Details zum E-Book

Symulacje komputerowe w projektowaniu kompaktowych generatorów szybkich impulsów pola elektromagnetycznego

Symulacje komputerowe w projektowaniu kompaktowych generatorów szybkich impulsów pola elektromagnetycznego

Jacek Starzyński

E-book

Niniejsza monografia lokuje się w dziedzinie badań nad technologią wytwarzania i wykorzystania wysokoenergetycznych impulsów pola elektromagnetycznego.

Jest to bardzo szeroka dziedzina wiedzy, której początki związane są z wytwarzaniem i przesyłaniem energii elektrycznej. W obecnych czasach szybkie impulsy pola elektromagnetycznego znajdują coraz więcej nowych zastosowań. Dlatego technologie impulsowe są polem intensywnych badań naukowych i źródłem nowych rozwiązań technicznych.

Praca ta nie obejmuje całego spektrum technologii impulsów wysokonapięciowych, a koncentruje się na zagadnieniu wykorzystania symulacji komputerowych do przyspieszenia i zmniejszenia kosztów procesu projektowania urządzenia generującego. Takie ograniczenie wynika po pierwsze z dostępności kilku bardzo obszernych opracowań na temat technologii impulsowych, a po drugie z braku syntetycznego opracowania pokazującego zalety i wady komputerowego wspomagania procesu projektowania urządzeń generujących. Ze względu na specyfikę problemu koncentracji i kontrolowanego wyzwolenia dużej ilości energii elektromagnetycznej w bardzo niewielkim przedziale czasu projektowanie generatorów impulsów musi uwzględniać całą złożoność zjawisk elektromagnetycznych.

Pokazane tu problemy i metody ich rozwiązywania mogą znaleźć zastosowanie także w projektowaniu klasycznych generatorów udarów elektrycznych.

Książka ma być przewodnikiem w zakresie stosowalności symulacji komputerowych w technologiach impulsów elektromagnetycznych. Na bazie własnych doświadczeń oraz na przykładach innych projektów autor chciałby wskazać silne i słabe strony numerycznych modeli urządzeń generujących silne i szybkie impulsy pola elektromagnetycznego, mając nadzieję, że z jednej strony pokaże to aktualny stan badań nad technicznymi rozwiązaniami urządzeń generujących, a z drugiej pozwoli efektywnie stosować metody numeryczne w technice wysokich napięć. W odróżnieniu od tradycyjnych monografii tłumaczących działanie układów generujących najczęściej tylko na podstawie uproszczonych wzorów analitycznych, w tej pracy starano się pokazać, że wykorzystanie nawet najprostszych modeli symulacyjnych pozwala także projektować elementy generatorów nawet na poziomie koncepcji. Oczywiście symulator nie zastąpi znajomości praw rządzących elektrotechniką ani intuicji projektowej, ale jest bardzo wygodnym uzupełnieniem tych elementów, pozwalającym bardzo szybko i wszechstronnie zweryfikować pomysł i zasadę działania nowo projektowanego układu, a także zdecydowanie najszybszym narzędziem pozwalającym zbadać wpływ parametrów i wariantów konstrukcji na pracę urządzenia.

Podziękowania 9

1 Wstęp 11

1.1 Cel i treść 11

1.2 Zastosowania szybkich impulsów 13

1.3 Oznaczenia i symbole 17

2 Zasada generacji impulsów 19

2.1 Wprowadzenie 19

2.2 Generatory 27

2.2.1 Układy powielaja˛ce napięcie 27

2.2.2 Transformator Tesli 28

2.2.3 Generator Marksa 31

2.2.4 Generator Mesyatsa 33

2.2.5 Generator Fitcha-Howella 34

2.3 Liniowe transformatory impulsowe 36

2.3.1 Układy o parametrach rozło żonych 37

2.4 Podstawowe problemy konstrukcyjne 41

2.4.1 Ograniczona wytrzymałość izolacji 41

2.4.2 Indukcyjności pasożytnicze 42

2.4.3 Szybkość przełączania 42

2.5 Użyteczność symulacji komputerowych 44

3 Metody numeryczne 51

3.1 Wprowadzenie 51

3.2 Modele obwodowe 52

3.3 Modele o parametrach rozłożonych 54

3.4 Metoda różnic skończonych 55

3.5 Metoda elementów skończonych 58

3.6 Metoda elementów brzegowych (momentów) 65

4 Wybrane przełączniki 69

4.1 Przełączniki klasyczne 70

4.1.1 Iskierniki 70

4.1.2 Tyratron i PSS 79

4.1.3 Iskierniki próżniowe 81

4.1.4 Przełączniki ferromagnetyczne 81

4.2 Przełączniki półprzewodnikowe 83

4.2.1 Tranzystor bipolarny – BJT 83

4.2.2 Tranzystory MOSFET 84

4.2.3 Tranzystor bipolarny z izolowana˛ bramka˛ – IGBT 84

4.2.4 Wykorzystanie tranzystorów MOSFET i IGBT 84

4.2.5 Tyrystor 86

4.2.6 Specjalne przełączniki półprzewodnikowe 90

5 Symulacje generatorów 93

5.1 Półprzewodnikowy generator Marksa 93

5.1.1 Zasada działania 94

5.1.2 Symulacje w programie Twin Builder 99

5.1.3 Symulacje w programie PSPICE 102

5.1.4 Badania eksperymentalne 104

5.1.5 Wnioski 106

5.2 Szybki generator Marksa 106

5.2.1 Wstęp 106

5.2.2 Pierwotna konstrukcja generatora 107

5.2.3 Symulacje 109

5.2.4 Testy eksperymentalne 114

5.2.5 Wnioski 117

5.3 Hybrydowy generator impulsów 118

5.3.1 Konstrukcja i zasada działania 119

5.3.2 Wnioski z analizy teoretycznej 121

5.3.3 Symulacje 122

5.3.4 Eksperymenty 126

5.3.5 Udoskonalenie generatora 129

5.3.6 Podsumowanie 132

5.4 Kompresja strumienia magnetycznego 132

5.4.1 Wstęp 132

5.4.2 Model analityczny 134

5.4.3 Badania symulacyjne 138

5.4.4 Badania eksperymentalne 143

5.4.5 Wnioski 144

6 Symulacje układów kształtujących 145

6.1 Magnetyczne obwody formujące 145

6.2 Transformator prądu przesunięcia 147

6.2.1 Model matematyczny 148

6.2.2 Model MES: ANSYS-HFSS 151

6.2.3 Model MES: Comsol 154

6.2.4 Symulacje transformatora metodą FDTD 157

6.2.5 Badania laboratoryjne 161

6.2.6 Wnioski 162

6.3 Płaska linia Blumleina 162

6.3.1 Model obwodowy 163

6.3.2 Model linii Blumleina 164

6.3.3 Prototyp generatora 169

6.3.4 Wnioski 170

6.4 Niesymetryczna linia Blumleina 171

6.4.1 Projekt linii 173

6.4.2 Badania eksperymentalne 179

6.4.3 Podsumowanie 180

7 Symulacje odbiorników 183

7.1 Linie paskowe i radiacyjne 183

7.1.1 Linia paskowa PW50: project 187

7.1.2 Linia paskowa PW50: symulacje 190

7.1.3 Linia paskowa PW50: pomiary 192

7.1.4 Prowadnice falowe NEMP 193

7.2 Dopasowanie anteny 198

7.2.1 Antena dipolowa dla niesymetrycznej linii Blumleina 198

7.2.2 Antena dipolowa dla symetrycznej linii Blumleina 204

7.2.3 Antena iskiernikowa 209

7.2.4 Podsumowanie 219

8 Podsumowanie 221

Bibliografia 223

  • Titel: Symulacje komputerowe w projektowaniu kompaktowych generatorów szybkich impulsów pola elektromagnetycznego
  • Autor: Jacek Starzyński
  • ISBN: 978-83-8156-444-1, 9788381564441
  • Veröffentlichungsdatum: 2022-08-31
  • Format: E-book
  • Artikelkennung: e_2w3n
  • Verleger: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej