научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ ВАКУУМНЫХ РАЗРЯДНИКОВ РВУ-47 В СИЛЬНОТОЧНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ УСТАНОВКАХ Физика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ ВАКУУМНЫХ РАЗРЯДНИКОВ РВУ-47 В СИЛЬНОТОЧНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ УСТАНОВКАХ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 45-50

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.387.35

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ ВАКУУМНЫХ РАЗРЯДНИКОВ РВУ-47 В СИЛЬНОТОЧНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ УСТАНОВКАХ

© 2014 г. А. К. Дулатов, Б. Д. Лемешко, Ю. В. Михайлов, И. А. Прокуратов, А. Н. Селифанов

ВНИИ автоматики им. Н.Л. Духова Россия, 127055, Москва, ул. Сущевская, 22 E-mail: bogolubov@vniia.ru Поступила в редакцию 20.02.2014 г.

В работе исследованы временные параметры управляемых вакуумных разрядников типа РВУ-47 — сильноточных импульсных коммутаторов, способных пропускать импульсные токи амплитудой до нескольких сотен килоампер. При использовании управляемых вакуумных разрядников нужно знать временные параметры коммутаторов, такие как время задержки срабатывания и его разброс (джиттер). Для исследования этих параметров проведена серия экспериментов на лабораторном стенде с синусоидальными импульсами разрядного тока с амплитудой 120 кА и периодом 17 мкс. При создании многомодульных систем электропитания особое внимание уделяется согласованной параллельной работе коммутаторов разрядных модулей. Для определения основных требований, накладываемых на стабильность работы многомодульных систем электропитания, выработан критерий, связывающий индуктивности нагрузки и разрядных модулей, а также их число со свойством используемых коммутаторов — широким диапазоном рабочих напряжений.

DOI: 10.7868/S0032816214050176

ВВЕДЕНИЕ

Среди импульсных коммутаторов управляемые вакуумные разрядники (р.в.у.) занимают свою нишу и обладают рядом преимуществ. Особенностью р.в.у. является возможность работы в широком диапазоне рабочих напряжений (0.1—100 кВ) и рабочих токов (0.1—500 кА) при длительностях импульсов от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд [1]. При этом различные условия эксплуатации накладывают свои требования на рабочие параметры коммутаторов.

В данной работе исследовались управляемые вакуумные разрядники РВУ-47 при использовании в генераторе импульсных токов (г.и.т.) для коммутации конденсаторной батареи на индук-тивно-резистивную нагрузку, представляющую собой камеру плазменного фокуса с типичными параметрами: сопротивлением Я„ = 1—5 мОм и начальной индуктивностью Ьп = 5—20 нГн.

Для обеспечения большого импульсного тока в нагрузке используют г.и.т. с параллельным подключением модулей [2]. Вместе с ростом числа модулей растет и число используемых коммутаторов, что накладывает определенные требования на стабильность работы каждого из них (в том числе и на джиттер) и на электротехнические параметры электрической схемы [3]. С другой стороны, вероятностный характер самопроизволь-

ного срабатывания коммутаторов (самопробоя) указывает на предпочтительность использования минимального числа коммутаторов.

Исследовались управляемые вакуумные разрядники РВУ-47: № 1 (2004 г.), № 2 (2012 г.) и № 3 (2012 г.), имеющие диапазон рабочих напряжений и токов: 1—30 кВ и 10—150 кА. Исследования проводились при коммутации каждым р.в.у. импульсных токов синусоидальной формы амплитудой 120 кА и периодом 17 мкс, соответствующих их использованию при аналогичных токовых нагрузках.

В работе изучены временные характеристики р.в.у., а также возможность их использования при создании многомодульных г.и.т. с разрядными токами 0.5—1.0 МА и более.

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РВУ-47

Исследуемые образцы являются различными модификациями разрядников данного типа. РВУ-47 № 3 по сравнению с РВУ-47 № 2 имеет модифицированный узел поджига (в нем уменьшено расстояние между основными и поджигающим электродами), который обеспечивает меньшее время задержки срабатывания.

Изучение параметров р.в.у. проводилось на лабораторном стенде, который представляет собой

Рис. 1. Электрическая схема лабораторного стенда. ИВН — источник высокого напряжения, ИПР — интегрирующий пояс Роговского.

конденсаторную батарею из четырех высоковольтных низкоиндуктивных конденсаторов КПИМК-50-9 (производства ЯТО-2 [4]) общей емкостью 36 мкФ. Конденсаторы соединены между собой общей медной шиной, в центре которой расположен вакуумный разрядник РВУ-47.

Электрическая схема лабораторного стенда представлена на рис. 1. Зарядка конденсаторов происходит при помощи источника высокого напряжения (ИВН) через блок резисторов суммарным сопротивлением 24 кОм и диодный блок. Зарядное напряжение Ц0 варьируется в пределах 5—15 кВ и контролируется с помощью мультимет-ра АРРА 9911, подключенного к резистивному делителю напряжения. В качестве нагрузки Zn использованы восемь низкоиндуктивных коаксиальных кабелей РК-75 длиной 3 м каждый, закороченные с одной стороны.

Рис. 2. Характерная осциллограмма тока запуска и разрядного тока. 1 — ток основного разряда (6 кА/де-ление), 2 — ток запуска (400 А/деление), 7) — время задержки срабатывания (400 нс/деление).

Для поджига РВУ-47 используется блок запуска, состоящий из разрядника РУ-84-7, набора конденсаторов С1 и резистора Я1. Конденсаторы заряжаются до напряжения 6 кВ от генератора ТГИ-111 (канал "—6 кВ"), который выдает высоковольтный импульс запуска (амплитудой до 11 кВ) на разрядник РУ-84-7. Суммарная емкость набора конденсаторов С1 определяет амплитуду и период тока запуска.

Для измерения тока запуска использован интегрирующий пояс Роговского (ИПР). Измерение тока через нагрузку 1п также проводилось с помощью ИПР. Эквивалентные параметры основного разрядного контура составили: сопротивление Я = 14 мОм, индуктивность Ь = 190 нГн (амплитуда разрядного тока составила 1тах = = 120 кА при зарядном напряжении Ц0 = 10 кВ). Индуктивность и сопротивление контура определялись по разрядной методике [5].

1.1. Исследование параметров разрядника РВУ-47 № 1 (2004 г.)

Исследовано время задержки срабатывания в зависимости от амплитуды тока запуска вакуумного разрядника РВУ-47 № 1.

Измерено время задержки срабатывания разрядника при различных значениях амплитуды тока запуска. Амплитуда тока запуска варьировалась с помощью изменения суммарной емкости набора конденсаторов С и составляла: 2.3, 1.1 и 0.7 кА. Время задержки измерялось от начала роста тока запуска до начала нарастания разрядного тока, которые определяются по пересечению касательных к кривой тока с линиями, соответствующими нулевым уровням тока. Характерная осциллограмма показана на рис. 2.

Результаты измерения времени задержки при разных амплитудах тока запуска в ходе тридцати

последовательных срабатываний разрядника приведены на рис. 3.

Из результатов эксперимента видно, что время задержки срабатывания зависит от амплитуды импульса тока запуска. При токе запуска 0.7 кА среднее время задержки составило 2.2 ± 0.5 мкс, при 1.1 кА — 2.1 ± 0.3 мкс, при 2.3 кА — 1.7 ± 0.3 мкс.

1.2. Исследование параметров разрядника РВУ-47№ 2 (2012 г.)

Аналогичным образом были исследованы время задержки срабатывания и джиттер разрядника РВУ-47 № 2. Все эксперименты проводились при токе запуска амплитудой 1.1 кА.

Эксперименты показали, что время задержки срабатывания РВУ-47 № 2 меньше времени задержки разрядника № 1 при равных амплитудах токов импульсов запуска. Для РВУ-47 № 1 среднее время задержки составляет 2.1 ± 0.3 мкс, а для № 2 - 1.6 ± 0.3 мкс.

Уменьшить время задержки срабатывания разрядника можно путем обострения токового импульса запуска (уменьшая фронт его нарастания). Для этого в цепь узла поджига разрядника установлен обостряющий конденсатор С2 номиналом 6.6 нФ (рис. 1). Добавление этого конденсатора привело к существенному уменьшению индуктивности разрядной цепи запуска, что уменьшило фронт импульса тока запуска (период тока запуска был 2 мкс, стал 0.2 мкс) при том же значении амплитуды (рис. 4).

Результаты измерения времени задержки приведены на рис. 5. Амплитуда тока запуска осталась прежней ~1 кА, при этом среднее время задержки срабатывания составило 0.97 ± 0.15 мкс, в то время как без конденсатора С2 соответствующий параметр был 1.6 ± 0.3 мкс.

Проведенный эксперимент показал, что введение обостряющего конденсатора С2 в цепь узла поджига РВУ-47 № 2 привело к уменьшению времени задержки срабатывания коммутатора на 40%. Помимо уменьшения времени задержки введение обостряющего конденсатора привело к уменьшению джиттера примерно в 2 раза.

1.3. Исследование параметров разрядника РВУ-47 № 3 (2012 г.)

Исследовано время задержки срабатывания и джиттер РВУ-47 № 3. Эксперименты также проводились при токе запуска амплитудой 1 кА, при этом время задержки срабатывания коммутатора измерялось как в отсутствие обостряющего конденсатора С2 в узле поджига, так и с данным конденсатором (также емкостью 6.6 нФ).

Время задержки, мкс

Рис. 3. Изменение времени задержки срабатывания РВУ-47 № 1 (2004 г.) при различных значениях амплитуды тока запуска: 1 — 0.7 кА, 2 — 1.1 кА, 3 — 2.3 кА.

Тс 1

.1 Т дЧГу'^

2

' \

0 : .

Рис. 4. Характерная осциллограмма при работе с обостряющим конденсатором С2. 1 — ток основного разряда (30 кА/деление), 2 — ток запуска (400 А/деление), Т0 — время задержки (400 нс/деление).

Время задержки срабатывания, мкс

№ включения

Рис. 5. Влияние обостряющего конденсатора С2 на время задержки срабатывания РВУ-47 № 2. 1 — без конденсатора С2, 2 — с конденсатором С2.

В экспериментах получено среднее время задержки срабатывания, равное 0.58 ± 0.13 мкс в режиме работы без обостряющего конденсатора С2 и 0.34 ± 0.09 мкс с конденсатором С2. Его добавление в цепь узла поджига РВУ-47 № 3 привело к уменьшению времени задержки срабатывания на 40% и джиттера на 30%.

+ Uo

Рис. 6. Электрическая схема импульсного многомодульного г.и.т. установок плазменного фокуса.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ РАЗРЯДНИКОВ В СОСТАВЕ МНОГОМОДУЛЬНЫХ Г.И.Т.

При использовании многомодульных систем электропитания одной из основных задач является обеспечение согласованной параллельной работы коммутаторов, находящихся в разных разрядных модулях. Вакуумные разрядники типа РВУ применялись при параллельном включении в многомодульных г.и.т. [6], но не было проведено анализа их параллельной работы. Параллельная работа коммутаторов на общую нагрузку накладывает определенные требования на значе

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»