Одноступенчатый генератор импульсных напряжений

 

Генератор импульсных напряжений (ГИН) вырабатывает единичный импульс высокого напряжения и предназначен для испытаний изоляции на импульсную прочность.

Принципиальная схема одноступенчатого ГИНа представлена на рис. 4.1.

 

Рис. 4.1. Схема одноступенчатого ГИНа: Тр – высоковольтный трансформатор; V – вентиль; R_з – зарядный резистор; С_г – емкость генератора; Р – шаровой разрядник; R_хв – хвостовой резистор; r_ф – фронтовой резистор; С_ф – фронтовая емкость

 

ГИН работает в двух стадиях: 1) заряд; 2) разряд. Во время первой стадии производится заряд емкости генератора С_г через зарядный резистор R_зи вентиль V от высоковольтного трансформатора Тр до напряжения U₀. Зарядный резистор R_з (1 МОм) защищает вентиль и трансформатор от перегрузки, заряд длится несколько минут. Затем оператор сводит шары разрядника Р, происходит пробой воздушного промежутка между ними, начинается вторая стадия: разряд емкости С_г через R_хв и одновременный заряд емкости С_ф.

 

 

Рис. 4.2. Формирование волны

 

Заряд емкости С_ф идет в соответствии с уравнением

 

, (4.1)

 

где Т_ф– постоянная времени фронта волны: .

Одновременно идет разряд С_г через R_хв:

, (4.2)

 

где Т_в – постоянная времени волны: .

Волна (рис. 4.2), вырабатываемая ГИНом, представляет собой суперпозицию двух экспонент (4.1) и (4.2). Волна имеет крутой фронт, так как T_ф < < T_в, потому что R_хв > > r_ф и С_г > > C_ф.

 

Связь параметров волны с параметрами схемы. Найдем зависимость длительности фронта волны τ _ф (для краткости говорят: «длина волны», имея в виду длину волны по оси времени, измеренную в мкс) от фронтовой емкости C_Ф и фронтового резистора r_ф, а также длины волны τ _в от емкости генератора С_г и хвостового резистора R_хв. На рис. 4.3 представлена форма реальной волны, вырабатываемой ГИНом.

 

Рис. 4.3. Реальный и условный фронт волны

 

Фронт волны недостаточно линеен, поэтому отметим уровни 0, 3U и 0, 9U и проведем через точки A и B прямую линию. Эта линия пересечет ось абсцисс в точке A₁ и уровень U в точке B₁. Расстояние, измеренное по оси абсцисс между точками A₁ и B₁, – это длительность условного фронта волны τ _ф. Время, в течение которого волна достигла уровня 0, 3U, обозначим t₁, а уровня 0, 9U – t₂, тогда:

1) в момент времени t = t₁

; (4.3)

 

2) в момент времени t = t₂

. (4.4)

 

Составим систему уравнений:

(4.5)

 

Преобразуем (4.5)

(4.6)

 

Разделим первое уравнение (4.6) на второе и потенцируем

 

, , . (4.7)

 

Треугольник АВС подобен А₁В₁С₁, поэтому

 

 

, , , . (4.8)

 

 

Подставим (4.7) в (4.8):

 

, , , . (4.9)

 

В величину фронтовой емкости включается емкость испытуемого объекта. Длиной волны считается время, за которое напряжение уменьшилось в два раза. Запишем равенство:

. (4.10)

Преобразуем:

, , (4.11)

 

По рекомендации Международной электрической комиссии (МЭК) волна должна иметь параметры: длина фронта мкс и длина волны мкс. Сокращенная запись параметров волны:

.

В России испытания проводят стандартной волной с параметрами 1, 5/40, эти величины укладываются в допуски, рекомендованные МЭК.

 

Многоступенчатый ГИН

 

Амплитуда импульса одноступенчатого ГИНа ограничена напряжением трансформатора. Для получения импульсов большей амплитуды применяют многоступенчатый ГИН. Впервые он был применен в 1914 г. Принцип работы многоступенчатого ГИНа основан на переключении заряженных емкостей из параллельного соединения в последовательное. Схема многоступенчатого (трехступенчатого, так как присутствуют три емкости C) ГИНа изображена на рис. 4.4.

 

 

Рис. 4.4. Схема многоступенчатого ГИНа: C – емкости; R – резистор; r_д – демпферные (успокоительные) резисторы

 

Многоступенчатый генератор, как и одноступенчатый, работает в два периода: заряд и разряд. Схема генератора в стадии заряда показана на рис. 4.5.

При зарядке конденсаторы С подключены параллельно к источнику напряжения через зарядные резисторы R (50 кОм). Напряжение на конденсаторах будет не одинаково из-за утечки через сопротивление изоляции конденсаторов. Резисторы R и R_из образуют делитель напряжения (см. рис. 4.5, б), поэтому суммарное напряжение будет равно 0, 9nU₀, где n – число каскадов.

 

а б

Рис. 4.5. Схема генератора в стадии заряда: а – без учета сопротивления изоляции конденсаторов; б – с учетом сопротивления изоляции конденсаторов

 

Вторая стадия начинается, когда оператор сводит шары разрядников Р₁ и Р₂, происходит пробой воздушного промежутка между ними, начинается разряд последовательно включенных емкостей С через R_хв и одновременный заряд емкости С_ф через r_ф (рис. 4.6). В цепи разряда присутствую демпферные резисторы r_д (10–15 Ом), которые препятствуют образованию высокочастотных колебаний.

Рис. 4.6. Схема генератора в стадии разряда

 

С учетом демпферных резисторов выражения (4.9) и (4.11) примут вид:

 

, , (4.12)

 

где С_г = C/n – емкость генератора.

Максимальное напряжение на выходе ГИНа всегда несколько меньше суммы напряжений на конденсаторах:

, (4.13)

 

где k_исп = 0, 9k₁k₂ – коэффициент использования генератора.

Коэффициент 0, 9 учитывает снижение напряжения на конденсаторах по мере удаления от первой ступени во время заряда. Коэффициент использования схемы учитывает снижение напряжения за счет заряда емкости С_ф и падение напряжения на демпферных резисторах r_д:

 

(4.14)

 

Коэффициент использования волны k₂ учитывает снижение амплитуды волны за счет того, что напряжения С_г за время τ _ф снижается до U_m (см. рис. 4.2). Коэффициент использования лежит в пределах 0, 72–0, 75. Экспериментально коэффициент использования генератора определяется из следующей формулы:

, (4.15)

где U_вых – напряжение на выходе генератора.

 

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: