Емкостные накопители энергии. Требования к коммутаторам. Классификация коммутаторов

3. Емкостные накопители энергии.

4.1. Требования к коммутаторам. Классификация коммутаторов.

Коммутатор является одним из самых ответственных элементов генераторов импульсных токов. Достаточные уровни мощности 10¹² – 10¹⁴ Вт и скорости нарастания мощности – 10²¹ Вт/с во многом обязаны прогрессу в области сильноточных наносекундных коммутаторов.

Будем рассматривать коммутаторы в режиме замыкания, т.е. коммутаторы, подключающие накопитель к нагрузке.

        Две схемы коммутации:

Отличия схем:

1) в схеме (а) коммутатор находится под напряжением накопителя во время импульса, а в (б) – заземлен;

2) в схеме (а) полярность импульса I и зарядного напряжения U_O совпадают, а в (б) – они противоположны.

а) Полная эквивалентная схема:

R_K – активное сопротивление коммутатора,

L_K – внутренняя индуктивность коммутатора,

L_П – индуктивность проводов,

С_К – межэлектродная емкость коммутатора,

К_И – идеальный ключ,

С – накопитель,

R_Н – нагрузка б) Разомкнутое состояние:

в) Замкнутое состояние:

Условия (б) удовлетворить не сложно, а условия (в) встречают серьезные трудности. Основные усилия разработчиков ключей направлены на уменьшение R_K и L_Σ и времени перехода от разомкнутого состояния к замкнутому t_K → 0.

Рассмотрим ограничения, накладываемые конечными параметрами R_K, L_K, t_K коммутатора, на параметры импульса в нагрузке. Воспользуемся упрощенной схемой:

1) Конечное время коммутации t_K даже при R_K = 0 и L_K = 0 ограничивает скорость нарастания мощности в нагрузке:

например, для  N′ = 10¹⁸ Вт/с при  U_O = 10⁵ В, I = 10⁵ A

необходим ключ с t_K ≤ 10 нс.

2) За счет сопротивления R_K происходит снижение мощности в нагрузке:

например, при R_K = R_H  =>  N_H^max/4.

Энергия теряется в коммутаторе:

например, при U_O = 1 МВ, R_H = 10 Ом, I = 100 кА, R_K = 1 Ом; ~ 10% энергии будет потеряно в коммутаторе и не попадет в нагрузку.

В ряде случаев R_K может оказать влияние и на время нарастания импульса в нагрузке, тогда

, где

С_Н – емкость нагрузки (RC – цепочка).

3) L′_K препятствует получению высокой скорости нарастания мощности и тока в нагрузке:

в короткозамкнутой нагрузке:

в омической нагрузке:

Например,        а) для  при UO = 50 кВ

, б) для t_ср ≈ 10 нс при R_H = 10 Ом

Итак, основные требования к коммутаторам:

а) малое время коммутации

t_K ~ 10^-9 ¸ 10^-8 c;

б) малые величины L_K и R_K,

R_K ≈ 10^-3 ¸ 10^-2 Ом, L_K ~ 10^-7 ¸ 10^-9 Гн

Требования, связанные с эксплуатационными характеристиками

1)  Время коммутации  t_k обычно определяется как время спада напряжения на коммутаторе между уровнями 0,9 и 0,1 от U₀ и аналогично определению фронта импульса.

Желательно иметь минимально возможные t_k, поскольку:

-  t_k определяет максимально возможную скорость нарастания             мощности в нагрузке;

-  t_k определяет потери энергии в коммутаторе:

(4.1)

2)  Рабочее напряжение U₀, коммутируемый ток I₀, коммутируемая энергия.

W = U₀ · I₀ · t_u – энергия

N = U₀ · I₀  –   мощность

3)  Время восстановления электрической прочности и частота следования импульсов.

(4.2)

4)  Диапазон управляемых напряжений (для управляемых коммутаторов).

U_max – максимальное напряжение на коммутаторе, ограниченное пробоем коммутатора.

(4.3)

Классификация по типу коммутирующей среды:

а) электровакуумные (модуляторные**** лампы и импульсные тиратроны.

б) полупроводниковые (тиристоры)

в) искровые разрядники.

Уровень коммутируемой мощности:

электровакуумных приборов:

-  электровакуумных ламп – 10⁶-10⁸ Вт;

-  импульсных тиратронов – 10⁷-10⁹ Вт;

-  управляемых разрядников – 10⁸-10¹⁰ Вт;

полупроводниковых тиристоров:

-  на уровне 5·10⁸ Вт – макс. мощность;

Искровые разрядники коммутируют мощности в широком диапазоне. Их применение рационально при 10⁹-10¹³ Вт.

Пример: масляный искровой разрядник ускорителя «Аврора» коммутирует ток ~ 1МА при напряжении 12 МВ в течение ~100нс :

N = 1,2 · 10¹³ Вт, W = 1,2 МДж.

Основные признаки классификации:

1)  по числу электродов (одно-, двух-, трехэлектродные);

2)  по роду пробиваемого диэлектрика (газоразрядные высокого и низкого давления, вакуумные, жидкостные, твердотельные);

3)  по конфигурации электродов (рельсовые, кольцевые, шаровые, игольчатые и т.д.);

4)  по числу разрядных каналов (искр)

5)  по способу запуска (тиратронный, с искажением поля, лазерным поджигом, электроннолучевым поджигом и т.д.);

6)  по режиму работы (для одиночных импульсов, частотные разрядники).

Также разрядники подразделяются по способу охлаждения, роду газа и т.д. Ниже подробно рассматриваются основные коммутирующие приборы в МИТ.