将图(一)与图(十)进行比较:
充电管:由原氢闸流管XX35 改用硅堆 2DL-3/40(3A,40kV),并在回路里增加直流继电器(高压),以保护硅堆因电流过载而损坏(设备平均电流不大于 2A)。
反峰管:由原氢闸流管XX35 改用硅堆 2DL-1/30(1A,30kV,3 只串。串联是为了增加元件的耐压),并在回路里加接限流电阻(线绕电阻220Ω、100W,两只串联)和电流继电器(保护硅堆过载)及电流表(指示反峰电流的平均值,该值小于 150mA),在直流电源加 3kV时,电流表即有指示,表示反峰保护电路正常工作。
阻尼管:原调制器未加此管,因脉冲反压过大(约为脉冲电压的16%),现用硅堆 2DL-1/30 一只做阻尼管,并在回路中串直流继电器(保护硅堆过载)、电流表(指示阻尼回路电流大小,并监视阻尼回路工作情况)及限流电阻(线绕电阻 220Ω、100W)。调节此电阻,可以改变反冲电压的幅度。但电阻太小,将增加阻尼管的损耗。现调制器反冲电压幅度小于 9%,此时电流表指示小于 100mA,工作正常。
1.使用硅堆后,调制器效率提高。测试记录(在同一负载时):
由上表比较可知,在同一负载时,加上相等的直流电压,显然采用硅堆后,加到负载上的脉冲电压较高。这主要是因为采用硅堆后,充电电路品质因数有所提高的缘故。
充电电路的品质因数Q z =[√(Lz/Co)]/ R z
式中L z ——充电电感;C o ——仿真线的等效电容(仿真线电感在充电时忽略不计);R z ——充电电路电阻,包括充电电感的电阻及充电二极管内阻、回路引线电阻等。
当充电管采用硅堆之后,在充电回路中,其他元件未变,而硅堆的正向压降小于闸流管的正向压降,亦即R z 减小,故品质因数提高,充电效率也就提高[充电效率η z =1-π /(4Q z )],自然输出脉冲电压提高。实测表明,使用硅堆之后的效率较用闸流管提高 10%左右。
2.调制器的反峰电压降低
调制器未接阻尼管时,其负载波形如图(十一)所示:
未接阻尼管时,ΔU ≥ 16%U u ,“鼓包”宽度约 50—60μs。在XXXX机器上,未用XX02 管做阻尼管进行试验,在其他机器上试验过,波形有所改善。
采用硅堆做阻尼管后,负载波形如图(十二)所示。这时:
ΔU≤9%U u ,Δτ≈2—3μs。
由以上比较可见,使用硅堆之后,波形有较大改善,这样也对线路元器件起到了保护作用。因为这时加到被测管上的脉冲电压的绝对值有所下降。
3.采用硅堆后,开关管导通电压降低
同一负载时的测试记录:
之所以采用XX35 做充电管时,开关管开始导通时刻直流电源电压要加得较高,乃是由于充电管XX35 启辉电压高的缘故。而硅堆就没有这个问题。由于使用硅堆做充电管,开关管可在较低的直流电压下工作,这样,对被测管来说,可在较低的脉冲电压下进行测试工作,而用XX35 做充电管就办不到这一点。
4.采用硅堆后,反峰保护可靠。
同一负载时的测试记录:
由于采用硅堆后,反峰保护管在较低的电压时即可工作(有反峰回路电流表指示),也就是说,设备处在可靠的保护状态之下。这样,当负载打火时,就可以有效地消除仿真线上的过压,从而保护了被测管等其他元器件。
另外,用XX35 管做反峰管时运行不稳定的情况可用在测试工作中碰到“鼓包”之后出现“小脉冲”的事实解释说明。见图(十三)。
初步分析,认为这个“小脉冲”是由于反峰管延迟导通所造成的。它随着电压的加高而向“鼓包”靠拢,以致使反峰继电器动作跳闸为止。
采用硅堆做反峰管,就没有这种情况。因为它不像XX35 那样有延迟导通的现象,因此,工作稳定。
5.采用硅堆后,改善了调制器输出的脉冲波形:
采用硅堆做充电管、反峰管及阻尼管后,可以省掉原来所使用的灯丝变压器(尤其充电管、反峰管的灯丝变必须是高压低电容的),从而减小了高压回路分布电容、引线电感等,因此,改善了脉冲前沿及顶部振荡。另外,如前所说,加阻尼管后,反峰ΔU下降,“鼓包”变窄,也改善了脉冲波形。这一点,也从实际的波形比较中看得很清楚。
采用硅堆代替闸流管之后,设备体积减小,耗电量降低。因为省掉了闸流管所必需的灯丝电源及其稳压设置。
另外,硅堆属固体器件,寿命长,维修方便。设备在结构上可以考虑安排得更加紧凑,布局更加合理。
一台软管调制器,一般必须具备充电管、反峰管及阻尼管。这些器件在大功率调制器中较难解决,有的需专门研制。如XXXX调制器原采用的就是一个研究所专门研制的“XX02”“XX35”两种闸流管。当然,这就增加了设备费用及制造周期。
就XXXX调制器而言,所需 2 只XX35 管(每只 8,000 元)、一只XX02 管(每只 12,000 元),仅此 3 个管子就需 28,000 元,加上灯丝变、稳压器等,总价值在 3 万元左右。采用硅堆后,省去了灯丝变、稳压器,就该调制器而言,用了一只 2DL-3/40 做充电管(单价 1,000 元),3 只2DL-1/30 串做反峰管(单价 300 元),一只 2DL-1/30 做阻尼管,总计 2,200 元。
相比之下,显然采用硅堆之后设备性能良好,价格便宜。仅该设备一次就可节省费用两到三万元。如推广使用(XXXX调制器已采用),费用节省更为可观。
就货源来说,硅堆,尤其是DL型硅堆,属普及型常规器件,产品已系列化,货源较闸流管要充足得多。
硅堆属固体器件,一般来说,它是长寿命的。而闸流管有灯丝及阳极,其使用寿命受到限制。而且随着使用期的加长,管子也会衰老,运行稳定性受到影响,给设备维修带来不便。
自从换用硅堆以来,到1979年12月为止,共测试被测管15只,而充电管、反峰管及阻尼管均未损坏。而在换前的 1977 年 5 月至 1978 年 10 月期间,仅测试被测管 6 只,其充电管、反峰管(原用XX35 闸流管)却换过五六只之多。
由此可见,硅堆使用寿命较闸流管要长得多。设备可靠性提高,维修费用也大为降低。
将DL型高压硅堆应用在大功率软管调制器中,仍处在初级阶段,还有不少问题尚待解决。在使用硅堆时,也应特别注意。例如:
1.硅堆比较“娇气”,一旦过压损坏,不能恢复。因此,考虑其耐压时,尽量富裕一些。尤其是各种保护、监视,必不可少。
2.对究竟如何选择硅堆的电压、电流,前面谈了一些原则,但仍仅供参考。况且同型号的硅堆,就性能来说,各厂家之间差别较大。因此,在选择时须考虑到诸多因素。相信在不断摸索中,会逐渐地取得在脉冲电路中使用硅堆的“自由”。
对于硅堆在大功率调制器中的应用,长期以来,受到不少同事的关注。也曾进行过讨论,做过有关试验,但未得出肯定的结论。从英国引进的设备看,其充电管用的是硅雪崩型整流二极管。AD报告中曾报道过一个“平均功率 1 兆瓦的脉冲调制器”中也有选用整流臂串并联充当充电二极管失败的情况,后又用风冷真空二极管代替之。(“A one-MW AVerage-power pulse Modulator”,AD676,854,10th Modulatory Symposium,P326—336)
在国内一些单位的较小功率的脉冲调制器上也有用硅堆做充电管及反峰管成功与失败的例子。所有这些,对我们都是极为宝贵的参考资料。
使用硅堆试验成功,也是领导支持和同事们努力的结果。特别是车间主任XXX工程师多方大力支持,才使 1019 调制器 1978 年 11 月的维修任务得以圆满完成。
先后参加这项工作的有电气车间及X室共十多位同事,主要参加者有XXX和笔者。
这个技术报告曾以XXX、惠学宽的名义在1412所(今“中国电科12所”)第五届学术报告会上由笔者宣读。本文较原报告增加了“硅堆简介”一章的内容,其他部分略有增删。
参加人:XXX、惠学宽、X室几同事
地点:XXXX调制器运行间
1.1978 年 11 月 7 日上午,将原反峰管XX35 换为 2DL型硅堆:2DL30/1(30kV,1A)共两只串联运行。串 60 欧姆无感电阻(原调制器加在反峰回路中的),阻尼管未加。
※由示波器及分压器测出负载脉冲电压。
2.1978 年 11 月 7 日下午,用 2DL30/1(30kV,1A)硅堆充当阻尼管:
串接线绕电阻 51 欧姆,并在反峰回路中串接 110 欧姆线绕电阻。
通过示波器观察,加阻尼管之前负载脉冲波形示意图见图(十一);
加阻尼管之后负载脉冲波形示意图见图(十二)。
3.1978 年 11 月 8 日下午,将反峰管又换为三只 2DL30/1 串联,并将反峰回路所串电阻换为440Ω、200W线绕电阻(2只220Ω、100W电阻串联),另加 60Ω无感电阻;在阻尼回路串 220Ω、100W电阻。
4.充电管采用硅堆代替后的试验记录
使用硅堆做充电管之后,发现调制器效率有所提高,且负载起始脉冲电压变低。在使用XX35 做充电管时,直流电源电压在 5kV以上时,负载脉冲电压才开始有输出。而使用硅堆做充电管后,直流电压加到 2.5kV左右时,即有负载电压输出。
1.XX35 脉冲充氢二极管
该管系金属陶瓷结构脉冲充氢二极管。用于雷达或无线电装置中,作为调制器削波电路中的反峰管。
阳极反向脉冲电压≤33kV;阳极正向电压≥ 3kV;
阳极脉冲电流≤75A;阳极平均电流≤1.5A;
重复频率:400Hz。
2.XX02 脉冲充氢闸流管
该管系金属陶瓷结构脉冲充氢闸流管。用于雷达及无线电装置中,作为线性调制器的开关器件。
阳极正向电压≤33kV;阳极脉冲电流≥ 2kA;
阳极平均电流≤4A;脉冲重复频率:800Hz。