободных радикалов  и атомов, которые эффективно нарабатываются в газовых разрядах.

     Для получения потоков заряженных частиц высокой энергии служат специальные  устройства, которые называются ускорители. Ускори́тель заря́женных части́ц — класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий.

     В основе работы ускорителя заложено взаимодействие заряженных частиц с электрическим и магнитным полями. Электрическое поле способно напрямую совершать работу над частицей, то есть увеличивать её энергию. Магнитное же поле, создавая силу Лоренца, лишь отклоняет частицу, не изменяя её энергии, и задаёт орбиту, по которой движутся частицы.

     Ускорители  можно принципиально разделить  на две большие группы. Это линейные ускорители, где пучок частиц однократно проходит ускоряющие промежутки, и циклические ускорители, в которых пучки движутся по замкнутым кривым типа окружностей, проходя ускоряющие промежутки помногу раз. Можно также классифицировать ускорители по назначению: коллайдеры, источники нейтронов, бустеры, источники синхротронного излучения, установки для терапии рака, промышленные ускорители. Но практически все ускорители работают на высоком напряжении. Поэтому возникла необходимость в создании генераторов на высокие напряжения. А это в своё очередь привело к разработке схем, в которых используется принцип сложения (умножения) напряжения на отдельных конденсаторах, заряженных предварительно до сравнительно небольшого напряжения. Такие схемы получили название схем Аркадьева-Маркса, а сами генераторы стали называться многоступенчатыми генераторами импульсных напряжений, собранные по схеме Аркадьева-Маркса или генератор Маркса [2].

     Генераторы  Маркса позволяют получать импульсные напряжения от десятков киловольт до нескольких миллионов вольт. Частота  импульсов, вырабатываемых генератором  Маркса, зависит от мощности генератора в импульсе — от единиц импульсов  в час, до нескольких десятков герц.

     Энергия в импульсе генераторов Маркса широко варьируется и может начинаться от величин в десятые джоуля и  достигать величин в десятки  мегаджоулей. Максимальное значение напряжения и форма испытательного импульса непосредственно влияют на габариты и стоимость импульсного оборудования высоковольтных лабораторий. Точное воспроизведение испытательными установками возможных перенапряжений позволяет более рационально подойти к конструированию изоляции, способствует снижению ее стоимости и определяет требования напряжений, которые должны обеспечивать заданные параметры испытательного импульса, обеспечивать формирование той или иной формы импульса. Важно обеспечить удобное и безопасное обслуживание установки [2,3].

     газонаполненный генератор импульсный напряжение

 

      1. Теоретический  анализ основных  контуров газонаполненного  генератора импульсных  напряжений (ГИН), собранного  по схеме Аркадьева-Маркса 

     Генера́тор  Ма́ркса (его также называют газонаполненный генератор импульсных напряжений, собранный по схеме Аркадьева-Маркса) — генератор импульсного высокого напряжения, принцип действия основан на зарядке соединённых параллельно конденсаторов, которые после зарядки соединяются последовательно при помощи различных коммутирующих устройств (например газовых разрядников или тригатронов), тем самым увеличивая выходное напряжение пропорционально количеству соединённых конденсаторов.

     Существуют  различные виды схем генератора импульсных напряжений. Простейшая схема ГИН  Аркадьева-Маркса представлена на рис.1.1. Основными её элементами являются конденсаторы С, соединенные через зарядные резисторы  R с выпрямителями, и разрядники F. 

     

     Рис.1.1. принципиальная электрическая схема генератора импульсных напряжений: ВT-трансформатор; РТ – регулировочный трансформатор; V₁-V₂₀-выпрямители;R_з- защитное сопротивление; R₀- разделительное сопротивление; R_ф- фронтовое сопротивление; R_д- сопротивление делителя; R_нп – сопротивление низковольтного плеча; С_ki- емкость конденсатора; C_ф-фронтовая емкость; F₁-F₉- искровой промежуток; Р – шаровой разрядник(для формирования срезанного импульса) 

 

      ГИН работает в двух последовательных режимах. Режим зарядки конденсаторов  и режим разряда последовательно  соединенных конденсаторов.

     Основные  требования, предъявляемые к конструкции  ГИНа:

1. разрядная емкость ГИН должна быть равна емкости нагрузки;
2. основные элементы ГИНа должны быть корректно подобраны;
3. надёжная электрическая изоляция;
4. высокая электрическая прочность и надежности конструкции [4].

     В работе необходимо рассчитать основные параметры генератора импульсных напряжений, собранного по схеме Аркадьева-Маркса. ГИН используется как источник импульсных напряжений для зарядки двойной  формирующей линии (ДФЛ).

     Первоначально заданы следующие параметры:

     t_и = 50 мкс - длительность импульса напряжения;

     t_ф = 1.3 мкс - длительность фронта импульса;

     Время зарядки ГИН: t_зар = 1.8 с.

     U_{выхГИНА}=250 кВ

     С2=540 пФ

     U_{зарГИНА}=40 кВ

     1.1 Зарядный контур  генератора импульсных напряжений

 

     Рассмотрим  ЕНЭ конденсаторного типа, выполненные  по схеме параллельного соединения конденсаторов (генераторы импульсных напряжений). Структурная схема генераторов  импульсных токов (ГИН) представлена на рис. 1.1 

 

     

     Рис.1.2. Структурная схема ГИНа: ЗУ –  зарядное устройство; ГИН – генератор  импульсных напряжений; Н – нагрузка. 

     ЗУ  состоит из регулятора напряжения (РН), высоковольного трансформатора (ВТ) и  схемы выпрямления (СВ) (рис.1.3.). Часто  ВТ и СВ изготавливаются единым блоком. 

     

     Рис. 1.3. однополупериодная зарядная схема 

     Регулятор напряжения предназначен для получения  напряжения в заданных пределах. Кроме  того, он может выполнять дополнительные функции — защищать элементы генераторной установки от аварийных режимов  и перегрузок. Все регуляторы работают по единому принципу. Напряжение генератора зависит от трех факторов — частоты  вращения его ротора, силы тока нагрузки и величины магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, который зависит  от силы тока в этой обмотке. Любой  регулятор напряжения содержит чувствительный элемент, воспринимающий напряжение генератора, элемент сравнения, в котором  напряжение генератора сравнивается с эталонной величиной, и регулирующий орган, изменяющий силу тока в обмотке возбуждения, если напряжение генератора отличается от эталонной величины [5]. В зарядной схеме ГИН используется регулятор напряжения марки РН 3-250-33.

     Источник  высокого напряжения представляет собой  стандартный высоковольтный источник типа УВ-160-2,5 со следующими основными характеристиками: сеть - 220В, частота - 50 Гц, фаза 1, Р_потр.-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 характеристики высоковольтного 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]. 

 

      1.2 Анализ разрядного контура 

     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.