Введение к работе
Актуальность проблемы. Вгаяейтш направ летаем развития народного хозяйства является всеыэрноэ ускорение научно-технического прогресса и создание новой техники на выспви мировом уровне. С учетом этого, к современным отечественным радиотехническим устройствам и срадотмм связи предъявлены требования расширэкня диапазона рабочих частот, по-вшения излучаемой мощности, надеяности работы, скорости перестройки частоты и обеспечения скрытности настройки при уменьшении потерь мощности высокой частоты, массы и габаритов. Их реализация невозможна без высокочастотных приборов коммутации, которые во многом определяет параметрические и эксплуатационные возможности современной радиотехнической и связной аппаратуры.
Воздушные и газонаполненные высокочастотные приборы коммутации не позволяют выполнить в совокупности перечисленные выше требования. Использование вакуума в качестве диэлектрика между разомкнутыми контактами привело к созданию вакуумных приборов коммутации (ВПК), которые обладают лучшей совокупностью характеристик в сравнении с воздувнши и газонаполненными на одинаковые параметры и условия эксплуатации.
Выпускавшиеся к началу данной работы отечественные ВТК были рассчитаны на применение в диапазоне частот до 1 МГц при напряжении до 1 кБ, токе до 15 А и имели больше габариты и кассу, малое быстродействие и больное потребление электроэнергии на управление. Им были характерны болыше индуктивность и емкости, низкая устойчивость к воздействию механических нагрузок. Развитие радиоэлектронной техники потребовало существенного (на 1-2 порядка) улучиения основных характеристик ВПК. Фактически возникла необходимость создания качественно нового класса отечественных высоковольтных электровакуумных приборов - высокочастотных вакуумных приборов коммутации (ВВПК).
Исследование выполнено в соответствии с комплексными межотраслевыми программами "Разряд", "Разряд-80", "Разряд-85" и "Разряд-80" по министерству электронной промышленности и планами научно-исследовательского института электронно-механических приборов в период с 1884 г. по 1994 г. в обеспечение разработок и комплектации новейших радиотехнических объектов и средств связи ряда научных организаций и предприятий министерства промышленных средств связи, министерства судостроительной промышленности и шнистерства связи (гг. Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Самара, Тамбов, Севастополь, Иркутск, и др.).
Целью диссертационной работы являлось установление основных факторов и физических процессов, ограничивающих частоту, пропускавши ток, электропрочность и долговечность ВВПК и изыскание высокоэффективных способов их повшения; разработка основ проектирования и расчета
4 и создание серийных отечественных ВВПК, удовлетворяпвдх требовании, предъявляемый к современной радиотехнической и связной аппаратуре.
Цель достигалась решением следующие задач:
- аналитическое установление взаимосвязи сопротивления и индуктивности замкнутых контактов ВВПК на высокой частоте, межэлектродных емкостей и пропускаемого тока высокой частоты с геометрическими размерами токопроводников и контактов, обработкой их поверхностей, физическими константами материалов и контактным нажатием;
определение и исследование физических процессов и факторов, ограничивающих рабочую частоту, пропускаемый ток, электрическув прочность и надежность работы ВВПК;
поиск и исследование конструктивно-технологических путей снижения сопротивления замкнутых контактов на высокой частоте, их индуктивности и межэлектродных емкостей до величин, обеспечивающих работу ВВПК на частотах до 100 МГц при токах до 500 к',
изыскание и исследование способов обеспечения высокой электрической прочности ВВПК на рабочее напряжение до 50 кБ и ее стабильности при длительной эксплуатации;
поиск и исследование методов повышения надежности контактирования и долговечности ВБІК;
изыскание и разработка основ проектирования и методов расчета ВВПК для СВ, KB и УКВ диапазонов радиочастот по заданным техническим требованиям;
разработка специфических для данного класса вакуумных приборов вопросов технологии их сборки и обеспечения качества, методов испытаний и контроля параметров при серийном производства;
разработка на основе результатов исследования и предложенных новых конструкторских и технологических решений базовых конструкций и технологий серийного производства и создание ряда ВВПК с расширенными диапазонами радиочастот (в несколько десятков КГц), пропускаемых го-ков до 500 А и рабочих напряжений до 50 кВ и внедрение их в серийное, производство.
Методы исследования. Математическими методами анализировалось прохождение тока высокой частоты через элементы контактной группы ВВПК и контактный переход в вакууме с учетом шероховатости поверхностей токопроводников. Эффективность предложеных в работе способов повышения предельной рабочей частоты и пропускаемого тока определялась по температуре нагрева элементов ВВПК, при изменении величины тока или его частоты с помощью мощной высокочастотной установки. При этом термоамперметром контролировалась величина тока высокой частоты, напряжение на ВВПК измерялось ккловольтметром и высокочастотным волы-
5 іетром с делителем напряжения, частота тока контролировалась электронным частотомером, а температура элементов изиерялась термопарным язме-ІИТ9Л6М температуры. Применялась рентгеяотелевизионная и оптическая икроскопчя. Проводились масспектроиетрические измерения. Электрнче-кие пробои регистрировались электронным счетчиком пробоев и путей сциллографирования. Сопротивление цепи замкнутых контактов и межэлек-родаые емкости измерялись методом непосредственного отсчета с использовании электрошок цифрових омметров И мостов.
Научная новизна полученных в работе результатов заключается в сле-увщем:
- аналитически установлена взаимосвязь полного сопротивления замкку-ых контактов на высокой частоте и пропускаемого тока высокой частоты геометрическими размерами токопроводников и контактов, микрогеоме-ріей их тошфоводявдх поверхностей, физическими константами матера-лов и контактным нажатием, что позволило определить основные направ-вния повышения допустимого тока и рабочей частсты, разрешающие про-вворечие, в соответствии с которым увеличение поперечного сечей?? исокочастотного токопроводаика снижает индуктивность и сопротивление, о одновременно увеличивает еикости, массу и габариты приборов;
- впервые предложен комлекс реиений, обеспечивающих существенное по-
ашение предельной рабочей частоты (до 100 ЫГц) и допустимого тока (до
DO А), в основе которых лежат: увеличение эффективного рабочего сече-
ия на высокой частоте выполнением пазов и разрезов вдоль образующей
илиндрических и трубчатых токопроводников, применение многоконтакт-
« элементов и пакетированного контактного мостика, профилирование
энтактных элементов, разделение функций высочастотного токопроводаика
гибкого силового элемента вакуумной оболочки;
разработаны новые методы повышения злектропрочности специфических і конструкции вакуумных промежутков ВБПК путем тренировки их разно-зляркыми импульсами при повышенной температуре; со срезающим разряд-ком, который устраняет возникающие после пробоя перенапряжения; пу-зм сближения контактов при неизменном напряжении на неконтактном заїре и зажиганием между контактами при тренировке слаботочного высок-шьтного вакуумного разряда;
впервые доказано, что надежность контактирования БВПН, в основном, раничивается такими факторами, как недостаточная площадь реально ко-гактирущих участков и диффузионное сваривание контактов и подвижных італей электромагнитной системы управления, работающих в вакууме при жышенных механических и термических нагрузках. Предложены наизвест-іе ранее способы устранения ограничений, которые заключается в примените многокоятактных элементов; выполнении контактов из материалов
с различной твердость!); установлении контактного нажатия по разности напряжения отпускания якоря-до и после установки оболочки с высоково льтньши выводами или по времени дребезга контактов; покрытии контактирующих поверхностей молибденом (вольфрамом) с никелем или без него а работавших в вакууме подвижных деталей электромагнита окисью хрома и выполнении оси вращения из диэлектрика.
Новизна результатов работы подтверждена 39 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
Основные научные положения, выносимые на защиту, і. Эффективными способами повышения рабочей частоты и пропускаемого тока ВВПК являются: выполнение контактных элементов в виде стер; ней с продольными пазами или тонкостенных цилиндров с продольными ра: рвзами, разделение функций высокочастотного токопроводника и гибкого силового элемента вакуумной оболочки, специальное профилирование тор цевых поверхностей контактирующих стераней, применение многоконтакти элементов и пакетированного контактного мостика.
-
Наиболее качественная высоковольтная тренировка ВВПК обеспечивается при напряжении, близком к рабочему, путем существенного (в не< колько раз) уменьшения зазора между контактами и кратковременного (д< сятки секунд) зажигания слаботочного (единицы миллиампер) вакуумного разряда.
-
Для обеспечения высокой надежности контактирования и долговечности ВВПК необходимо применять специальные способы, направленные на уїеличение реальной контактирующей поверхности контактов и предотвращение диффузионного сваривания контактов и подвижных деталей системы управления, работающих в высоком вакууме при больших локальных механических нагрузках. Наиболее эффективными решениями являются: применение ыногоконтактных элементов; изготовление контактов из разнородных металлов, один из которых легче подвергается пластической деформации; установление контактного нажатия по разности напряжения отпускания якоря в нагруженном и кенагруженном состоянии или по времени дребезга контактов; выполнение оси вращения и? диэлектрика; покрытие контактов молибденом с никелем, а поверхностей подвижных и соприкасающихся деталей электромагнита окисью хрома.
Практическая ценность диссертации состоит в том, что в результате исследования разработаны и успешно используются:
принципы и алгоритм проектирования ВВПК для СВ, КБ и УКВ диапазонов радиочастот по заданным техническим требованиям;
методы расчета основных элементов; взаимосвязи тока с частотой, давлением и температурой окружающей среды; контактного нажатия и те-
7 рмического режима работы ВВШ; электромагнитной системы управления, а также ряда основных параметров на всех этапах проектирования ВВПК;
способы повышения на высокой частоте токопропускной способности проводников и контактного перехода в вакууие, разгрузки силовых элементов от тока высокой частоты и в применении этих способов для повышения рабочей частоты и увеличения пропускаемого тока ВВГМ;
способы высоковольтной тренировки межконтактного зазора, вакуум-но-термической обработки и обезгаживания контактов для обеспе'.'зния и сохранения высокой электропрочноста ВВПН при длительной эксплуатации;
метода стабильной передачи усилия к контактам от электромагнита;
способы сборки, контроля и обеспечения качества, метода испытаний и технологии серийного производства созданного ряда ВВПК;
мощные вакуумные выключатели В7В-І и В9В-І на напряжение 25 и
20 кВ и пропускаемый ток 50 и 60 А на частоте ЗО МГц и малогабаритные со встроенным электромагнитом вакуумные выключатели и переключатели ВіВ-1 (В1Д-1), В2В-І, ІИД-І, П1В-1, П1Д-2 и П1Д-3 на напряжение до 5,6 кВ, пропускаемый ток до 15 А на частоте 30 МГц с рабочим диапазоном частот до 80 МГц.
Реализация результатов диссертационной работы в промышленности. Результаты настоящего исследования использованы в 14 НИР и 13 ОКР, выполненных по категории важных. Выработанные на основе исследования принципы проектирования и расчета ВВПК по заданным техническим требованиям; рекомендации по выбору материалов и покрытий контактов; метода повышения рабочей частоты, пропускаемого тока высокой частоты и электропрочности; способы обеспечения стабильности параметров при длительной эксплуатации применены при разработке конструкций и технологий изготовления всех созданных и серийно выпускаемых отечественных ВВПК (В1В-І, В2В-І, В7В-1, П1Д-1, П1В-І, П1Д-2, П1Д-3, П2Д-2 и др.).Экономический зффект от внедрения результатов работы в ценах 1991 г. составил 3,1 шн.руб. Акты о внедрении и практическом использовании полученных результатов исследования приведены в приложениях к диссертации.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы прошли апробацию при разработке конструкций и технологии изготовления разработанных в работе 10 типов ВВПК, при серийном их производстве и длительной эксплуатации в радиотехнических объектах специального и народнохозяйственного назначения.
Публикации. Материалы, отраяавдш основное содержание диссертации опубликованы в монографии, 2 обзорах, 15 статьях, 39 авторских свидетельствах и патентах на изобретения, 14 отчетах по научно-исследовательским и 13 отчетах по опытно-конструкторским работай.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5
8 гжав, заключения, списка литературы из 339 наименований и 3 приложений. Работа содержит 322 страницы машинописного текста, 138 рисунков и 18 таблиц.
