Генератор импульсных напряжений

Министерство образования России

ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И.Ленина»

 

 

 

 

 

Кафедра ВЭТФ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

  на тему:

  «Генератор импульсных напряжений»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

ст.гр.4-25

Яльцева Ю.А.

Проверил:

Харьковский В.Б.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Иваново 2012

 

Содержание

1. Расчет основных параметров ГИН……………………………………………………………………….…...3

2. Расчет индуктивности разрядного контура и уточнение величины сопротивления R1......................................................................................................................................................................................8

3. Схема генератора импульсных напряжений…………………………………………………………..11

4. Расчет зарядного устройства…………………………………………………………………………………12

5. Конструкция ГИН и размещение его в лаборатории……………………………..………………15

Библиографический список………………………………………………………………………………………16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные ГИН

 кВ, пФ, пФ

1. Расчет основных параметров схемы ГИН

 

 

Рис. 1 Схема замещения разрядной цепи ГИН (С1 – емкость в ударе ГИН, С2 – емкость объекта испытаний, R2 – результирующее сопротивление, включающее в себя зарядные и разрядные сопротивления ступеней, R1’,R2’ – суммарные демпферные и фронтовые сопротивления)

 

Напряжение на выходе генератора:

,

где   , , ,

,

Максимальное напряжение на выходе ГИН равно:

Время достижения максимума напряжения:

Согласно стандарту параметры импульса считаются известными:

Для нахождения коэффициентов принимаем, что , тогда 

Известно, что с

с

Используя записанные уравнения, составим систему уравнений, связывающие параметры схемы замещения:

Для решения системы определим еще три параметра.

, при расчете принимаем ,

, где

- емкость  испытуемого объекта,

- емкость  элементов ГИН,

- емкость  соединительных проводов,

- емкости  измерительного шарового разрядника,

- емкость  срезающего разрядника,

- емкость  делителя.

,

где Ф/м, l – длина соединительных проводов, h – высота ГИН, r пр – радиус проводов.

Т.к. ошибка в определении r пр в 2-3 раза даст отклонение Lп всего на 10-15%, то в расчетах  величину r пр можно взять равной радиусу соединительной трубы, использованной для сборки высоковольтной части схемы (r=3-10 см). Выбираем  .

,

где -  градиент напряжения

Тогда

Ф.

Диаметр шаров определяем по формуле:

Получаем расстояние  

Находим емкость измерительных шарового разрядника:

Ф.

Емкость срезающего разрядника , т.к. он отсутствует.

Для ГИН выбираем делитель типа УДН-2, для которого .

Диапазон изменения емкости C2 :

Получаем

Для расчета принимаем значение емкости

Решая с помощью программы Mathcad, получаем:

Максимальное значение коэффициента использования ГИН находим по формуле:

Пользуясь справочным материалом  выбираем  импульсные конденсаторы для обеспечения емкости:С1=1.23х10-8  Ф.

Выбираем конденсатор типа КМБ100-0.25, характеристики  которого

Число конденсаторов определяем по формуле:

.

Следовательно, суммарная емкость составит:

 Ф

Погрешность составит:

,

что допустимо.

Принимаем Ф.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Расчет индуктивности разрядного контура и уточнение величины сопротивления R1

 

Индуктивность конденсаторов находится по формуле:

Индуктивность петли разряда:

Гн,

где Гн/м,

м  - радиус провода,

м – периметр контура,

м2 – площадь разрядного контура.

 

Расчет индуктивности резисторов.

Для резистора петлевой конструкции:

, Гн

где - число петель,

- диаметр  провода,

- длина  петли (см),

- расстояние  между осями проводника.

Вся энергия, запасенная в конденсаторах ГИН, выделяется в при пробое изоляции объекта, тогда

.

В конструкции используем  материал константан с характеристиками:

Сm=410 Дж/(кг*град) – удельная теплоемкость,

γ=8800 кг/м3 – плотность материала.

Сопротивление резистора

,

где - длина провода,

- сечение  провода.

Сечение провода:

м2.

Длина проводника:

м.

Диаметр провода резистора:

м.

Расстояние между осями проводника:

м

Укладываем обмотку на цилиндр диаметром D=0.1 м, принимаем расстояние между петлями Δ=0.02м, тогда длина петли составит:

 м

Число петель составит .

Окончательно индуктивность равна:

Гн.

Суммарная индуктивность цепи разряда находится по формуле:

Гн.

 

Проверка влияния индуктивности.

Ом

Ом.

Необходимо выполнение условия , но условие не выполняется, следовательно, уточняем величину сопротивления с учетом возможного допустимого искажения формы импульса напряжения на выходе генератора. Значение М не должно быть менее 0.69, т.к. только при этом соотношении выброс на кривой напряжения на выходе генератора не превышает допустимых 5% от расчетного максимального значения напряжения без учета влияния индуктивности.

Принимаем , тогда

Ом.

Тогда получаем, что М>0.69=0.699, поэтому принимаем: Ом.

Для данного случая максимальная испытуемая емкость составит:

Ф.

Максимальная емкость, которая может быть выделена:

 

 

3. Схема генератора импульсных напряжений

 

Т.к. число конденсаторов в ГИН равно 20, то воспользуемся двухрядной схемой.

Рис.2 схема ГИН

Параметры замещения данной схемы генератора:

- число  ступеней двухрядной схемы,

Ф,

Ом,

Ом,

,

где , - зарядные сопротивления, причем ,

- разрядное  сопротивление.

 

 

 

 

 

4. Расчет зарядного устройства

Преобразовав схему генератора в Т - или П- образную схему с одним элементом, найдем  постоянную времени τ’, характеризующую скорость выравнивания напряжения на конденсаторах ступеней:

Для равномерной зарядки ступеней .

Постоянная времени τ’ должна быть на порядок меньше τ, следовательно:

Время зарядки от момента включения до достижения напряжения на конденсаторах зависит от схемы выпрямителя и от отношения максимального напряжения трансформатора к .

Обычно максимальное напряжение на трансформаторе выбирается на 30 % выше, чем . В этом случае, даже при однополупериодной схеме достигается время зарядки. 

Ф, с, тогда

 

Ом,

Ом.

Задавшись значениями: Ом, Ом, n=10

находим величину сопротивления по формуле из предыдущего пункта, результирующее значение Ом.

Величина сопротивления в 1-й ступени Ом.

Мощность, рассеиваемая на данном резисторе составит:

 

 

 

Выбираем резистор в количестве по 65 штук с параметрами R=510.07 Ом  типа ПЭВ – 50 мощностью Р=50 Вт. В каждой ступени напряжение не превышает: .

При срабатывании генератора зарядное устройство оказывается нагруженным на сопротивление , через выпрямитель потечет максимальный ток:

 

,

- напряжение на любом из конденсаторов, В.

Следовательно, максимальное напряжение трансформатора В.

Итак, максимальный ток составит А.

Средний ток, протекающий через выпрямитель составит А,

где f=1/60 – частота следования импульсов.

Обратное напряжение, на которое рассчитывается вентиль, равно:

 

В.

По этим расчетным данным выбираем диоды типа СДЛО4-1600 в количестве 2 шт, соединенных последовательно: Ом. Параметры данного диода .

Наибольшая мощность, рассеиваемая на резисторе , составит:

 

Вт.

Необходимо выбрать резистор на напряжение одного конденсатора, равное 100 кВ:

выбираем резистор  тип КЭВ - 40 с параметрами в количестве 17 шт. Резисторы включены по 17 шт последовательно, что эквивалентно .

Средняя мощность, рассеиваемая на зарядном сопротивлении 1-й ступени, находится по формуле:

Выбираем резистор Rз. Необходимо выбрать резистор на напряжение одного конденсатора, равное 100 кВ:

 тип КЭВ – 40 с параметрами , включенных по 4 шт. последовательно, что эквивалентно Rз.

Средняя мощность, отбираемая от трансформатора, равна

 

Вт

Номинальное действующее напряжение трансформатора

В.

Выбираем 1 трансформатор типа ТВО140-50 с параметрами:

 

Если с, Ф, Ф.

Тогда      

 

 

 

 

5. Конструкция ГИН и размещение его в лаборатории

 

Конструкцию генератора при использовании в данном случае конденсаторов с металлическим корпусом, выполняем этажерочного типа. Ступени монтируются на металлических полках. Полки крепятся одна над другой на опорных изоляторах, в виде этажерки. Применяем между полками по 1 изолятору типа ОФ-20-375с испытательным импульсным напряжением 158кВ.

На полках размещаются все элементы включая разрядники. Генератор для универсальности делаем передвижным.

Размещаем все элементы разрядного контура на полу лаборатории, непосредственно под генератором.

Зарядное устройство монтируем отдельно от генератора. Соединение зарядного устройства с генератором осуществляем гибким кабелем.

Минимальные допустимые расстояния от выводов высокого напряжения до заземлённых предметов выбираем из условия прочности при коммутации импульса положительной полярности.

Приближенно:                         

                                   X=(2*U)^2    X=(2*1.8)^2=12.96 (м),

где

Х – расстояние до заземленного объекта,

U – напряжение на выходе генератора (МВ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Библиографический список

1. Харьковский В.Б. Генератор импульсных напряжений. Методические указания по выполнению курсового проекта по курсу «Испытательные установки высокого напряжения». В.Б. Харьковский – Иваново, 2000. – ил. 36 с.