WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 12 04;12 Способ реализации импульсной дуги с низким напряжением горения в газе. Исследование влияния параметров цепи 2 © А.Н. Довбня,1 К.В. Корытченко,1 Ю.Я. Волколупов,1 С.М. Шкирида,2 М.А. Красноголовец,1 В.С. Демин 1 Научно-исследовательский комплекс «Ускоритель», 61108 Харьков, Украина e-mail: dovbnya@nik.kharkov.ua 2 Харьковский институт танковых войск, 61034 Харьков, Украина e-mail: entropia@rambler.ru (Поступило в Редакцию 5 февраля 2003 г. В окончательной редакции 25 мая 2003 г.) Рассматривается способ реализации импульсной дуги в газе, применимый в устройствах, где требуется скоростной высокоэффективный разогрев газовой среды. Проанализированы электрические схемы реализации импульсной дуги. Экспериментально установлена динамика энерговыделения в столбе импульсной дуги, характерная для выбранной схемы разряда. Предложены варианты экспериментальной оценки собственных параметров разрядной цепи. Приведены результаты оценки этих параметров, полученные на имеющейся установке.

Введение в газовом разряде. При высоком напряжении на электродах обеспечивается интенсивная ионизация молекул В последние годы большой интерес вызывает вогаза, при низком значительно возрастает доля энергии, прос практической реализации устройств, где энергия которая передается электронами во вращения молекул и электрического разряда используется для формирования упругие потери [2]. За счет этого происходит увеличение интенсивных ударных волн. В рамках решения данной скорости и эффективности преобразования электричезадачи изучался способ реализации импульсной дуги, ской энергии в кинетическую энергию молекул газа.

который планируется применять в плазменно-волновой Кроме достижения квазиравновесного термодинамисистеме формирования интенсивных ударных волн [1].

ческого состояния газа в разряде, необходимо добиться требуемой скорости энерговыделения в разрядном канале. Ограничение скорости энерговыделения может быть Требования к организации вызвано собственными параметрами элементов цепи.

электрического разряда Применительно к плазменно-волновой системе полв плазменно-волновой системе ная длительность разряда должна составлять не более 5 · 10-5 s, при этом требуемая величина выделившейся Специфика реализации разряда в плазменно-волновой энергии за этот период должна составить не менее 10 J.

системе вызвана требованием быстрого установления Напряжение на электродах разрядного промежутка в квазиравновесного термодинамического состояния газа период горения дуги должно незначительно отличаться в положительном столбе импульсной дуги. На основаот напряжения горения стационарных дуг.

нии изучения механизмов пробоя и развития разрядов в газе были выработаны условия реализации разряВыбор схемы для реализации дов в данном устройстве. Эти условия заключаются в следующем. Высоковольтный импульс напряжения импульсной дуги в газе с требуемыми должен обеспечить искровой пробой газонаполненного параметрами разрядного промежутка. Дальнейшее развитие разряда должно происходить при низком напряжении на В случае применения электрических схем, испольэлектродах. Мощность источника низкого напряжения зующих дополнительный поджигающий электрод для должна обеспечить протекание высокого тока до мо- предварительной частичной ионизации газа в разрядном мента достижения квазиравновесного термодинамиче- промежутке, требуется поддержание на основных элекского состояния газа в разряде. При этом, величина тродах напряжения значительно превышающего величиэнергии, затраченной на искровой пробой, должна быть ну минимального напряжения горения дуги. Это вызвано как минимум на порядок ниже энергии, выделяющейся необходимостью наличия дополнительной разности пов период кратковременного горения дуги. Полагается, тенциалов на электродах для формирования основного что при такой организации разряда за счет изменения токопроводящего канала. Кроме того, уменьшение веливеличины напряженности электрического поля удается чины этого потенциала приводит к возрастанию времеизменить распределение баланса энергии, формируемое ни задержки формирования основного токопроводящего в результате электронно-молекулярного взаимодействия канала или к его срыву. Отдельно следует отметить 92 А.Н. Довбня, К.В. Корытченко, Ю.Я. Волколупов, С.М. Шкирида, М.А. Красноголовец, В.С. Демин требуется скоростной и эффективный разогрев газовой среды, что не позволяет использовать данную схему разряда.

Электрические схемы, где используется параллельное подключение к разрядному промежутку высоковольтного и низковольтного источников напряжения, требуют принятия мер по обеспечению совместной работы источников напряжения (рис. 1, b). Для защиты низковольтного источника от импульса высокого напряжения используется последовательное включение в цепь активного или реактивного элементов (например, защитного дросселя). В результате этого не удовлетворяются предъявляемые к данному способу требования или по эффективности или по скорости энерговыделения.

Очевидна неприемлемость использования импульсного трансформатора в случае его непосредственного подключения к разрядному промежутку. Это вызвано сильными отличиями в требованиях к динамике разряда на разных стадиях, что не позволяет технически реализовать трансформатор с такими выходными параметрами (рис. 1, c).

В результате анализа различных схем реализации импульсных дуг выбрана как наиболее удовлетворяющая предъявляемым требованиям, электрическая схема (рис. 1, d). Такое решение вызвано следующими соображениями. Последовательное включение высоковольтного и низковольтного напряжения позволяют обеспечить непрерывное протекание тока в период разряда, чем сокращается полная его длительность. Схема предусматривает уменьшение реактивной составляющей цепи за счет работы импульсного трансформатора в коммутационном режиме. Этим достигается необходимая скорость энерговыделения.

Экспериментальная часть Динамика энерговыделения в рассматриваемой схеме электрического разряда.

Приведенная электрическая схема была практически реализована (рис. 1, d). Импульсный трансформатор позволял получать высоковольтные импульсы напряжения с регулируемой амплитудой до 26 kV. Напряжение заряда низковольтного конденсатора регулировалось в диапазоне 0–400 V. Такие параметры устройства позволили провести исследование динамики энерговыделения в разрядном промежутке до 3 mm в воздухе при нормальных атмосферных условиях. Применение в качестве Рис. 1. a–c — схема электрического разряда. d — схема низковольтного накопителя электрической энергии конорганизации импульсной дуги. 1 — зарядные устройства, денсатора марки МБГН номиналом 200 mF позволило 2 — коммутатор, 3 — трансформатор, 4 — разрядный прополучить приведенную динамику разряда (рис. 2).

межуток, R — измерительный шунт.

Анализ динамики энерговыделений показывает, что такая электрическая схема может быть использована в плазменно-волновой системе формирования интенсивтрехэлектродную схему [3], где за счет поджигающего ных ударных волн.

разряда в полузамкнутом объеме формируется направ- Из-за нелинейной характеристики нагрузки возникает ленный поток ионизированного газа, который замыкает вопрос о влиянии параметров разрядной цепи на диосновной разрядный промежуток (рис. 1, a). Для бы- намику энерговыделения. Варианты исследования этих строго формирования направленного потока газа также параметров приведены ниже.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. Способ реализации импульсной дуги с низким напряжением горения в газе. Исследование влияния... Указанный выше конденсатор марки МБГН разряжался через тиристор ТЧИ-100. Напряжение заряда конденсатора регулировалось в диапазоне 0–400 V. Учитывая параметры данного типа тиристора, удалось значительно уменьшить влияние характеристики электронного ключа на динамику энерговыделения.

Путем сравнения кривых развития тока при разряде конденсатора через тиристор и при разряде в схеме организации импульсной дуги возможно выявить влияние собственной индуктивности конденсатора на динамику энерговыделения в данной схеме разряда. В результате анализа выяснилось, что в данном случае собственная индуктивность конденсатора определяет пологую кривую нарастания тока в период горения дуги (рис. 3).

Исследование совместного влияния Рис. 2. Осциллограммы тока I и напряжения U. Развертки:

нелинейных сопротивлений элементов скорость — 20 ms/square, I — 1351 A/sq., U — 200 V/sq.

электрической цепи на динамику разряда.

Данное исследование проводилось путем включения реле вместо разрядного промежутка в схему организации импульсной дуги. Разрядный контур с емкостью Cне использовался. При таком варианте исследования не осуществляется „внешнее“ насыщение сердечника трансформатора, что приводит к искажению реального влияния параметров цепи на динамику разряда. Но этот вариант исследования дает возможность установить максимальную амплитуду тока разряда, которая возможна в данной цепи при заданном начальном напряжении заряда емкости C1. Эта оценка позволяет отделить влияние текущего состояния газа в разрядном канале от влияния собственных параметров электрической цепи на динамику энерговыделения в данной схеме разряда.

Предъявляемые требования к реле в этом случае заРис. 3. Осциллограммы тока. Развертки: скорость — 10 ms/sq., I — 270 A/sq., напряжение заряда емкости: 1 — U1 = 200 V, ключаются в обеспечении минимального влияния „дре2 — U2 = 100 V.

безжания“ контактов на динамику энерговыделения и их низком сопротивлении. Последнее требует применения реле с большой площадью контактных поверхностей.

В используемом реле полная площадь контактных поИсследование влияния собственной инверхностей составила 39.25 mm2. Результаты динамики дуктивности емкостного накопителя на развития тока разряда приведены на рис. 4. Следует д и н а м и к у р а з р я д а. Одним из параметров конденсатора, влияющим на длительность разряда, является его собственная индуктивность. Установить влияние собственной индуктивности реального конденсатора на длительность разряда предлагается путем регистрации динамики развития тока при разряде конденсатора через тиристор и низкоомный шунт.

Выбор типа тиристора осуществляется исходя из максимальных значений напряжения и тока в цепи разряда, величины падения потенциала на катодноанодном участке (его значение должно быть значительно меньше величины падение потенциала на исследуемом разрядном промежутке). Влиянием нелинейности вольтамперной характеристики тиристора в случае высокой крутизны нарастания тока можно пренебречь. При этом продолжительность этого периода должна быть как миРис. 4. Осциллограмма тока. Напряжение заряда емкости — нимум на порядок меньше полной длительности разряда. 100 V. Развертки: I — 270 A/sq., скорость — 0.1 ms/sq, Журнал технической физики, 2003, том 73, вып. 94 А.Н. Довбня, К.В. Корытченко, Ю.Я. Волколупов, С.М. Шкирида, М.А. Красноголовец, В.С. Демин отметить, что в случае применения реле возникают проблемы синхронизации с измерительной аппаратурой.

Это приводит к возможному сдвигу момента начала развертки. Тем не менее полная картина динамики развития тока оставалась стабильной. Анализ графиков показывает, что в случае отсутствия дополнительного насыщения сердечника трансформатора от постороннего источника тока в цепи разряда возникает колебательный процесс. Это подтверждает нецелесообразность применения схем разряда (рис. 1, b). Отсутствие резких выбросов тока говорит о сравнительно малой длительности периода „дребезжания“ контактов. Сравнение графиков тока разряда на разрядный промежуток и через контакты реле показали, что пороговые значения напряжения горения дуги определяются текущим состоянием газа в разрядном канале, а не срывом разрядного тока из-за собственных параметров разрядной цепи. Полученные графики развития тока при разряде на контакты реле позволяют выявить влияние нелинейных сопротивлений элементов электрической цепи на динамику развития тока в схеме организации импульсной дуги.

Выводы Данная работа позволила оценить электрическую схему, в которой реализуется импульсная дуга с низким напряжением горения. В результате было выявлено, что данная схема может быть использована в плазменноволновой системе формирования интенсивных ударных волн и в других устройствах, где требуется скоростной высокоэффективный разогрев газовой среды. Предложенные варианты исследования влияния сопротивлений элементов электрической цепи на динамику разряда позволяют экспериментально оценить диапазон применения реального устройства, собранного по данной схеме, или выработать путь изменения его параметров.

Список литературы [1] Корытченко К.В., Волколупов Ю.Я. и др. // ЖТФ. 2002.

Т. 72. Вып. 4. С. 124–125.

[2] Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.

591 с.

[3] Романенко С.А. Импульсные дуги в газах. М.: Наука, 1968.

195 с.

Журнал технической физики, 2003, том 73, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.