Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Петрозаводский государственный университет

Кольский филиал

Дисциплина “Испыт. и электрофиз. установки”



«Расчет высоковольтного генератора импульсных напряжений»

Вариант 15
Курсовой проект

студент 5 курса очного отделения

физико-энергетического факультета

Высоковольтные электроэнергетика и электротехника
Преподаватель:



г. Апатиты

2010г

Оглавление
Задание……………………………………………………………………………………………3
Часть 1.
1. Определение емкости ГИН в ударе……………………………………………………….…4

2. Выбор типа конденсаторов и числа ступеней ГИН………………………………………...4

3. Расчет индуктивности разрядного контура ГИН…………………………………………...4

3.1. Конструктивные параметры ГИН, определяющие индуктивность его

            разрядного контура и электрическую прочность…………………………………..….5

3.2. Расстояние между конденсаторами………………………………………………………..5

3.3. Выбор типа разрядников и размещение их между конденсаторами…………………….5

3.4. Выбор расстояния между разрядниками и конденсаторами………………………..……5

3.5.Взаимное размещение конденсаторов и разрядников на платформе

            ГИН и определение собственной индуктивности ГИН………………..……….……..6

3.6. Определение индуктивности внешнего контура ГИН…………………………………...6

4. Уточнение формы импульса ГИН…………………………………………………………...7

4.1. Определение уровня пульсаций и выбор величины Rк………………………………..…9

4.2. Определение фронта импульса………………………………………………..……….....11

5. Конструкционный чертеж ГИН……………………………………………………………..11
Часть 2.
1. Расчет зарядного устройства ГИН………………………………………………….……....13

2. Расчет выпрямительного устройства………………………………………………….…....14

3. Выбор повышающего трансформатора…………………………………………………….15

4. Выбор регулятора напряжения……………………………………………………………...15

5. Выбор схемы управления зарядом и коммутацией ГИН……………………………….…15

Приложение 1…………………………………………………………………………………...17

Приложение 2…………………………………………………………………………………...18

Список литературы……………………………………………………………………………..19
Задание на проектирование ГИН
1. Параметры нагрузки  Ом,  Ф,  Гн.

2. Амплитуда напряжения на нагрузке в импульсе  В.

3. Параметры импульса на нагрузке  с,  с.

4. Допустимый уровень пульсаций .

5. Частота следования импульсов  Гц.

6. Ресурс ГИН (число циклов заряд-разряд)  имп.

7. Тип зарядного устройства: двухполупериодное зарядное устройство.

8. Конструкция ГИН - платформенная.
I. Проектирование ГИН.
1. Определение емкости ГИН в ударе.
Емкость ГИН в ударе: ,

 Ф.
2. Выбор типа конденсаторов и числа ступеней ГИН.
Первоначально выбран конденсатор типа ИКГ–50–1.0 с параметрами:

 В,  Ф,  Гн,  Дж,  А,   Гц, габариты(мм): 310 х 310 х 680,  кг.

Поскольку, ресурс  имп., то для ИКГ–50–1.0 выбираем ресурс ГИН  имп., при этом частота следования импульсов  Гц.

Максимальное зарядное напряжение:  В.

Число ступеней ГИН и, соответственно, конденсаторов равно:



округляем до целого числа .

Напряжение на одну ступень ГИН не должно превышать рабочее напряжение выбранного конденсатора , следовательно , что меньше расчетного значения, поэтому оставляем количество ступеней равное 9.
3. Расчет индуктивности разрядного контура ГИН.
Для расчета формы импульса и определения его соответствия заданию проведем расчет индуктивности разрядного контура.
3.1 Конструктивные параметры ГИН, определяющие индуктивность его разрядного

контура и электрическую прочность.
Индуктивность ГИН:



Где  – суммарная индуктивность конденсаторов:

 Гн.
3.2 Расстояние между конденсаторами.
Расстояние между конденсаторами ГИН определяем по следующей формуле:

, где  кВ/мм,  м.

Длина одной ступени ГИН , где толщина конденсатора  (м), тогда  м.
3.3 Выбор типа разрядников и размещение их между конденсаторами.
При напряжении коммутации  В и пробивной напряженности воздуха в равномерном поле при атмосферном давлении  кВ/мм, рабочий промежуток между шарами составит:

 м.

Из условия равномерности поля шары выбираются диаметром:

 м.
3.4 Выбор расстояния между разрядниками и конденсаторами.
Расстояние от шаров до корпусов и вводов конденсаторов должно составлять:

 м.
3.5 Определение собственной индуктивности ГИН
Индуктивность катушки определяется как ,

где  – сечение катушки,  – число витков тока ( – числу ступеней ГИН),

длина ГИН:  м.
,

где  – расстояние между клеммами,  – высота конденсатора до клемм:  м,  м;

 м².
Индуктивность катушки:

 Гн.

Суммарная индуктивность конденсаторов:

 Гн.
Собственная индуктивность ГИН:

 Гн.
3.6 Определение индуктивности внешнего контура ГИН.
Длина внешнего контура равна: ,

где        – высота ГИН до клемм конденсаторов,

            высота конденсатора до клемм:  м,

            длина шины подключения нагрузки:  м,

            длина ГИН:  м.

Опорные изоляторы выбираются так, чтобы их полная высота составляла: , при  кВ/мм высота опорных изоляторов:  м.

Таким образом из таблицы 2, в соответствии с приведенной выше формулой, выбираем четыре опорных изолятора типа 3×ОНС–10–500, высота которых в сумме равна  м.

Рассчитаем длину внешнего контура:

,

 м.

Определяем индуктивность прямолинейных участков проводов по формуле:



 Гн.

Выполнив необходимые расчеты, можно определить полную индуктивность разрядного контура ГИН:

 Гн.
4. Расчет переходных процессов в разрядной цепи ГИН.
На рис.1 приведен контур цепи разряда ГИН.



Рис. 1.

Напряжение на нагрузке: , где .

Для перехода к оригиналу необходимо произвести преобразования для приведения изображения к табличному виду, имеющему оригинал:



Рассчитаем коэффициенты операторного уравнения  – (1), при .

,

,

.

Для дальнейшего расчета применим формулу Кардано. В уравнении  введем новую переменную:. После подстановки уравнение примет вид:

, где: ; ,

,

.

Уравнение (1) имеет один действительный корень и два сопряженных комплексных корня.

Действительный корень:

, где  ,





.

Комплексные корни: ,

, .

Далее уравнение  необходимо разложить на множители:

,

где , ;

, .

Делая обратную подстановку в последнее уравнение , получим уравнение вида:

,

где , .

, .

Расчет напряжения U.

Коэффициент, на который будет увеличено U:



следовательно  В.

Определим , ,

Рассчитаем форму импульса по формуле:

  – (1),

,

                                    – (2),

.
4.1 Определение уровня пульсаций и выбор величины R_к.
Для того, чтобы уровень пульсаций не превышал заданный: , при построении графика напряжения на нагрузке методом подбора определяем сопротивление  и емкость нагрузки .

На первом этапе расчета , но так как уровень пульсаций превышает заданный, то значение  выбираем из диапазона , где

,

 Ом.

Методом подбора определяем значения  Ом.

Поскольку фронт  импульса и длина волны слишком велики, то увеличим                                                                                              Ф.

Увеличение начальных значений  ведет к снижению напряжения на нагрузке , поэтому, возникает необходимость увеличения коэффициента  до величины . Тогда, напряжение  В.

Также добавочное сопротивление влияет на емкость ГИН в ударе:



и количество ступеней ГИН: n=13.

Таким образом, сопротивление  будет распределяется по ступеням ГИН равномерно:  Ом.

Полная индуктивность разрядного контура ГИН: Lгин= 1,799  Гн.

От значения U зависит выбор напряжения источника заряда ГИН, которое должно иметь на выходе напряжение не менее  В.

С учетом В и  Ом форма импульса будет определяться по формуле:




При  В, при  В,  В,  кВ.

Определим уровень пульсаций по формуле ,
4.2 Определение фронта импульса и длины волны.


На рисунках 1 и 2 представлены графики напряжения на нагрузке.

По графику, представленном на рисунке 1, находим длительность спрямленного фронта волны  с.

Определим погрешность     ,

            .

По графику представленном на рисунке 2, находим длину волны с.

Определим погрешность     ,

            .

Погрешности и  не превышают допустимые ГОСТом отклонения:

 

5.Конструкционный чертеж ГИН


Конструкционный чертеж ГИН в 3-х проекциях представлен в Приложении 1.

Рис. 1. Определение фронта волны.





Рис. 2. Определение длины волны.
II. Расчет зарядного устройства ГИН.
1. Расчет процесса заряда ГИН
Для определения процесса заряда конденсатора воспользуемся методом расчета по углу отсечки за каждый полупериод. Приращение напряжения на конденсаторе за полупериод определяется уравнением:

,

где        – угол отсечки,

             – постоянная времени цепи заряда;

             – угловая частота сети переменного тока 50 Гц.

В первый полупериод  и  равно: .

Для определения  (приращение напряжения на конденсаторе за второй полупериод) рассчитаем по формуле: . Затем определим :

.

Приращение напряжения за два полупериода составляет: . Рассчитываем :



Определяем : ,

Приращение напряжения за три полупериода составляет: . Рассчитываем :

 и т. д.

Расчет будем вести до значения напряжения на конденсаторе, равном:

.

Определим время заряда конденсаторов, емкость которых составляет

 Ф,

 с.

Найдем число циклов заряда n, при котором напряжение заряда конденсаторов ГИН достигнет заданной величины.

Для однополупериодной схемы заряда .

Напряжение , до которого будет заряжаться конденсатор, определим по формуле:

 кВ.

Рассчитаем напряжение источника питания по формуле:  кВ.

В расчете по программе Mathcad (приложение 2) задаем число , значение напряжения источника питания , угловую частоту сети переменного тока  Гц, емкость конденсаторов С и сопротивление зарядного резистора R, которое предварительно задается равным:

 Ом,

и производим расчет . Поскольку, полученное в расчете значение  отличалось от заданного, то величину R методом подбора уменьшили до значения  Ом.
2. Расчет выпрямительного устройства.
Диоды для выпрямительного устройства выбираем по двум параметрам:

            – допустимое значение обратного напряжения диода :

 В

Последовательное включение диодов увеличивает обратное напряжение выпрямителя на число последовательно включенных диодов. Поэтому, из-за некоторого разброса значения , выбираем число последовательно включенных диодов таким, чтобы суммарное  на 20–25 % превышало 2Е:

 В

            – допустимая величина прямого тока диода :

Выбор диодов по току производится из действующего значения зарядного тока, величина которого находится из выражения:

,

где        Вт,

 В.

Тогда действующее значение зарядного тока: А.

По выше приведенным параметрам из таблицы 1 выбираем 6 ветвей по 9 последовательно включенных  диодов типа КЦ105В ().
3.Выбор повышающего трансформатора.
Выбор трансформатора производится исходя из требуемого уровня напряжения на высокой стороне и потребляемой мощности.

Средняя мощность повышающего трансформатора составляет:

,

где к.п.д. заряда через резисторы составляет 50%, тогда мощность равна:

 Вт.

Из таблицы 2 выбираем трансформатор типа: ИОМ–100–40–2, у которого

 В,  кВ,  кВт, количество изолированных выводов ВН:1.
4. Выбор регулятора напряжения.


Регулятор напряжения выбирается по значению мощности и заданной глубине регулирования напряжения:

 А.

Поскольку из приведенных регуляторов напряжения в таблице 3 ни один не подходит, то для данного ГИН необходимо разработать свой регулятор напряжения.

5. Выбор схемы управления зарядом и коммутацией ГИН.
Стандартная схема управления зарядом и коммутацией ГИН приведена на           рис. 1 (двухполупериодная схема заряда)



Рис. 1.Схема управления зарядом и коммутацией ГИН ( двухполупериодная схема заряда).
Выберем для данной схемы, исходя из напряжения сети и передаваемой мощности, тип контактора переменного тока. Он выбирается из максимального тока первичной обмотки силового трансформатора, величину которого можно оценить из соотношения:

 А.

Поскольку из приведенных контактов в таблице 4 ни один не подходит, то для данного ГИН необходимо разработать свой контактор.




Приложение 1.





Приложение 2.






Список литературы

1. Конспект лекций.
2. Методические указания по выполнению курсового проекта
3. Приложения и таблицы к методическому указанию