改进电火花震源充电回路性能的试验研究

1、改进电火花震源充电回路性能的试验研究第 1T 集1989年T月中国科学院电工研究所论文报告集 3.11etinof!nstituteofElectricalEgineering.Ahademia$inicaN0.1TJ.1y,1988改进电火花震源充电回路 性能的试验研究 冯荣琼王汞荣摘要奉文由实验研究出发 ,并从试验结果与理论计算中得出重要结论 :在电 火花震源克 电回路低压侧适当串接交流电容可降低充电电流极大值,改善充电性能,大大娥小限流电阻.文章对上述规律作了理论分析和计算 ?并提出和甩 i 辅胁分析改善电 火花震源充电回路性能的研究方法 :利甩这种方法 .不仅船够正确地模拟电火花震源充

2、电回路以 利于各参量的数学分析 .而且能够指导实际电路的参数设计,目 lJ 茜 液电赦立的应用研究在我国有二三十年的历史,虽然已在海洋勘探 ,液电清砂 ,肾 结石体外碎石术及桥桩无损检测等方面取得突破性进展,但很多理论不够完善需进一步探讨.液电效应的应用研究可以说是关于电火花震源的应用研究.对海洋勘探,清砂及肾结石等所用电火花震源一般可抽象出图1所示框图.对应框图 1 的电火花震源原理如图2 所示.图中虚框内部分为充电回路 .图2中,一交流电源,月一调压器,5B 一升压变压器，G高压硅堆整流 装置,月一限流电阻,C 一储能电容，月,2为保护电阻，开关,DT为放电电 缆电扳 , 一主隔离开关 .

3、当震源能级较大，又要求较高的充放电效率，则对照电查c.充电时将产 生较大的冲击电流 ,相应对回路限流部分要求很高 .Ft 前,我们多采用几十甚上百根电炉丝 串接并安装在玻璃钢框架上来作限流电阻 ,才能满足容量大 ,散热好的 要求.但它存在明显缺点：体积大,裸露于空气中易受污染使绝缘降低，电炉照会发热变形常需要更换 .过去 ,曾为改进限流电阻傲过努力 ,如提高电炉丝电阻率或采 用大功率压膜电阻,但： ：园目前国内材料及工艺水平所限 ,使之面临很大困难 . 针对上述问题 ,为了进一步探讨改进充电回路性能的措施 ,根据国外有 关资料信102中国科学院电工研究所论文报告集第 1T 集 息,我们开展了实

4、验研究 .确切地讲 ,是在电火花 震源低压侧串接交流电容 ,这样可降低充电电流 峰值,大大减小限流电阻 ,改善充电性能 ,提高充 电效率 .应当指出 ,目前也有来用可控硅调压器达到恒 流充电的 ,但它的造价高 ,对高压反击问题无能为 力,而且要求技术高 ,给实用维修带来不便 .与这 种方法比较 ,我们这种充电回路改善性能后 ,具有 更大的优越性 .图 1 电火花震源框图S图 2 电火花震源高压主圃路原理图t1031989年 7月改进电火花震源充电回路性瞌的试验研究 表 1 充电电流极大值 f 随串接电容 cz 的变化值(uI=gcv(有效值)c3 16PfR5=8.4kQ)(mA)Cl()试验

5、值计算值0461.06666.1622.430.5923.744261.5739.目 76T81.1959.4689.3101.9TT8.T9122.2l19.48107.24141.8138.52124.00166.8152.96144.9目189.116T.38163.40220.5178.93188.57240.1202.01203.92 265.1214.13222.9228T.4223.37239.40319.3236.65262.05418.T294.94325.56521322.45380.16800485.19二,实验结果试验线路见图2虚框内部分在图2中,cz就是为改善充电回路

6、性能所串接的交流电容，月s为限流电阻，Ca为储能电容，这些均为试验中分别改变的参量（图中用可变符号说明）用SC16型光线记录示渡器分别在z,z,z.z测得c:上 的电压u变压器原边电压ut及充电电流示波图，取得如下实验结果. 由试验数据表1可见，串接c后可降低充电电流极大值f,如C2=22.4jzf 时,i仅为不接 cz 时的 6.6通过试验得到一些规律性结果见图37.图 8 是试验记录结果 ,从图中可见 ,充电电流是振荡衰减的 .为了比较 , 将串接 c:前后充电电流包罗线画在同一张图上 （见图 9）.从图 9 可看出,接入 c. 后,不仅 i降低 ,而且电流衰减减缓 ,这说明充电性能得到改

7、善 .从图8还可看出，当电源电压突加到回路中时，c2上的电压”达较大值, 而变压器原边电压开始很小 ,随时间变化 ,逐渐降低 ,而缓缓增加 .从:这里也 104中国科学琬电工研先所论文报告集第 1纂m(mA)图 3 充电时闻 t 随串接电窖 Ct 的变化曲线c】(p图4充电电流极大值一随申接电窖 c的变化曲线Cj(uF) t01989年 7 月改进电火 =;E 震源充电圊路性能的试验研究 105 (m)-(fnA)腰5充电电流拯太懂一黠限巍电阻 RL;的变化曲拽试羹廑+计算畦(k0)ul:90V(有簸值)=8,毒 knG:I66.却 F出接入C.后f降低的原因.挛压益边串接交流电容 C2 的大

8、小要根据对充放电时间的要求来选择 图 3 表明接入C2会使充电时间增加，但当适当选择C时，充电时间比Ct=O时相差 很小,可以认为其影响不大 .上述试验结果表明，适当串接c.可减小f,大大降低限流电阻，改善充电 性能.所以,我们在 HD853 型黄河电火花声源 ,KD4O/2O 型液电清砂机 的改造及肾结石机中都串接了电容 c.三,理论分析和计算虽然得到了上述试验结果 ,但如何解释试验现象 ,对一个实际电火花震 源,究竟该串入多大的c.,限流电阻应为多少？我们不可能试验解决，这样会造成资金和时间的浪费 .为此,找蓟一种可模拟的方法 ,开展分析和计算是十分必要 的.(一),定性分析图10充电回路

9、变压墨” T形等值电路图”充电回路向量图图10中,Zm为折合到一次侧的变压器等值容性负载， r为串接C前 的外施电压, r-为串接C2后的外施电压，对应这个等值电路的向量图为图11. 由图 11 可见U>U,这说明串接C2后若需得到同样大小的充电电流，必须增大 外施电压.反过来讲，在同一外施电压作用下，串入C.后充电电流减小了 . (=),确定充电回路的等值电路蔓立状态方程为了分析充电过渡过程 ,必须找到一个可模拟实际电路的等值电路,而其中最难于108中国科学院电工研究所论文报告集第 1T集处理的是电路中存在着非线性元件一高压整流硅堆.在现有资料中 ,从未看到过关于它的非稳态解析表达 ,

10、所以我们尝试了利用计算机程序来处理的方法,即在等值电路中不计入它的影响 ,而在计算各参量时 ,根据它的外部特性进行壹 理,得 到了较好的结 果. 为了分析和计算方便，变压器采用c丁，形等值,于是得到模拟计算等值电路图 12.U图 12 充电回路模拟计算等值电路 （折合到变压器原边 ）图 13 充电回路考虑整流部分的等值电路在图 12 中,分别为变压器激磁电阻和电感 ,为变压器线圈电阻与限流电阻之和由于前者很小，故可化为s即为限流电阻,s为变压器原副 边漏电感之和且折算到变压器原边,忽略导线等值电感 ,其它各量同前说明.图 12所示模拟计算等值电路是一个四阶电路 ,采用古典方法求解相当 困难.随

11、着计算机的应用 ,建立抗态方程 ,利用龙格一库塔法求其数值解,尤其对非线性电路和高阶电路 ,是目前多采用的方法 .根据模拟计算等值电路 ,选择电容上电压及电感上电流为收态变量,得到如下抗态方程卜1989年 7月改进电火花震源充电回路性能的试验研究109图”程序框图110中国科学院电工研究所论文报告集笫 l 集5f.11.0ooJ14.0L 一70一一 1os/, B8j“e2+00tL91LB（三）利用机助分析数值法求解状态方程 关于非线性元件程序处理的方法可通过图 13 来说明在计算程序中 ,首 先将点电位的绝对值与C.上的电压.进行比较当f<时则对C不充电令 ij=O,当luAl&g

12、t;.时，对c充电分两种情况t当”为正时,相当于AB短 接,CD短接,这时对c正向充电,f1日。当”为负时,相当于AC短接,tBD短接即由电路左方向右看去，C.能反接在电路中贝f这时令状 态方程中有关系数反号 .-根据状态方程 ,采用龙格一库塔法的四阶积分程序进行计算,计算程序框图见图 14.计算程序用编译BASIC语言编写,在长城0520C机上完成.i ”岵）1m20OD图 15 充电电流髓时间变化曲线t s) 1989年 7月改进电火花震源充电回路性能的试验研究 （四）,计算结果与实验结果比较从图 47 上可以看到计算结果与实验数据符台很好 .由于 ”为电源空 载测得值 ,计算中将其看成恒

13、压源 ,而在实验中 , ”不可能是理想恒压 ,接入负载后 , 电源内阻上会有部分压降 ,致使输出电压下降 ,随外部等效阻抗的减小即 C 较大 或月较小时,其作用会增大 ,所以实验与计算的偏差要大一点 .图15为计算得到的串接Cz前后充电电流波形图，由图可见，接入cz后 不仅f 降低,而且电流衰减减缓 ,这与试验结果也是相吻合的 . 从以上比较可说明理论计算对于实验工作有指导意义 四,结论1适当串接交流电容Cz可降低充电电流极大值，改进电火花震源充电 回路性能.2串接Cz后,改变储能电容C.对充电电流极大值无影响.3.串接 Cz 后,可大大减小限流电阻 ,使得电火花震源易于小型化产品 化.4.利

14、用计算机辅助分析改善电火花震源充电回路性能的研究方法,目前在国内外 资料中尚未见报导 .利田这种方法 ,不仅黼够正确地模拟电火花震源充 电回路以利用各种参量的数学分析 ,而且能够指导实际电路的参数设计 . 五,问题讨论1.关于反击问题如前所述 ,当在充电回路低压侧串接交流电容后 ,可减小限流电阻甚至 使其减到 零.但限流电阻的太小这时应考虑放电发生反击时对硅堆的保护问题 现以半波整流电 路说明如下 .图 16 电火花震源半波整流电路原理图巾国科学院电工研究所论文报告集第 1T 集 厂厂图 lT 放电电极间电压波形 典型电火花震源半波整流电路如图 16 所示 ,图中各符号说明同图 2,通 常我们

15、将虚框内部分称放电回路，它可等值成简单rLC.放电回路.为分析简便，在放电过程中假定回路电阻r不变，并采用式f=r/LCa,式 中 t, 分 别为有量纲与无量纲时间 ,为回路电感 ,ca 为储能电容 .由 KCL 可列出放电回路微分方程为LC+rC3 鲁 +%o .=0(1)应用初始条件” a(0+)= “.a(O):Uoi(O)=(0 一)=0可求得微分方程 (1)式的解 .在实际电火花震源中 ,放电波形常是振荡衰减的 ,如图 17 所示.这时(1) 式的解应为: 一 s-n1cz式中:称为波形系数三 IL3i 亍由计算与实验研究已得到证明 ,当在最佳间隙下得到冲击波的最大压 力时波形系数口

16、为0.40.5若取口 =0.45代入(2)式得到.a=1.12Psin(O.893r+1.104)(3)1989 年 7 月改进电火花震源充电回路性曲的试验研究由(3)式可求得第一极值 5=0.885UO,第二极值U2=0.182Uo.若考虑极限情况 ,限流电阻 R=0 则在放电间隙电压振荡到负半波且达 到第二极值时周16中日点的电位为一 0.182UO若此时F点电位恰为+U.,则硅 堆将导通,又因放电回路的等值电阻 r 很小,可能将使回路电流过大以致烧坏 高压硅堆 ,所以为避免这种反击现象 ,限流电阻不能减至过小 .如放电间隙状况较 好时,可按:0.45计算,这时限流电阻 遅士这童，为高压硅

17、W堆允许通过的瞬时电流 .若放电间隙不是在最佳状态 ,则反峰电状将增大 ,如在较差情况 =0.2 时, 代入(2)式得到” .=1.0206Uoeo” sin(0.9798叶1.3694).这时可得到第二极值 Uz=0.52UO 则上故当已知放电间隙压况不太好时 ,应选择限流电阻风稍大些 ,一般可选 在(1.601.93)Uo 之间.应当指出 ,上述是针对振荡波型放电回路而言的选择设未接入低压电容c时, =_rr高压硅堆允许通过的瞬时电流为，此时,这时,W应为高压硅堆正 充电时的值，其波形脉宽为毫秒级而当接入c:后，应为放电冲击电流, 其波形脉宽的微秒级 .我们知道 ,随脉宽的减小 ,高压硅堆

18、允许通过的瞬时电流 值会大大增加 ,故加入c.后,限流电阻可大大减小对阻尼型放电回路，如电极非传导放 电,此时将不存在所谓反击问题 ,限流电阻可去掉 .2.关于谐振问题从充电回路等值电路图12看，在加入低压电容c后，有可能使回路达到 谐振状 态,为了避免由于出现谐振而发生危及电路正常工作的可能情况 ,开展 对谐振现象的讨论具有一定的实用意义 ,这里只限于工频情况 . 由串联谐振条件可列出回路等值阻抗r.1I 风一去fM 卜,1实部一 ,去+,+（o17+o击）路（乩一击）叫什R).+(m+ 一一 L12, g cj,|（I 一 Ol_C）+ 乂 7（ +5）L8J（已十）.+（ 乂 +一 1）

19、.114 中国科学院电工研究所论文报告集第 lT 集表2改变C.,噩,R,L,L得到相应C2的谐振值令上式虚部：0即可求得谐振条件下的cz值.但由于各参量间的关系较 复杂,不可能找到一个很简单说明的关系式 ,只好借助午数值法来判断谐振的可 能性,计算结果见表 2.由表2可见，当分别改变C.,s,风丄丄时，所得到相应cz的谐振值，在各 参数正常范围取值时都较大 （达上万撤法级 ）.故可以说,一般情况下 ,不 易产生谐振 .51989年7月改进电火花震蔼c充电画路性能的试验研究115参考文献Eli沈阳变压器厂编，变压器试验）,机械工业出版社,1972.9.(23Peikari.B,FundamentofNetworkAnalysisandSynthesis,1974.3Peikari,B,Systems,Networks,andComptationMultivariableMe thods,1974.E43Willson