ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА Российский патент 1994 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для накопления электрической энергии в индуктивном накопителе с последующей передачей накопленной энергии в нагрузку в виде единичного импульса тока. Генератор может применяться для питания ускорителей, лазеров, плазмотронов, электрогидравлических нагрузок и т.д.

Известен генератор импульсов тока на основе индуктивного накопителя, содержащий однофазный ударный генератор, подключенный через тиристор к индуктивному накопителю, вентиль, быстродействующий размыкатель и нагрузку [1].

Недостатком такого устройства является то, что в период накопления энергии в индуктивном накопителе происходит размагничивание ударного генератора под действием реакции якоря, его внутренняя ЭДС уменьшается, следовательно, снижается уровень энергии, запасаемой в накопителе и переданной в нагрузку. Другим недостатком такого устройства является наличие быстродействующего размыкателя, разрывающего шунтирующую цепь индуктивного накопителя в момент передачи накопленной энергии в нагрузку.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство зарядки индуктивного накопителя энергии, содержащее однофазный ударный генератор, подключенный через тиристор к индуктивному накопителю, вентиль, быстродействующий размыкатель и нагрузку, в котором для компенсации размагничивающего действия реакции якоря на часть витков статорной обмотки через коммутатор подключена конденсаторная батарея [2].

Недостатком такого устройства является наличие быстродействующего размыкателя, при срабатывании которого запасенная в накопителе энергия перебрасывается в нагрузку. Быстродействующий электродинамический размыкатель является сложным и дорогостоящим устройством, сравнимым по габаритам с индуктивным накопителем.

Срабатывание размыкателя в момент перехода ЭДС генератора через нулевое значение и в момент максимума тока сопровождается возникновением дуги, которую необходимо гасить и которая затягивает процесс коммутации, что приводит к дополнительным потерям передаваемой в нагрузку энергии. Кроме того, разрыв токовой цепи сопровождается броском перенапряжения, в 5-10 раз превышающим номинальное значение ЭДС генератора, что требует увеличения класса напряжения тиристоров и вентилей, а также усиления изоляции обмоток индуктивного накопителя и генератора.

Следовательно, наличие в данной схеме быстродействующего размыкателя приводит к увеличению габаритов устройства и снижению надежности его работы.

Целью изобретения является увеличение мощности устройства, уменьшение габаритов и повышение надежности его работы.

Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем однофазный ударный генератор, подключенный через первый тиристор к индуктивному накопителю, конденсатор, подключенный через коммутатор на часть витков статорной обмотки, вентиль и сопротивление нагрузки, параллельно зажимам первого тиристора включены последовательно дополнительный конденсатор и второй тиристор таким образом, что минусовая обкладка дополнительного конденсатора подключена к аноду первого тиристора, а катод второго тиристора подключен к катоду первого тиристора, причем в точку соединения плюсовой обкладки дополнительного конденсатора и анода второго тиристора подключен катод третьего тиристора, анод которого образует общую точку с выходным зажимом индуктивного накопителя, обкладкой конденсатора и входным зажимом статорной обмотки генератора, параллельно индуктивному накопителю включен четвертый тиристор анодом к общей точке и ветвь, содержащая последовательно включенные сопротивление нагрузки и вентиль, анод которого подключен к общей точке.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства; на фиг. 2 - диаграммы напряжений и токов.

Устройство содержит (фиг. 1) однофазный ударный генератор 1, подключенный через первый тиристор 2 к индуктивному накопителю 3. На часть витков статорной обмотки генератора 1 подключен конденсатор 4 через коммутатор 5. Параллельно тиристору 2 включена ветвь с дополнительным конденсатором 6 и вторым тиристором 7. В зарядную цепь дополнительного конденсатора 6 включен третий тиристор 8. Параллельно индуктивному накопителю 3 включен четвертый тиристор 9 и ветвь с нагрузкой 10 и вентилем 11.

На фиг. 2 изображены графики изменения ЭДС (12) генератора, тока (13) генератора, тока (14) четвертого тиристора, тока (15) в нагрузке, тока (16) заряда, напряжения (17) и тока разряда (18) дополнительного конденсатора.

Устройство работает следующим образом. Генератор 1 приводится во вращение и возбуждается до номинальной ЭДС (12). В момент времени t₁ включается коммутатор 5, подключающий конденсатор 4 на часть витков статорной обмотки, и тиристор 2, подключающий генератор 1 к индуктивному накопителю 3. По цепи генератор 1 - тиристор 2 - накопитель 3 начинает протекать ток (13). В момент времени t₂, когда ЭДС генератора переходит нулевое значение и ток (13) начнет уменьшаться, срабатывает тиристор 9, шунтирующий накопитель 3. Через индуктивный накопитель 3 и тиристор 9 начинает протекать ток (14), а ток генератора (13) уменьшается до нуля в момент времени t₃, и тиристор 2 закрывается. В момент времени t₅ вновь срабатывает тиристор 2, ток генератора растет и в момент времени t₆ становится равным току (14) тиристора 9, при дальнейшем увеличении тока генератора ток тиристора 9 упадет до нуля и тиристор 9 закрывается. В момент времени t₇, когда ток генератора достигает максимума, вновь срабатывает тиристор 9, шунтирующий индуктивный накопитель 3. Таким образом идет процесс накопления энергии в индуктивном накопителе, осуществляемый за 10-30 периодов ЭДС 12 [1]. На фиг. 2 представлены всего лишь три периода ЭДС, что вполне достаточно для пояснения принципа работы устройства. Амплитуда импульса тока с каждым циклом накопления непрерывно увеличивается и может достичь значения тока внезапного короткого замыкания генератора, а энергия, запасаемая в индуктивном накопителе, может в несколько раз превышать электромагнитную энергию генератора. Например, при соотношении индуктивного сопротивления накопителя Х_н и ударного индуктивного сопротивления Х_уд генератора Х_н/Х_уд=8 в накопителе можно сосредоточить энергию, равную 3,75 энергии внезапного короткого замыкания генератора [1].

В момент времени t₄ на максимуме отрицательной полуволны ЭДС (12) генератора включается тиристор 8 и осуществляется заряд дополнительного конденсатора 6. На фиг. 2 показаны ток заряда (16) и напряжение (17) конденсатора 6. В момент времени t₈, когда ток генератора в очередной раз достигнет максимума, срабатывает тиристор 7, конденсатор 6 разряжается через индуктивный накопитель и статорную обмотку генератора (ток разряда (18)). При этом положительно заряженная обкладка конденсатора 6 подключается к катоду тиристора 2, что приводит к его быстрому запиранию. Цепь протекания тока генератора - генератор 1 - накопитель 3 - тиристор 2 - разрывается, и ток генератора падает до нуля (момент времени t₉). Так как тиристор 9 на последнем этапе не включается, энергия, запасенная в индуктивном накопителе, через вентиль 11 перебрасывается в нагрузку 10, формируя в ней импульс тока (15). Когда ток в нагрузке упадет до нуля, запирается вентиль 11, и в момент времени t₁₀, когда ЭДС генератора переходит нулевое значение, устройство возвращается в исходное состояние.

Включение тиристора параллельно индуктивному накопителю позволяет запасать энергию, передаваемую в накопитель от ударного генератора, и не включать шунтирующую цепь в момент передачи запасенной энергии в нагрузку, что в совокупности с включением ветви с нагрузкой и вентилем параллельно индуктивному накопителю позволяет осуществлять передачу накопленной энергии в нагрузку без применения быстродействующего размыкателя, что приводит к значительному уменьшению габаритов устройства и повышению КПД его работы.

Разряд предварительно заряженного дополнительного конденсатора в момент передачи энергии в нагрузку на тиристор, подключающий ударный генератор к индуктивному накопителю, позволяет уменьшить долю энергии, возвращаемую накопителем в генератор, и увеличить соответственно энергию, передаваемую в нагрузку, что приводит к увеличению мощности импульсов тока в нагрузке.

Примененные в устройстве решения позволяют создать компактное устройство, имеющее минимальное число коммутирующих элементов и не имеющее электродинамического размыкателя.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в источниках питания ускорителей, плазмотронов, лазеров и т.п. Генератор содержит однофазный ударный генератор 1, тиристоры 2, 7, 8, 9, индуктивный накопитель 3, конденсаторы 4, 6, коммутатор 5, нагрузку 10, вентиль 11. Передача энергии из накопителя 3 в нагрузку 10 осуществляется через вентиль 11 при выключенном тиристоре 9, при этом разряд конденсатора 6 на тиристор 2 в момент передачи энергии в нагрузку позволяет мощность импульсов тока в нагрузке. 2 ил.

ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА, содержащий однофазный ударный генератор, статорная обмотка которого через первый тиристор подключена к индуктивному накопителю, первый конденсатор, подключенный через коммутатор на часть витков статорной обмотки ударного генератора, вентиль и сопротивление нагрузки, отличающийся тем, что параллельно первому тиристору подключены последовательно соединенные второй конденсатор и второй тиристор таким образом, что минусовая обкладка второго конденсатора подключена к аноду первого тиристора, а катод второго тиристора подключен к катоду первого тиристора, к точке соединения плюсовой обкладки второго конденсатора и анода второго тиристора подключен катод третьего тиристора, анод которого образует общую точку с выходным зажимом индуктивного накопителя, обкладкой первого конденсатора и входным зажимом статорной обмотки ударного генератора, параллельно индуктивному накопителю подключен четвертый тиристор, анодом соединенный с общей точкой, и цепь, содержащая последовательно соединенные сопротивление нагрузки и вентиль, анодом соединенный с общей точкой.