ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ Российский патент 1994 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в электрогидравлических установках различного назначения, а также других устройствах, использующих разряд предварительно заряженного конденсатора на нагрузку.

Известен генератор импульсных токов (ГИТ) для электрогидравлических установок, содержащий высоковольтный источник постоянного напряжения, подключенный к накопительному конденсатору, к которому через коммутационный разрядник подключена нагрузка, представляющая собой разрядный промежуток в воде (авт. св. N 1173525, кл. Н 03 К 3/53). Недостатком этого устройства является низкая надежность, связанная с малым ресурсом разрядника при коммутации импульсных токов в сотни килоампер.

Широко известны также разрядники, применяемые в генераторах больших импульсных токов, в которых с целью повышения пропускной способности по току используется многоканальная коммутация.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является ГИТ, содержащий конденсаторную батарею, нагрузку, устройство поджига, многоканальный разрядник, один из основных электродов которого снабжен вспомогательными электродами, соединенными с основным электродом с помощью дросселей со взаимными индуктивными связями, а второй основной электрод выполнен с отверстиями, в которых установлены поджигающие электроды (авт. св. N 987735, кл. Н 01 Т 3/00).

Недостатками известного устройства являются низкая надежность его работы и малый ресурс разрядника, связанные с низкой надежностью многоканального срабатывания и высокой неравномерностью распределения тока по каналам при использовании в качестве нагрузки искрового промежутка в воде. Кроме того, необходимость введения поджигающих электродов соответственно числу формируемых каналов существенно усложняет конструкцию и также является фактором, ограничивающим ресурс разрядника.

Низкая надежность многоканального срабатывания разрядника при работе на подводный искровой промежуток связана с наличием паузы (так называемой, предпробойной стадии) между пробоем первого из параллельных искровых промежутков в разряднике и пробоем искрового промежутка в нагрузке, достигающей для неинициируемых подводных промежутков величины порядка 10^-4 -10^-3 с. В течение предпробойной стадии подводный искровой промежуток характеризуется сравнительно активным сопротивлением, порядка 10²-10³ Ом. После пробоя подводного искрового промежутка происходит быстрое снижение его активного сопротивления до величины порядка 10^-1 Ом.

В условиях работы на такую существенно нелинейную нагрузку после пробоя первого из искровых промежутков многоканального разрядника практически полное напряжение конденсаторной батареи падает на нагрузку, имеющую в предпробойный период высокое сопротивление, значительно превышающее реактивное сопротивление дросселя. Напряжение между основными электродами становится близким к нулю, поэтому формирования разряда в остальных промежутках не будет. Если же, в силу каких-либо причин, например, за счет увеличения мощности импульса управления или при работе вблизи статического пробивного напряжения разрядника, в момент подачи пускового импульса на поджигающие электроды пробивается несколько параллельных промежутков, то поддержать их в проводящем состоянии в течение всей предпробойной стадии невозможно. Это связано с отсутствием эффекта выравнивания скоростей нарастания тока по каналам в условиях апериодического характера разряда конденсаторной батареи на непробитый подводный промежуток, вследствие чего, к концу предпробойной стадии остается лишь один проводящий канал.

После пробоя водного искрового промежутка необходимым условием формирования разряда в других промежутках разрядника является сохранение достаточно большого искажения электрического поля в них за счет пускового импульса в течение всей предпробойной стадии. Это требует значительного увеличения мощности устройства поджига с тем, чтобы разряд, с одной стороны, не прекратился за время длительной предпробойной стадии, а с другой стороны, оставался достаточно мощным. Однако, даже при выполнении этих трудно реализуемых требований условия для формирования разряда в оставшихся непробитыми искровых промежутках оказываются неблагоприятными, что связано с ограничением создаваемого только за счет величины напряжения на конденсаторной батарее перенапряжения в промежутках, которое быстро снижается по мере формирования параллельных искровых каналов. Кроме того, первый из образовавшихся искровых каналов к концу предпробойной стадии оказывается настолько развившимся, а соответствующий дроссель (при использовании ферромагнитных сердечников) - насыщенным, что получить стабильную равномерность распределения тока по каналам - практически невозможно.

Цель изобретения - повышение надежности работы ГИТ при использовании в качестве нагрузки искрового промежутка в воде, упрощение конструкции и увеличение ресурса управляемого многоканального разрядника.

Поставленная цель достигается тем, что в известном ГИТ, содержащем конденсаторную батарею, нагрузку, управляемый многоканальный разрядник, по крайней мере, один из основных электродов которого снабжен вспомогательными электродами, соединенными с основным электродом с помощью дросселей со взаимными индуктивными связями, и устройство поджига, например, в виде многоступенчатого генератора импульсных напряжений (ГИН), выполненного по схеме Аркадьева-Маркса, в одной из крайних ступеней которого установлен управляемый запускающий разрядник, согласно данному изобретению, параллельно многоканальному разряднику включена цепь, состоящая из последовательно соединенных вспомогательного управляемого разрядника, подключенного к аноду многоканального разрядника, и токоограничивающего элемента, например, в виде дополнительного дросселя, индуктивность которого выбрана из соотношения
L<<L_доп<< L ≪ L_доп≪ , где L - индуктивность дросселей многоканального разрядника;
R - активное сопротивление водного промежутка в непробитом состоянии;
С - емкость конденсаторной батареи, при этом высокопотенциальный выход устройства поджига подключен к точке соединения вспомогательного разрядника и токоограничивающего элемента, низкопотенциальный выход устройства поджига подключен к катоду многоканального разрядника, к которому через резистор подключен также управляющий электрод запускающего разрядника, установленного в крайней ступени генератора импульсных напряжений, подключенной к точке соединения вспомогательного разрядника и токоограничивающего элемента, причем один из межэлектродных промежутков запускающего разрядника зашунтирован конденсатором, а параллельные искровые промежутки многоканального разрядника образованы каждым из вспомогательных электродов одного основного электрода с другим основным электродом или попарно с каждым из вспомогательных электродов другого основного электрода разрядника.

Первым существенным отличием устройства является цепь, включенная параллельно многоканальному разряднику, состоящая из последовательно соединенных вспомогательного управляемого разрядника и дополнительного дросселя, напряжение с которого через резистор подается на один из промежутков управляемого запускающего разрядника ГИН. Благодаря наличию этой цепи, с одной стороны-производится подача напряжения конденсаторной батареи на нагрузку без возникновения пробоя искровых промежутков многоканального разрядника, с другой стороны - осуществляется запуск устройства поджига в требуемый момент времени, а именно, в момент пробоя подводного искрового промежутка в нагрузке. В результате достигается идентичность условий развития всех образующихся каналов в параллельных искровых промежутках разрядника, способствующая равномерному распределению в них разрядного тока.

Вторым существенным отличием является подключение выходов устройства поджига: высокопотенциального - к точке соединения вспомогательного управляемого разрядника и дополнительного дросселя, низкопотенциального - к катоду многоканального разрядника. Такое подключение устройства поджига позволяет сформировать каналы разряда в параллельных искровых промежутках многоканального разрядника только за счет высоковольтного импульса поджига независимо от величины рабочего напряжения ГИТ.

Третьим существенным отличием предлагаемого устройства является то, что параллельные искровые промежутки многоканального разрядника образованы каждым из вспомогательных электродов одного основного электрода с другим основным электродом или попарно с каждым из вспомогательных электродов другого основного электрода разрядника. Благодаря этому существенно упрощается конструкция разрядника за счет устранения необходимости использования поджигающих электродов, присущих всем известным конструктивным решениям многоканальных разрядников.

На фиг. 1 представлена электрическая схема генератора импульсных токов; на фиг. 2 - временные диаграммы тока и напряжения на элементах схемы:
а) напряжение на конденсаторной батарее;
б) напряжение на дополнительном дросселе;
в) напряжение на конденсаторе, шунтирующем один из межэлектродных промежутков запускающего разрядника ГИН;
г) ток в разрядном контуре.

Предлагаемое устройство состоит из конденсаторной батареи 1, многоканального разрядника 2, нагрузки 3 в виде искрового промежутка в воде, устройства поджига 4 в виде многоступенчатого ГИН, выполненного по схеме Аркадьева-Маркса, в одной из крайних ступеней которого установлен управляемый запускающий разрядник 5.

Многоканальный разрядник 2 содержит два основных электрода 6 и 7, снабженных вспомогательными электродами 8 и 9, образующими параллельные искровые промежутки. Вспомогательные электроды 9 соединены с основным электродом 6 с помощью дросселей 10 со взаимными индуктивными связями, которые реализуются любым из известных способов.

Параллельно многоканальному разряднику 2 включена цепь, состоящая из последовательно соединенных вспомогательного разрядника 11, подключенного к аноду 6 многоканального разрядника 2, и токоограничивающего элемента, например, в виде дополнительного дросселя 12. В качестве токоограничивающего элемента может использоваться также резистор, либо сочетание резистор-дроссель, причем сопротивление резистора должно быть значительно меньше сопротивления непробитого подводного промежутка в нагрузке 3. К точке соединения разрядника 11 и дросселя 12 подключен высокопотенциальный выход устройства поджига 4, а его низкопотенциальный выход подключен к катоду 7 многоканального разрядника 2. К катоду 7 подключен также управляющий электрод запускающего разрядника 5, установленного в крайней ступени генератора импульсных напряжений 4, подключенной к точке соединения вспомогательного разрядника 11 и дополнительного дросселя 12. Один из межэлектродных промежутков запускающего разрядника 5, например, (фиг. 1) зашунтирован конденсатором 14. Питание устройства поджига 4 осуществляется от отдельного источника 15 или от источника зарядки конденсаторной батареи 1 через зарядный резистор (на чертеже не показаны). Запуск вспомогательного управляемого разрядника 11 осуществляется от генератора пусковых импульсов 16.

Генератор импульсных токов работает следующим образом. Происходит зарядка конденсаторной батареи 1 до рабочего напряжения U_о. Одновременно конденсаторы устройства поджига 4 заряжаются до напряжения источника питания 15. Полярность зарядки конденсаторной батареи 1 и конденсаторов устройства поджига 4 указана на фиг. 1. После подачи от генератора пусковых импульсов 16 высоковольтного импульса управления на управляющий электрод вспомогательного разрядника 11 (момент времени t_о), последний пробивается, и напряжение конденсаторной батареи 1 через вспомогательный разрядник 11 и дополнительный дроссель 12 прикладывается к нагрузке 3. Так как активное сопротивление дополнительного дросселя 12 намного меньше активного сопротивления подводного промежутка нагрузки 3 в непробитом состоянии, то дроссель 12 практически не оказывает влияния на условия пробоя подводного искрового промежутка.

Индуктивность дросселя 12 выбрана из условия
L<<L_доп<< L ≪ L_доп≪ , где L - индуктивность дросселей многоканального разрядника;
R - активное сопротивление водного промежутка в непробитом состоянии;
С - емкость конденсаторной батареи.

Такой выбор обеспечивает, во-первых, апериодический характер разряда конденсаторной батареи 1 через вспомогательный разрядник 11 и дополнительный дроссель 12 на нагрузку 3 до момента пробоя подводного искрового промежутка в нагрузке 3; во-вторых, быстрый спад напряжения на дополнительном дросселе 12 после пробоя вспомогательного разрядника 11 (фиг. 2, б, диаграмма напряжения U_др на дополнительном дросселе 12 за время предпробойной стадии t₀-t₂); в-третьих, максимальное ограничение разрядного тока через вспомогательный разрядник 11 (L<<L_доп) после пробоя многоканального разрядника 2.

В течение интервала времени t₀-t₁, пока на вспомогательном дросселе 11 напряжение положительное, осуществляется зарядка конденсатора 14 с полярностью, указанной на фиг. 1 (фиг. 2, в, диаграмма напряжения U_с на конденсаторе 14). Скорость зарядки определяется постоянной времени цепи конденсатор 14 - резистор 13, которая выбирается таким образом, чтобы максимальная величина напряжения на конденсаторе 14, достигаемая за время t₀-t₁, в сумме с напряжением на конденсаторе в крайней ступени ГИН устройства поджига 4 не превышала электропрочности U₂ искрового промежутка анод-управляющий электрод запускающего разрядника 5. Это обеспечивает отсутствие срабатывания устройства поджига 4 в течение всей предпробойной стадии t₀-t₂.

В случае шунтировки конденсатором 14 другого межэлектродного промежутка запускающего разрядника 5 скорость его зарядки в интервале t₀-t₁ определяется постоянной времени цепи конденсатор 14 - резистор 13 - зарядный резистор в крайней ступени ГИН, содержащей разрядник 5. Величина этой постоянной времени выбирается с учетом изложенных выше соображений. Картина происходящих переходных процессов в данном варианте схемы аналогична изложенному ниже.

За время предпробойной стадии в результате апериодического разряда конденсаторной батареи 1 напряжение на ней постепенно снижается (фиг. 2, а, диаграмма напряжения U_б на конденсаторной батарее 1). После пробоя подводного искрового промежутка в нагрузке 3 (момент времени t₂) практически полное напряжение U₁, оставшееся на конденсаторной батарее 1, прикладывается к дополнительному дросселю 12. Кривая изменения напряжения на нем после пробоя подводного промежутка представлена на фиг. 2, б пунктирной линией. При этом происходит зарядка конденсатора 14 до величины напряжения на дросселе 12. В момент времени t₃, когда сумма напряжений на конденсаторе в крайней ступени ГИН устройства поджига 4 и на конденсаторе 14 достигнет величины пробивного напряжения U₂ искрового промежутка анод-управляющий электрод запускающего разрядника 5, последний пробивается; последовательно срабатывают разрядники устройства поджига 4 и на входе устройства поджига 4 возникает импульс высокого напряжения. Это напряжение прикладывается к дополнительному дросселю 12 и через пробитый вспомогательный разрядник 11 - к основным электродам 6, 7 многоканального разрядника 2. Так как индуктивность дросселя 12 сравнительно велика, то дроссель 12 практически не оказывает шунтирующего действия на генерируемый устройством поджига 4 импульс высокого напряжения. Под действием высоковольтного импульса поджига происходит дозарядка паразитных емкостей между вспомогательными электродами 8, 9 или конденсаторов, шунтирующих параллельные искровые промежутки (на чертеже не показаны), которые могут быть использованы с целью уменьшения скорости спада напряжения на межэлектродных промежутках по мере формирования параллельных искровых каналов. Зарядка происходит до напряжения, определяемого электропрочностью межэлектродных промежутков разрядника 2 с учетом их времени запаздывания пробоя и скорости нарастания напряжения и достигающего величины, превышающей статическое пробивное напряжение этих промежутков.

После пробоя одного из искровых промежутков между вспомогательными электродами 8, 9, на соответствующем дросселе 10 падает практически полное напряжение, генерируемое устройством поджига 4. Это напряжение трансформируется на соседние дроссели, вызывая дальнейшее увеличение перенапряжения в остальных зазорах между вспомогательными электродами 8, 9 и их последующий пробой.

После пробоя импульсом поджига параллельных искровых промежутков многоканального разрядника 2 по ним начинает протекать колебательный ток разряда конденсаторной батареи 1 на пробитый подводный искровой промежуток в нагрузке 3 (на фиг. 2, г, диаграмма разрядного тока i_p). Вследствие малого разброса по времени пробоя параллельных искровых промежутков, условия развития в них каналов разряда идентичны. Возникающая же в силу каких-либо причин несимметрия нарастания тока по каналам устраняется за счет взаимных индуктивных связей между смежными дросселями 10, благодаря которым в дросселях, соответствующих промежуткам с меньшей скоростью нарастания тока, наводится электродвижущая сила, выравнивающая скорости нарастания тока в каждом канале. В результате достигается высокая равномерность распределения тока по каналам.

Таким образом, в предлагаемом генераторе импульсных токов, содержащем в разрядном контуре конденсаторную батарею, многоканальный разрядник и нагрузку в виде искрового промежутка в воде, обеспечивается высокая надежность работы, недостижимая при использовании любых других известных вариантов конструктивного исполнения разрядника и схем запуска. Введение цепи, подключенной параллельно многоканальному разряднику и содержащей последовательно соединенные вспомогательный управляемый разрядник и токоограничивающий элемент, например, в виде дросселя, дает возможность осуществить подачу напряжения на нагрузку и обеспечить протекание тока через нее в течение предпробойной стадии при сохранении непробитого состояния параллельных искровых промежутков многоканального разрядника до подачи на него импульса поджига. Подключение устройства поджига параллельно токоограничивающему элементу и подключение управляющего электрода запускающего разрядника ГИН, один из межэлектродных промежутков которого зашунтирован конденсатором, через резистор к катоду многоканального разрядника позволяет, с одной стороны, обеспечить отсутствие запуска устройства поджига в течение всей предпробойной стадии формирования канала разряда в воде; с другой стороны, осуществить пробой параллельных искровых промежутков многоканального разрядника в требуемый момент времени, а именно, после пробоя искрового промежутка в воде. Практически одновременное формирование высоковольтным импульсом поджига параллельных искровых каналов и идентичность условий их развития в сочетании с наличием взаимных индуктивных связей между дросселями многоканального разрядника позволяет достичь высокой равномерности распределения тока по каналам. Отсутствие управляющих электродов существенно упрощает конструкцию разрядника по сравнению с известными конструктивными решениями многоканальных разрядников и в совокупности с обеспечением надежной многоканальной коммутации и достижением высокой равномерности распределения тока по каналам способствует увеличению его ресурса и ресурса ГИТ в целом.

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в электрогидравлических установках различного назначения, а также других устройствах, использующих разряд предварительно заряженного конденсатора на нагрузку. Генератор импульсных токов содержит конденсаторную батарею 1, нагрузку 3, многоканальный разрядник 2, содержащий два основных электрода 6, 7, снабженных вспомогательными электродами 8, 9, образующими параллельные искровые промежутки. Вспомогательные электроды 9 соединены с основным электродом 6 с помощью дросселей 10 со взаимными индуктивными связями. Параллельно разряднику включена цепь, состоящая из последовательно соединенных вспомогательного управляемого разрядника 11, подключенного к аноду 6 многоканального разрядника 2, токоограничивающего элемента, например, в виде дополнительного дросселя 12, устройство поджига выполнено в виде генератора импульсных напряжений по схеме Аркадьева-Маркса. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ, содержащий последовательно включенные в замкнутую цепь емкостный накопитель, управляемый многоканальный разрядник, нагрузку, блок поджига, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности при работе, на нагрузку в виде искрового промежутка в жидкости параллельно многоканальному разряднику подключена цепь из последовательно включенных дополнительного управляемого разрядника, одним электродом подключенного к одному электроду управляемого многоканального разрядника, и токоограничивающего элемента, одним электродом подключенного к другому электроду управляемого многоканального разрядника, параллельно токоограничивающему элементу подключены блок поджига и цепь из последовательно включенных резистора и конденсатора, блок поджига выполнен в виде многоступенчатого генератора импульсных напряжений по схеме Аркадьева-Маркса, содержащего в одной из крайних ступеней управляемый коммутатор, управляющий электрод которого подключен к точке соединения указанных резистора и конденсатора. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что один или оба основных электрода управляемого многоканального разрядника снабжены вспомогательными электродами, каждый из которых подключен к соответствующему основному электроду через дроссель, индуктивно связанный с дросселями смежных вспомогательных электродов. 3. Генератор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что токоограничивающий элемент выполнен в виде дросселя, индуктивность которого выбрана из соотношения
L << L_др << R²C/4,
где L - индуктивность каждого из вспомогательных дросселей многоканального разрядника;
R - активное сопротивление непробитого искрового промежутка в жидкости;
C - емкость емкостного накопителя.