Семестр: 2 - Томский политехнический университет

Рабочая программа учебной дисциплины
«Генерирование и измерение высоковольтных и сильноточных сигналов»
РП ТПУ 7.3.3/М2.В2
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»
Проректор-директор ИФВТ
_________ В.В. Лопатин
« ___ » _________ 2011 г.
ГЕНЕРИРОВАНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ И СИЛЬНОТОЧНЫХ СИГНАЛОВ
Рабочая программа для направления
140400 – Электроэнергетика и электротехника,
Специализация (профиль) «Техника и физика высоких напряжений».
Институт физики высоких технологий (ИФВТ)
Обеспечивающая кафедра: техника и электрофизика высоких напряжений
(ТЭВН)
Учебный план набора 2011 года
Курс: 1
Семестр: 2
Распределение учебного времени
Лекции
Практические (семинарские) занятия
Лабораторные занятия
18 часов
54 часов
18 часов
Всего аудиторных занятий
90
Самостоятельная работа (внеаудиторная)
Курсовой проект
108 часов
Общая трудоемкость
(6 кредитов) 198 часов
Дифзачет в 2 семестре
Экзамен в 2 семестре
2011
Документ: 308841280 | Стр. 1 из 12
Дата разработки: 28.01.2016
Разработчик: Жгун Д.В.
часов
Рабочая программа учебной дисциплины
«Генерирование и измерение высоковольтных и сильноточных сигналов»
РП ТПУ 7.3.3/М2.В2
ПРЕДИСЛОВИЕ
1. Рабочая программа составлена на основе ФГОС ВПО по направлению подготовки 140400 ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
(КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) "МАГИСТР") утвержденного 8 декабря 2009
г., приказ №700
РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры техники и электрофизики высоких напряжений «___» ___ 20 г. протокол №
Разработчик - доцент кафедры ТЭВН _______________________Д.В. Жгун
Зав. обеспечивающей кафедрой ТЭВН
профессор _______________________________________________В.В. Лопатин
Документ: 308841280 | Стр. 2 из 12
Дата разработки: 28.01.2016
Разработчик: Жгун Д.В.
Рабочая программа учебной дисциплины
«Генерирование и измерение высоковольтных и сильноточных сигналов»
РП ТПУ 7.3.3/М2.В2
Аннотация
ГЕНЕРИРОВАНИЕ И ИЗМЕРЕНИЕ
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ И СИЛЬНОТОЧНЫХ СИГНАЛОВ
140400М
Кафедра ТЭВН ИФВТ
Доцент Жгун Дмитрий Владимирович
Тел.(3822)423-838
Цель: формирование знаний о способах накопления и преобразования электрической энергии и методах генерирования и измерения высоковольтных и сильноточных сигналов и умений анализировать теоретические основы и вопросы
практической реализации импульсных источников питания в энергетике, технике электрофизического эксперимента, электротехнологиях.
Содержание: устройства и схемы для зарядки накопителей энергии, переходные процессы в RLC цепях, генераторы импульсных токов на основе емкостных накопителей энергии, индуктивных накопителей, элементы генераторов, системы коммутации, взрывомагнитные генераторы, ударные и униполярные генераторы, генераторы высоковольтных импульсов на основе
импульсного трансформатора; магнитные генераторы импульсов; генерирование и трансформация наносекундных импульсов напряжения; способы измерения высоковольтных и сильноточных сигналов.
Курс 1 (2 семестр – экзамен, дифзачет)
Всего 198 ч., в т.ч.: лк - 18ч., пр. -54ч., лб.р. - 18ч.
Документ: 308841280 | Стр. 3 из 12
Дата разработки: 28.01.2016
Разработчик: Жгун Д.В.
Рабочая программа учебной дисциплины
«Генерирование и измерение высоковольтных и сильноточных сигналов»
РП ТПУ 7.3.3/М2.В2
1. Цели и задачи учебной дисциплины
1.1.
Цели преподавания дисциплины
При изучении курса «Генерирование и измерение высоковольтных и
сильноточных сигналов» используются знания студентов по дисциплинам:
высшая математика, физика, теоретические основы электротехники, техника
высоких напряжений.
Цели изучения дисциплины студентами является приобретение знаний, навыков и умений по разработке высоковольтных импульсных источников
и мощных импульсных устройств, применение знаний в практической деятельности.
После изучения курса студент должен:
иметь представление:
-о связи курса с другими дисциплинами;
- о роли курса в практической деятельности специалиста;
- о влиянии электромагнитных излучений на электротехническую аппаратуру;
- о профессиональных программах для проектирования мощных импульсных
источников питания.
знать:
- терминологию, основные понятия и определения;
- систему именованных и относительных единиц электрических и электромагнитных величин;
- методы формирования мощных наносекундных импульсов напряжения;
- методы трансформации коротких прямоугольных импульсов;
- условия трансформации высоковольтного импульса с наименьшими искажениями;
- характеристики и устройство генераторов наносекундных импульсов, принцип их действия, конструкции, особенности параметров и режимов работы;
- способы регистрации высоковольтных наносекундных импульсов.
- терминологию, основные понятия и определения;
- систему именованных и относительных единиц электрических и электромагнитных величин;
- знать процессы накопления и преобразования энергии, методы формирования
импульсов большой мощности;
уметь:
- использовать полученные знания при освоении учебного материала последующих дисциплин;
- анализировать возможности применения высоковольтного импульсного
устройства с точки зрения практического использования в энергетике, технике
физического эксперимента и электротехнологиях;
Документ: 308841280 | Стр. 4 из 12
Дата разработки: 28.01.2016
Разработчик: Жгун Д.В.
Рабочая программа учебной дисциплины
«Генерирование и измерение высоковольтных и сильноточных сигналов»
РП ТПУ 7.3.3/М2.В2
- самостоятельно разбираться в эксплуатационно-технической документации на
высоковольтную импульсную аппаратуру.
владеть:
- опытом работы со справочной литературой и нормативно-техническими материалами;
- опытом расчетов параметров импульса в нагрузке.
- опытом расчета генераторов импульсных напряжений;
1.2.
Задачи изложения и изучения дисциплины
Для достижения целей, поставленных при изучении дисциплины, используется набор методических средств:
- лекции;
- практические занятия с опросом студентов и закреплением теоретического
материала;
- лабораторные работы с индивидуальными заданиями и защитой выполненных
исследований;
- индивидуальные и групповые консультации по теоретическим и практическим
вопросам курса;
- курсовой проект и его защита.
Проверка приобретенных знаний, навыков и умений осуществляется посредством опроса студентов при защите лабораторных работ, текущих тестовых испытаний и сдачи экзамена.
2. Содержание теоретической раздела дисциплины
2.1. Введение – 1 час. Мощные импульсные источники питания в энергетике,
техника электрофизического эксперимента, технологии. Процессы накопления
и преобразования энергии. Накопители энергии – источники сильных импульсных токов. Общие характеристики и области применения различных накопителей энергии. Томская школа высоковольтников.
2.2. Зарядные схемы накопителей энергии – 2 часа
Процессы накопления (зарядки). Регуляторы напряжения. Испытательные
трансформаторы. Схемы выпрямления. Схемы зарядки на инверторах.
2.3. Емкостные накопители энергии - 3 час. Емкостные накопители. Достижимые плотности накапливаемой энергии. Разрядные цепи и переходные процессы в них. Методы коммутации. Усиление мощности емкостных накопителей
энергии прерывателем тока на электрически взрываемых проводниках.
2.4. Коммутаторы для емкостных накопителей энергии – 2 часа.
Назначение и классификация разрядников. Газовые разрядники высокого давления с электронным запуском, двухэлектродные разрядники, трехэлектродные
разрядники, тригатронные разрядники и разрядники с искажением электрического поля, многоэлектродные разрядники. Газовые искровые коммутаторы с
Документ: 308841280 | Стр. 5 из 12
Дата разработки: 28.01.2016
Разработчик: Жгун Д.В.
Рабочая программа учебной дисциплины
«Генерирование и измерение высоковольтных и сильноточных сигналов»
РП ТПУ 7.3.3/М2.В2
запуском электронным пучком. Лазерный запуск разрядников. Многоканальные газовые разрядники, разрядники с жидкими и твердыми диэлектриками.
Тиратроны и игнитронные разрядники. Полупроводниковые коммутаторы.
2.5. Индуктивные накопители энергии - 2 час. Процессы в зарядных цепях и
разрядных контурах. Элементы индуктивных накопителей. Основные методы
коммутации и способы их реализации.
2.6. Генераторы на основе емкостных накопителей энергии – 2 час.
Генераторы, собранные по схеме Маркса. Анализ разрядной схемы, методы
уменьшения индуктивности ГИН и времени запаздывания между пробоями соседних разрядных промежутков. Схемы запуска разрядников ГИН. Генераторы
с импульсной зарядкой накопительного элемента, использующие компенсирующую емкость. Генераторы импульсных токов.
2.7. Принципы генерирования наносекундных импульсов напряжения– 2
час.
Волновые процессы в длинных линиях: отражение преломление волн. Генераторы с импульсной зарядкой длинных линий от схемы умножения напряжений.
Каскадный генератор импульсов высокого напряжения. Генераторы с последовательным соединением формирующих линий, разряд одинарной и двойной
линий. Генераторы с каскадным включением длинных линий.
2.8. Генераторы на основе импульсных трансформаторов - 1 час.
Функции импульсного трансформатора. Схема замещения импульсного трансформатора. Анализ искажения фронта и вершины трансформируемого импульса. Процессы в трансформаторной цепи после окончания импульса. Связь между электромагнитными и конструктивными параметрами импульсного трансформатора. Трансформаторы Тесла. Линейные трансформаторы.
2.9. Магнитные генераторы импульсов – 1 час.
Магнитные генераторы импульсов. Принцип работы магнитных генераторов,
формирование импульсов в многозвенной схеме. Параметры дросселей, трансформаторов и ферромагнитных сердечников. Потери энергии в сердечнике.
Структурная схема магнитного генератора. Магнитные материалы для сердечников дросселей.
2.10. Способы измерения импульсов высокого напряжения и тока - 2 часа.
Шаровые разрядники, пик- вольтметры. Малоиндуктивные делители напряжения, требования к ним, их конструкция. Токовые шунты. Пояс Роговского.
Подключение осциллографа.
Документ: 308841280 | Стр. 6 из 12
Дата разработки: 28.01.2016
Разработчик: Жгун Д.В.
Рабочая программа учебной дисциплины
«Генерирование и измерение высоковольтных и сильноточных сигналов»
РП ТПУ 7.3.3/М2.В2
3. Содержание практического раздела дисциплины
3.1. Тематика практических занятий
№
Тематика практических занятий
1
Схемы зарядки емкостных накопителей
энергии
2
Выбор схемы параметров зарядного
устройства
3
Приближенный расчет параметров генератора импульсных напряжений
4
Делители импульсных напряжений: основы расчета
4
Волновые процессы в длинных линиях
5
Магнитные генераторы импульсов
6
Защита рефератов (семинар)
3.2. Тематика лабораторных работ
№
Название лабораторных работ
1
Анализ схем выпрямления переменного тока высокого напряжения
2
Исследование работы каскадного генератора постоянного тока
3
Принцип работы ГИН по схеме Маркса
4
Исследование режимов работы ГИТ.
Измерение импульсных токов
5
Резонансный трансформатор (трансформатор Тесла)
ауд/р, час
4
с/р, час
2
4
2
6
3
4
2
4
4
8
2
2
12
Ауд./р, час
4
с/р, час
2
4
2
4
4
2
2
2
1
4. Программа самостоятельной познавательной деятельности (108 часов)
Программа самостоятельной деятельности включает:
- проработку конспектов лекций – 18 часов
- подготовка к лабораторным работам, обработка их результатов, оформление
отчетов – 18 часов;
- выполнение практических заданий – 24 часов;
- выполнение курсового проекта – 48 часов;
- подготовку рефератов с их публичной защитой на семинарских занятиях (темы рефератов приведены ниже) –12 часов.
1. Ударные генераторы. Принцип работы, конструкция, область применения, достоинства, недостатки.
Документ: 308841280 | Стр. 7 из 12
Дата разработки: 28.01.2016
Разработчик: Жгун Д.В.
Рабочая программа учебной дисциплины
«Генерирование и измерение высоковольтных и сильноточных сигналов»
РП ТПУ 7.3.3/М2.В2
2. ЭСТ генераторы. Принцип работы, конструкция, область применения,
достоинства, недостатки.
3. Взрывные генераторы и МГД генераторы. Принцип работы, конструкция,
область применения, достоинства, недостатки.
4. Трансформатор Тесла. Принцип работы, конструкция, область применения, достоинства, недостатки.
5. Вакуумные разрядники. Принцип работы, конструкция, область применения, достоинства, недостатки.
6. Игнитроны. Принцип работы, конструкция, область применения, достоинства, недостатки.
7. Импульсные тиратроны. Принцип работы, конструкция, область применения, достоинства, недостатки.
8. Газонаполненные разрядники высокого давления. Принцип работы, конструкция, область применения, достоинства, недостатки.
9. Высоковольтные многозазорные разрядники. Принцип работы, конструкция, область применения, достоинства, недостатки.
10.Сильноточные тиристоры и транзисторы. Принцип работы, конструкция,
область применения, достоинства, недостатки.
11.SOS-диоды. Принцип работы, конструкция, область применения, достоинства, недостатки.
12.Плазменные прерыватели тока. Принцип работы, конструкция, область
применения, достоинства, недостатки.
13.Пик- вольтметры. Принцип работы, конструкция, область применения,
достоинства, недостатки.
14.Пояс Роговского. Принцип работы, конструкция, область применения,
достоинства, недостатки.
5. Текущий и итоговый контроль
Целью текущего контроля знаний студентов является проверка ритмичности
работы студентов, оценка усвоения теоретического, практического материала и
приобретенных знаний, умений и навыков.
Текущий контроль обеспечивается:
- опросом студентов на практических занятиях;
- допуском к выполнению лабораторных работ и защитой результатов их выполнения (минимальный уровень знаний оценивается по контрольным вопросам, помещенным в методических указаниях по выполнению лабораторных
работ) студентов
- по результатам защиты курсового проекта и выполнения контрольных заданий по теоретическому материалу.
Примеры вопросов текущего контроля
Документ: 308841280 | Стр. 8 из 12
Дата разработки: 28.01.2016
Разработчик: Жгун Д.В.
Рабочая программа учебной дисциплины
«Генерирование и измерение высоковольтных и сильноточных сигналов»
РП ТПУ 7.3.3/М2.В2
5.1.1 Конструкция генераторов импульсных токов.
5.1.2 Зарядные устройства емкостных накопителей энергии.
5.1.3
Системы коммутации ГИТ. Общие требования.
5.1.4
Способы увеличения надежности элементов ГИТ.
5.1.5 Разрядники используемые для параллельной работы.
5.1.6 Разрядники используемые в ГИТ в режиме «кроубар».
5.1.7 Особенности работы импульсных конденсаторов в ГИТ.
5.1.8 Элементы емкостных накопителей. Их надежность.
5.1.9 Изоляция ГИТ. Требования к ней.
5.1.10 Индуктивные накопители энергии. Общие положения.
5.1.11 Размыкатели для ИНЭ. Требования к ним.
5.1.12 Разрядники атмосферного и повышенного давления, используемые в
ГИТ. Принцип работы, характеристики.
5.1.13 Взрывные генераторы. Принцип действия. Характеристики.
5.1.14 Ударные генераторы. Принцип действия. Характеристики.
5.1.15 Механические накопители энергии. Типы и принцип работы.
5.1.16 Магнитные генераторы импульсов. Схемы, принцип работы.
5.1.17 Асимметричный режим работы магнитных генераторов. Принципиальная схема. Принцип работы.
5.1.18 МГД – генераторы, принцип работы.
5.1.19 Какие требования предъявляются к материалу сердечника импульсного
трансформатора? Объясните приращение индукции в сердечнике импульсного трансформатора.
5.1.20 Принципы генерирования НС импульсов напряжения. Генератор на
длинных линиях. Генератор по схеме Маркса.
5.1.21 Схемы импульсной зарядки малоиндуктивного накопительного элемента.
5.1.22 Генераторы с двойной формирующей линией (Блюмлейн). Генераторы с
каскадным включением длинных линий .
5.1.23 Трансформаторы с обмотками из коаксиального кабеля. Трансформаторы на отрезках коаксиальных кабелей. Трансформаторы на неоднородных
линиях.
Документ: 308841280 | Стр. 9 из 12
Дата разработки: 28.01.2016
Разработчик: Жгун Д.В.
Рабочая программа учебной дисциплины
«Генерирование и измерение высоковольтных и сильноточных сигналов»
РП ТПУ 7.3.3/М2.В2
5.2. Пример задания для итогового контроля
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ №
Томский политехнический
и
университет
3
по дисциплине Физика и техника генерирования
измерения высоковольтных и
сильноточных сигналов
ИФВТ
курс первый
1. Особенности работы импульсных конденсаторов в ГИТах.
2. Магнитные импульсные генераторы. Чем отличаются схемы магнитных генераторов, питаемых от постоянного и переменного источников напряжения?
Какие требования предъявляются к сердечнику переключающих дросселей?
3. Трансформаторы наносекундных импульсов на отрезках коаксиального кабеля. Схема кабельного трансформатора на феррите. Схема Льюиса.
Объяснение работы схем. Достоинства и их недостатки.
Составил
________________Жгун Д.В.
Утверждаю: Зав. кафедрой ________________Лопатин В.В.
Документ: 308841280 | Стр. 10 из 12
Дата разработки: 28.01.2016
Разработчик: Жгун Д.В.
Рабочая программа учебной дисциплины
«Генерирование и измерение высоковольтных и сильноточных сигналов»
РП ТПУ 7.3.3/М2.В2
Учебно-методическое обеспечение дисциплины.
6.1. Перечень используемых физических установок и информационных продуктов
6.1.1. Установка 122-2 - генератор импульсных токов ГИТ-50:
а) зарядное напряжение
- до 50 кВ
б) разрядная емкость
- 24 мкФ
в) поджигающий импульс
- 18 кВ,
цифровой запоминающий осциллограф Tektronix
6.1.2. Установка 302 - генератор импульсных токов ГИТ 25:
а) зарядное напряжение
- до 25 кВ
б) разрядная емкость
- до 96 мкФ
в) поджигающий импульс
- 18 кВ,
цифровой запоминающий осциллограф Tektronix
6.1.3. Установка 301,а. Генератор импульсных напряжений по схеме Маркса.
U ном = 1 МВ, Сраз=10 нФ с системой регистрации импульсов тока и напряжения
6.1.4. Установка 301,а. Трансформатор Тесла на 1,5 МВ с системой регистрации импульсов тока и напряжения
6.1.5. Установка 122-3 – Каскадный генератор постоянного тока на 30 кВ.
6.2.
Перечень рекомендуемой литературы
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
6.2.1 Физика и техника мощных импульсных систем. Сб. статей под ред. Е.П.
Велихова. Энергоатомиздат, 1987. – 352 с.
6.2.2 Авруцкий В.А., Кужекин И.П., Чернов Е.М.. Испытательные и электрофизические установки. Москва, 1983. – 264 с.
6.2.3 Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника / Г. А. Месяц. — М. :
Наука, 2004. — 704 с
6.2.4 H. Bluhm. Pulsed Power System. Principles and Applications. Springer-Verlag
Berlon Heidelberg, 2006, 328p
6.2.3 Бут Д.А, Алиевский Б.Л. и др. Накопители энергии. М.: Энергоатомиздат, 1991. – 400 с.
6.2.4 Техника больших импульсных токов и магнитных полей. /П.Н. Дашук и
др. М.: Атомиздат, 1972. – 472 с.
6.2.5 Быстров Ю.А.,. Иванов С. А. Ускорители и рентгеновские приборы. М.:
Высшая школа, 1976. – 207 с.
6.2.6 Магнитные генераторы импульсов. /Л.А. Меерович. М.: Сов. Радио. – 476
с.
6.2.7 Д.Дэвинс. Энергия. М.: Энергоатомиздат, 1985. – 360 с.
Документ: 308841280 | Стр. 11 из 12
Дата разработки: 28.01.2016
Разработчик: Жгун Д.В.
Рабочая программа учебной дисциплины
«Генерирование и измерение высоковольтных и сильноточных сигналов»
РП ТПУ 7.3.3/М2.В2
6.2.9 Пичугина М.Т. Физика и техника генерирования и измерения высоковольтных и сильноточных сигналов. – Томск: Изд-во ТПУ, 2004 - 209 с.
Дополнительная литература
6.2.10 Леонтьев Ю.Н., Пичугина М.Т.. Исследование режимов работы генератора импульсных токов. Метод. указ. к лаб. работе. Томск, ТПУ, 1998. – 24 с.
6.2.11 Месяц.Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. - М.:
Сов. радио, 1974. -258 с.
6.2.12 Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Поталицын Ю.Ф. Сильноточные наносекундные коммутаторы.- Новосибирск, Наука, 1979. - 175 с.
6.2.13 Мощные наносекундные импульсные источники ускоренных электронов.
/ред. Г.А. Месяца. Новосибирск, Наука, 1974. – 145 с.
Документ: 308841280 | Стр. 12 из 12
Дата разработки: 28.01.2016
Разработчик: Жгун Д.В.