Основные сведения об импульсных процессах

Предисловие

В предлагаемом издании рассматриваются вопросы создания генераторов мощных импульсов тока как прямоугольной, так и регулируемой форм на основе формирующих цепей различного вида – канонических формирующих двухполюсников (ФД) 1-го и 2-го видов, однородных искусственных линий (ОИЛ), ОИЛ с управляемыми и c неуправляемыми вентилями и расщепленных емкостных накопителей, а также принципы построения зарядных устройств. Основными областями применения устройств силовой импульсной техники в промышленности и в экспериментальных исследованиях являются импульсные электротехнологии, экспериментальная физика, радиотехника, радио- и гидролокация, ускорительная техника, лазерная технология и т. п.

Широкое распространение импульсных режимов работы объясняется возможностью выделения в нагрузке огромных по значению энергий за относительно короткий отрезок времени, так как энергия от источника сравнительно небольшой мощности, медленно запасаемая в накопителе во время пауз между импульсами, реализуется в нагрузке в течение отрезка времени, равного длительности импульса. Импульсные режимы работы позволяют осуществить физические и электротехнологические процессы, труднодостижимые другими способами, а в целом ряде случаев существенно повышают эффективность процессов, обычно протекающих в непрерывных режимах.

Теоретической базой, послужившей фундаментом для создания импульсных систем питания, явились классические работы Л. И. Мандельш­тама, С. Э. Хайкина, Н. Д. Папалекси, А. А. Андронова, а также работы С. И. Евтянова, Н. Н. Крылова, Л. А. Мееровича, Ф. В. Лукина, Я. С. Ицхоки и др. Существенный вклад в теорию силовой импульсной техники внесли такие ученые СПбГЭТУ "ЛЭТИ", как П. Н. Матханов, Л. В. Данилов, Л. З. Го­голицын, В. М. Золотницкий, Ю. А. Петров.

Ускоренное развитие силовой импульсной техники пришлось на годы создания и развития техники радиосвязи и радиолокации и постоянно обеспечивалось потребностями экспериментальной физики. Дополнительным толчком для развития импульсной техники и становления ее как самостоятельного раздела электротехники послужило возникновение большого числа импульсных электротехнологий. В первую очередь необходимо отметить появление в начале 60-х годов твердотельных лазеров, работающих в импульсных режимах, причем уровень токов и напряжений систем импульсной накачки позволил широко использовать в качестве ключевых управляемых приборов новые на тот момент полупроводниковые приборы – тиристоры, идеально подходящие для решения задач импульсной техники миллисекундного диапазона.

Классической задачей импульсной техники является создание накопителей и формирователей, выполненных на реактивных элементах и обеспечивающих получение в нагрузке импульсов тока или напряжения заданных формы, длительности и амплитуды [1]–[4]. Особый интерес в импульсной технике представляет задача генерирования импульсов прямоугольной формы как наиболее энергонесущих по сравнению с импульсами других форм, но равных им по длительностям и амплитудам. В мощных генераторах импульсов, работающих в физических или в электротехнологических системах, уровни токов достигают значений от сотен до десятков тысяч ампер, а уровни напряжений – от сотен вольт до сотен киловольт в диапазоне длительностей от единиц микросекунд до единиц миллисекунд. Задача генерирования импульсов прямоугольной формы успешно решается с помощью формирующих реактивных двухполюсников, причем на практике наибольшее применение нашли ОИЛ и ФД 1-го и 2-го видов [5], [6].

При создании генераторов прямоугольных импульсов тока регулируе­мой длительности (ГИТРД) наиболее часто используется частичный разряд емкостного накопителя, при котором силовой полностью управляемый ключ подключает нагрузку к накопителю на время, равное длительности импульса [2], [7]. Серьезным недостатком таких генераторов является существенное превышение значения энергии, запасенной в накопителе, над значением энергии, выделяемой в нагрузке за время импульса, поскольку в случае выхода из строя силового ключа возникают тяжелые аварии, способные привести к разрушению нагрузки. Указанный недостаток преодолевается при использовании в качестве накопительного и формирующего элемента ФД принципиально нового вида – однородной искусственной линии с управляемыми и с неуправляемыми вентилями (ОИЛВ), причем при этом не только уменьшается энергия, запасаемая в накопителе, но и снижаются его массогабаритные показатели.

Более сложной, но и более общей проблемой силовой импульсной техники является создание генераторов импульсов тока регулируемой формы (ГИТРФ). Потребность в таких генераторах определяется в первую очередь задачами импульсных электротехнологий, где форма импульса тока нагрузки обеспечивает требуемый временной закон вложения мощности в технологический объект. Наиболее характерными примерами подобных технологий являются лазерная импульсная сварка, лазерное термоупрочение, лазерная прошивка отверстий, конденсаторная контактная сварка и т. п. Возможность регулирования в широких пределах амплитудно-временных параметров импульсов тока нагрузки позволяет определить и обеспечить в дальнейшем оптимальные параметры импульсных электротехнологических или электрофизических процессов с целью повышения их качества и производительности. Тем не менее серьезным препятствием на пути создания и исследования мощных ГИТРД и ГИТРФ являются отсутствие единой теории построения данных устройств, а также отсутствие монографий и учебных изданий, посвященных данному вопросу, что сказывается на качестве подготовки специалистов в области импульсных систем питания.

В связи с этим автор поставил перед собой задачу внести определенный вклад в решение этой проблемы публикацией предлагаемого издания. Оно предназначено инженерам, работающим в области силовой импульсной техники и решающим вопросы формирования мощных импульсов тока в линейных и в нелинейных нагрузках самого разнообразного вида. Помимо этого, издание может оказаться полезным студентам, бакалаврам, магистрам и аспирантам, обучающимся в электротехнических или радиотехнических вузах. Основное внимание автор уделил простоте изложения, ориентируясь в первую очередь на доступность восприятия читателем физики электромагнитных процессов как в зарядных, так и в формирующих цепях, работающих как на линейные, так и на нелинейные нагрузки. Энергетику процессов заряда и разряда в генераторах импульсов автор рассматривает, базируясь на основополагающих законах электротехники – законе сохранения заряда и законе сохранения энергии, что позволяет в ряде случаев обойтись без сложных математических выкладок и получить зависимости, точно определяющие количественные соотношения даже в случае использования нелинейных элементов или цепей. Автор сознательно оставил вне рамок данной работы вопросы, связанные с формальным синтезом реактивных формирующих цепей, как требующие специальной математической подготовки. Кроме этого, следует отметить, что решение задачи анализа электромагнитных процессов в генераторах импульсов, выполненных как на основе реактивных формирующих двухполюсников, так и на основе более сложных формирующих цепей с вентильными или с ключевыми элементами, находящимися непосредственно в структуре накопителя-формиро­вателя, на сегодняшний день не представляет собой непреодолимых трудностей. Современные специализированные программные средства, решаю­щие данные задачи численным моделированием электромагнитных процессов во временнóй области, дают более чем удовлетворительные результаты при высокой точности вычислений. В связи с этим на первый план выдвигаются понимание в первую очередь физики электромагнитных процессов, происходящих в генераторах импульсов, а также восприятие основных схемных решений, обеспечивающих работоспособность импульсных устройств. Автор также не счел возможным в рамках предлагаемой пуб­ликации уделить внимание рассмотрению вопросов расчета и проектирования мощных импульсных трансформаторов, обычно являющихся неотъемлемой частью генераторов. Поскольку проектирование импульсных трансформаторов является сложной и самостоятельной задачей преобразовательной техники, эти вопросы достаточно глубоко освещены в специальной литературе, а расчет самих трансформаторов всегда жестко привязан к конкретному схемному решению и параметрам разрабатываемого им­пульсного генератора [8]. Автор не рассматривает и особенности работы и основные параметры силовых коммутаторов, таких, как модуляторные лам­пы, тиратроны, экситроны, игнитроны, тиристоры, силовые транзисторы и т. п., поскольку информация по применению этих приборов широко представлена в учебной и научной литературе по электронной и преобразовательной технике, а также в обширной справочной литературе. Однако следует отметить, что проектирование мощных высоковольтных генераторов импульсов (особенно микросекундного диапазона) не представляется возможным без знания всех паразитных параметров реальных элементов и конкретной конструкции. При этом задача выбора основного схемного решения генератора, анализа процессов в нем, оптимизации электрических и тепловых режимов существенно усложняется. В силу этого автор рассматривает в данной работе только идеальные элементы. Так, емкости в отличие от реальных конденсаторов не имеют внутренних потерь; в индуктивных элементах не учитываются сопротивления обмоточных проводников и паразитные емкости обмоток; резисторы не имеют собственной индуктивности: коммутирующие приборы представляются идеальными, т. е. потери в них отсутствуют, а времена коммутации равны нулю. В конечном итоге все это дает несколько идеализированную картину работы импульсного устройства, но позволяет избежать ситуации, когда "за деревьями леса не видно". При таком подходе результаты вычислений позволяют получить значения целого ряда схемных параметров, превышение которых принципиально невозможно, но знание которых дает основу для последующих окончательных расчетов и позволяет оценить точность последних.

Основные сведения об импульсных процессах