- Имитационное воспроизведение, поддержание и измерение тепловых и электрических режимов в процессе стендовых испытаний с электронагревом термоэмиссионных одноэлементных сборок и макетов электрогенерирующих элементов
Отличительной особенностью стендовых исследований и ресурсных испытаний прежде всего одноэлементных ЭГС, а также макетов ЭГЭ многоэлементных ЭГС, а в некоторых случаях и лабораторных ТЭП, является наличие в их составе сложного технологического оборудования и дорогостоящих испытываемых изделий, многие узлы которых работают в предельно допустимых условиях Поэтому при создании исследовательско-испытательной базы важным является обеспечение надежных средств имитации требуемых тепловых, температурных и электрических параметров испытываемых ЭГС и макетов ЭГЭ. Это достигается имитационным воспроизведением условий исследований и испытаний со стабилизацией электронагрева эмиттерного, коллекторного и цезиевых узлов, управлению нагрузочным током и измерению ВАХ. Остановимся кратко на возможных и используемых для этого технических решениях [112-115].
Электронагрев эмиттера должен обеспечивать работу ТЭП, макета ЭГЭ и ЭГС в режимах как Тэ = const, так и Q- const. Прямоканальный нагрев, например, эмиттера одноэлементной ЭГС, позволяет получать Тэ до 2000-2300 °C с плавной регулировкой в широких пределах. Отсутствие дополнительного нагревательного устройства в составе эмиттерного узла улучшает динамические свойства системы нагрева Однако необходимость на время измерения ВАХ периодически прерывать ток нагрева, протекающий через эмиттер, создаваемые при этом помехи в измерительных цепях и системе автоматического управления, ограничения, накладываемые на конструкционное исполнение эмиттерного узла, снижают возможность его использования не только при испытаниях ЭГС, но и и при исследованиях ТЭП.
Нагрев излучением наиболее часто применяется при испытаниях ТЭП, ЭГЭ и ЭГС. Основной недостаток метода — значительный перепад температуры между поверхностями тепловыделяющего элемента и эмиттером, достигающий иногда 1000 °C. Обычно нагреватели эксплуатируются при весьма высоких температурах, что резко снижает их ресурс и надежность. Поэтому к материалу и конструкции нагревателя предъявляются повышенные требования. Значительные тепловые потери сказываются и на КПД системы нагрева. В ряде случаев энергоемкость нагревательного элемента становится недостаточной для работы в области повышенных температур.
Эффективным оказался комбинированный нагрев излучением и электронной бомбардировкой (электронно-лучевой способ), при котором на эмиттер передаются тепловые потоки значительно большие, чем при нагреве только излучением. Стабилизированный устойчивый электронно-лучевой нагрев ТЭП, ЭГЭ или ЭГС цилиндрической геометрии с помощью коаксиального нагревателя и приложенного к зазору ускоряющего напряжения возможен лишь в области объемного заряда Это сужает преимущества рассмотренного метода. Переход в режим токов насыщения приводит к лавинообразным пробойным явлениям и, как следствие, к неустойчивости системы нагрева вследствие нестабильности тока эмиссии (электронной бомбардировки) из-за лучистой связи между эмиттером и нагревателем. Для заданного температурного режима постоянство тока эмиссии должно обеспечиваться системой автоматического регулирования (САР) путем отработки сигнала погрешности изменения мощности накала. Таким структурным построением удается добиться достаточного запаса устойчивости САР, упрощения процесса управления нагревом, а также оптимального перераспределения передаваемых на эмиттер слагаемых суммарной мощности нагрева (электронная и лучистая составляющие) и значительного повышения КПД. Схема такой системы нагрева приведена на рис. 2.34.
Обеспечение температурного режима коллекторного узла значительно проще, так как датчик температуры можно расположить непосредственно на объекте регулирования. Поэтому применяют САР, построенную на принципе комбинированного регулирования (по отклонению и возмущению).
Для регулирования температуры цезиевого термостата наиболее предпочтительна (в отношении достижения заданного качества САР) схема с электронагревом термостата и дополнительным контуром с регулируемым воздушным охлаждением его корпуса.
Для снятия ВАХ используются два типа эквивалентных электрических нагрузок: резисторная и транзисторная. Первая выполнена в виде параллельно включенных резисторов низкого сопротивления с номиналами активных сопротивлений в пределах исследуемых выходных характеристик ЭГС. Транзисторная нагрузка представляет собой мощный составной каскад из сильноточных параллельно включенных транзисторов. Устройство позволяет формировать постоянную составляющую и импульсы тока в выходной цепи ЭГС, обеспечивая измерение энергетических параметров в трех квадрантах функциональной зависимости I = f(V) статическим и импульсными методами. При ручном управлении током с помощью резисторной нагрузки набор заданного сопротивления в цепи ЭГС осуществляется коммутацией отдельных резисторов и их комбинацией.
Рис. 2.34. Принципиальная схема системы стабилизации мощности комбинированного нагрева эмиттера ТЭП, макета ЭГЭ или одноэлементной ЭГС при проведении ресурсных испытаний
Выполнение этих операций в автоматическом режиме с плавной регулировкой осуществляется схемой, формирующей сигналы управления от двоичного реверсивного счетчика. Электронные устройства управления током ЭГС, нагруженного на транзисторную нагрузку, содержат узлы ручного управления (переменный резистор) и автоматического (цифроаналоговый преобразователь и реверсивный счетчик) управления. В динамическом режиме — модуляторами устройства управления и транзисторной нагрузкой в выходной цепи формируются пакеты амплитудно-модулированных прямоугольных импульсов, инициирующих прохождение тока как в прямом (эмиттер — коллектор), так и обратном (коллектор — эмиттер) направлениях.
Рис. 2.35. Принципиальная схема устройства измерения ВАХ макета ЭГЭ или одноэлементной ЭГС при проведении ресурсных испытаний
Использование схемы с двумя модуляторами позволяет изменять рабочий ток от установленного постоянного значения до напряжения холостого хода и тока короткого замыкания. При измерениях в статике сигналы непосредственно с потенциальных выводов ТЭП, ЭГЭ или ЭГС и соответствующих шунтов через развязывающие устройства подаются на измерительные приборы. В режиме динамических измерений импульсы тока и напряжения с выходов развязывающих усилителей поступают на аналоговые запоминающие устройства, преобразуются в постоянные сигналы и далее измеряются цифровыми приборами. Предусматривается запись ВАХ на координатный самописец, а также индикация на экране осциллографа. Схема устройства измерения ВАХ приведена на рис 2.35.
Измерение электрического сопротивления эмиттера в одноэлементной ЭГС допускается для конструкции с раздельными токовыводами от верхнего и нижнего концов эмиттера, к которым подключается источник компенсирующего напряжения транзисторной нагрузки. Ток и падение напряжения измеряются цифровыми приборами. Контроль межэлектродной изоляции выполняется подключением к рабочему зазору источника постоянного напряжения.
Упрощенная блок-схема исследовательско-испытательного комплекса с подсистемами имитационного воспроизведения температурных и энергетических режимов макетов ЭГЭ и одноэлементных ЭГС представлена на рис. 2.36. Комплекс созданной аппаратуры ориентирован на параллельную работу с двумя испытываемыми объектами (ТЭП, ЭГЭ или одноэлементной ЭГС) при их длительном исследовании или ресурсных испытаниях под управлением резисторных эквивалентов нагрузки РН1 и РН2, а также на проведение последовательной диагностики в режиме оптимизации выходных характеристик каждой из двух ЭГС под управлением транзисторного эквивалента нагрузки TH. Отметим, что разработанная система может быть использована и при проведении петлевых реакторных испытаний ЭГС.
Основные характеристики исследовательско-испытательного комплекса, следующие:
Число исследуемых ЭГС, шт: последовательно ......... 2
параллельно ............................................................ 2
Рабочий ток. А:
эмиттер-коллектор ............................................................. 0-450
коллектор-эмиттер ................................................. 0-150
Рабочее напряжение, В в режиме исследований ............ 0-10
в режиме испытаний ............................................... 0-2
Погрешность измерения ВАХ, % ........................... ±2
Диапазон регулируемых температур, °C..................................... 0-600
Погрешность регулирования температур,............ °C ±1
Рис. 2.36 Блок-схема исследовательско-испытательного комплекса с подсистемами имитационного воспроизведения температурных и энергетических характеристик макетов ЭГЭ и одноэлементных ЭГС
