К вопросу о совместной работе высоковольтного термоэмиссионного диода, бортового источника тока и нагрузки

Язык труда и переводы:
УДК:
629.78.064.52
Дата публикации:
30 ноября 2021, 18:05
Категория:
Секция 04. Космическая энергетика и космические электроракетные двигательные системы – актуальные проблемы создания и обеспечения качества, высокие технологии
Авторы
Аннотация:
Рассмотрены резонансные свойства цепи источник тока (термоэмиссионный реактор — преобразователь — эквивалентный вентиль (электрический имитатор системы преобразования тока) — нагрузка. Исследованы: качество тока при различных формах питающего напряжения, фазочастотные характеристики, резонансные свойства. Представлены результаты исследования в программном комплексе MATLAB Simulink. Показано влияние электротехнических параметров системы преобразования тока на работу электрической цепи. Сделаны выводы об устойчивости и кризисных режимах работы цепи.
Ключевые слова:
термоэмиссионный реактор-преобразователь, сеточный ключевой элемент, высоковольтный плазменный термоэмиссионный диод, резонанс, фазочастотные характеристики, емкость, индуктивность, устойчивость
Основной текст труда

В системах преобразования тока космических энергодвигательных установок с термоэмиссионным реактором-преобразователем (ТРП) в качестве перспективных рассматриваются термоэмиссионные вентили плазменной электроэнергетики (сеточные ключевые элементы (СКЭ) и высоковольтные плазменные термоэмиссионные диоды (ВПТД)), работающие на цезиевом, бариевом наполнении или их смеси [1–4]. Поэтому актуальным является изучение параметров устойчивой работы СКЭ и ВПТД в цепи с нагрузкой различной мощности и регулируемыми параметрами.

Эквивалентная электрическая цепь для источника с очень малой индуктивностью (пренебрегаем Lист) в нелинейном приближении может быть описана с помощью уравнения типа Дуффинга [5]:

{\frac {d^{2}i}{dt^{2}}}+{\frac {L_{H}+\left({\frac {C}{C_{ucm}}}+1\right)L+CR_{\mathrm {B} }R_{ucm}}{L_{H}CR_{\mathrm {B} }}}{\frac {di}{dt}}+{\frac {\left({\frac {c}{C_{ucm}}}+1\right)R_{B}+R_{H}}{L_{H}CR_{\mathrm {B} }}}\left(ai+bi^{3}\right)=g(t),                                (*)

где g(t) — функция, принимающая значение единицы при исследовании амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик или Еист(t) — закон изменения напряжения источника во времени; i —  ток в цепи; Rист — внутреннее сопротивление источника; Сист — емкость источника; Lист – индуктивность источника; RВ — сопротивление вентиля; С — емкость вентиля: L — индуктивность вентиля: Rн — сопротивление нагрузки; Lн — индуктивность нагрузки. Наличие третьей степени тока в уравнении и отражает нелинейность цепи.

Решение получено в программном комплексе MATLAB Simulink [3] с применением операционного метода: это точное решение задачи, которое отражает работу смоделированной электрической цепи. Реализована блок-схема уравнения, которая позволяла получать решение в виде сигнала тока, либо отклика на воздействие. Данный подход позволяет проводить параметрическое исследование задачи за счет варьирования величин емкости, индуктивности, сопротивления, входящих в уравнение (*), в результате которого можно определить кризисные и оптимальные режимы работы исследуемой электрической цепи, а также рекомендуемый диапазон электрических параметров источника, вентиля и нагрузки.

Результаты решения уравнения относительно АЧХ и ФЧХ цепи (получены в программе «MATLAB-SIMULINK») при следующих исходных параметрах:   Lн = 10–5 Гн,  ­Сист = 10–4 Ф,  Еист = 150 В (а, b подобраны эмпирически), RB = 10–2  Ом,   остальные переменные являлись параметрами исследования. В ходе исследования в широких пределах варьировались следующие параметры вентиля: индуктивность и емкость, а также учитывалось влияние активного сопротивления нагрузки Rн.

Проведенные исследования качества работы нелинейной электрической цепи с источником тока и плазменным вентилем показали, что в ней реализуются неустойчивые состояния в низкочастотном (103...104 Гц) и в высокочастотном (106...108 Гц) диапазонах в зависимости от величины нагрузки. Получен новый результат, свидетельствующий о возможности появления резонанса в области частот переключения СКЭ (103‑104 Гц), который может привести к нарушению работы электрической цепи энергодвигательной установки.

Работа цепи при открытом состоянии вентиля, близкого к режиму короткого замыкания (Rl < 1 Ом), при емкости вентиля порядка долей единицы микрофарад сопровождается высокочастотными колебаниями тока с амплитудой порядка величины рабочего тока в течение 30...40 мкс, затем амплитуда этих колебаний падает на порядок. Колебания тока продолжаются в течение всего времени импульса напряжения.

Проведенные исследования работы электрической цепи «источник — плазменный вентиль — нагрузка» показали, что в запертом состоянии вентилей возможны неустойчивые состояния с резкими колебаниями амплитуды тока (до 250 А) как в низкочастотном диапазоне (104...105 Гц), так и в высокочастотном диапазоне (106...107 Гц). Для режима холостого хода при резонансе амплитуда колебаний тока достигает 45...250 А, что показывает возможность обратных пробоев межэлектродного зазора СКЭ, ВПТД и потере их управляемости и по коллекторной электрической изоляции.

Литература
  1. Onufriev V.V., Grishin S.D. Experimental investigation of electric strength to inverse arc breakdown of a thermionic diode with cesium filling // High Temperature. 1996. Vol. 34, no. 3. Pp. 477–480.
  2. Онуфриева Е.В., Гришин Ю.М., Сидняев Н.И., Синявский В.В., Ивашкин А.Б., Онуфриев В.В. О расчете напряжения зажигания обратного дугового разряда в высоковольтном плазменном термоэмиссионном диоде // Известия РАН. Сер. Энергетика. 2018. № 4. С. 108–115.
  3. Онуфриев В.В., Лошкарев А.И. Зажигание обратного дугового разряда в бариевом термоэмиссионном диоде // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2005. № 1. С. 72.
  4. Онуфриева Е.В., Алиев И.Н., Онуфриев В.В., Синявский В.В. Энергетические характеристики высокотемпературных плазменных вентилей систем преобразования тока космических энергодвигательных установок // Известия РАН. Сер. Энергетика. 2016. № 3. С. 127–140.
  5. Ueda Y. Random phenomena resulting from non-linearity in the system described by Duffing’s equation // International Journal of Non-Linear Mechanics. 1985. Vol. 20. Pp. 481–491.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.