ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике, к мощным импульсным источникам питания для электрофизической аппаратуры, преимущественно импульсно-периодических сильноточных ускорителей заряженных частиц прямого действия.

Известен импульсный источник питания, содержащий встроенный в фомирующую линию импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, две части которого являются внешним и внутренним проводниками линии, а первичная и вторичная обмотки трансформатора размещены в промежутке между проводниками формирующей линии ("Источник импульсов, работающий при напряжении 300 кВ, частоте 100 Гц со средней мощностью 30 кВт", "Operation of a 300-kV, 100-Hz, 30-kW average power pulser", M.T.Buttram, G.J.Rohwein, "IEEE Trans. on Electr. Devices", vol;. ED-26, No 10, october 1979, p. 1503-1508, fig. 7).

При разряде формирующей линии указанного источника импульсного питания на низковольтной первичной обмотке возникает потенциал, величина которого пропорциональна расстоянию между внешним проводником линии и этой обмоткой. Например, в импульсном источнике с выходным напряжением на вторичной обмотке 1000 кВ при величине промежутка между проводниками формирующей линии 70 мм и расстоянии от внешнего проводника линии до первичной обмотки 3 мм на низковольтной первичной обмотке с рабочим напряжением 1 кВ возникает высокое напряжение с амплитудой 42 кВ, действующее в течение длительности формируемого импульса. Имеющиеся изоляционные материалы не обеспечивают удержание такого потенциала при толщине изоляции до 3 мм. Происходит пробой изоляции между внешним проводником формирующей линии и первичной обмоткой, а также выход из строя низковольных элементов, напимер тиристоров и конденсаторов, расположенных в цепи низковольтной первичной обмотки. То есть, недостатком указанного известного устройства является ограничение величины высокого напряжения.

Ближайшим к изобретению является импульсный источник питания, содержащий расположенные в корпусе коаксиальную формирующую линию и импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, внешняя часть которого расположена на внутренней поверхности корпуса, а внутренняя является внутренним проводником формирующей линии, причем первичная обмотка трансформатора расположена между внешней частью магнитопровода и внешним проводником формирующей линии, выполненным из фольгового материала и электрически соединенным с корпусом с одной стороны, а вторичная обмотка трансформатора размещена между внешним и внутренним проводниками линии (Загулов Ф.Я. и др. Импульсный сильноточный наносекундный ускоритель электронов с частотой срабатывания до 100 Гц. - "Приборы и техника эксперимента", 1976, N 5, с.18-20, рис.2).

Недостаток прототипа заключается в том, что выполненный из фольги внешний проводник формирующей линии, расположенный между первичной и вторичной обмотками трансформатора, замкнутый с корпусом с одной стороны, создает емкостную связь между обмотками трансформатора. В этих условиях при разряде формирующей линии на нагрузку часть разрядного тока протекает между корпусом и внешним проводником линии и на первичной обмотке трансформатора, как в устройстве-аналоге, наводится высокий потенциал, вызывающий повышенные и недостижимые требования к электрической прочности изоляции и элеметов в цепи этой обмотки. Это препятствует повышению выходного напряжения источника импульсного питания.

Для устранения указанного недостатка в импульсном источнике питания, содержащем расположенные в корпусе коаксиальную формирующую линию и импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, внешняя часть которого расположена на внутренней поверхности корпуса, а внутренняя является внутренним проводником формирующей линии, причем первичная обмотка трансформатора расположена между внешней частью магнитопровода и внешним проводником формирующей линии, соединенным с корпусом с одной стороны, а вторичная обмотка трансформатора размещена между внешним и внутренним проводниками линии, внешний проводник формирующей линии соединен с корпусом с другой стороны и выполнен в виде протяженных проводящих элементов, расположенных параллельно образующим проводников формирующей линии.

Импульсный источник питания отличается также тем, что на концах корпуса источника выполнены крючкообразные пазы, а протяженные проводящие элементы выполнены в виде проволоки, закрепленной S-образно в указанных пазах.

Импульсный источник питания отличается и тем, что крючкообразные пазы для зацепления проволоки выполнены на съемных кольцах, установленных на корпусе источника питания.

Кроме того, импульсный источник питания отличается тем, что по крайней мере одно из колец с крючкообразными пазами выполнено с возможностью перемещения вдоль корпуса источника.

Расположенный между частями разомкнутого магнитопровода внешний проводник формирующей линии, выполненный в виде системы протяженных проводящих элементов (например, стержней или проводов), замкнутых с корпусом источника с обеих сторон, кроме выполнения своей функции, одновременно обеспечивает защиту (экранирование) первичной обмотки от высокого напряжения, действующего на вторичной обмотке при разряде формирующей линии, путем замыкания тока разряда между внешним и внутренним проводниками линии. Снижаются требования к электрической прочности в цепи первичной обмотки, обеспечивается возможность повышения выходного напряжения импульсного источника питания.

На фиг. 1 приведен импульсный источник питания, общий вид; на фиг.2 - вид на крючкообразные пазы для закрепления и натяжения протяженных проводящих элеметов в виде проволоки.

Импульсный источник питания содержит (фиг.1) цилиндрический корпус 1, на внутренней поверхности которого размещена внешняя часть 2 разомкнутого магнитопровода импульсного трансформатора, к которой примыкает сравнительно низковольтная первичная обмотка 3 трансформатора, окруженная слоями 4 и 5 из изоляционного материала. Цепь первичного контура источника питания образована первичной обмоткой 3, соединенной через ввод 6 и тиристорный ключ 7 с параллельно соединенными накопительной емкостью 8 и источником 9 напряжения, вторые выводы которых соединены с корпусом 1 источника питания.

В варианте выполнения, изображенном на фиг.1, во фланцах 10 и 11 корпуса 1 выполнены крючкообразные пазы 12, на которых закреплена стальная или медная проволока 13, расположенная в пазах S-образно с натяжением, образующая внешний проводник формирующей линии источника питания. Размещение проволоки 13 S-образно с натягом в пазах 12 корпуса 1 может производиться путем ее навивки поочередно на пазы одного и другого фланца с приложением усилия для натяжения и/или в нагретом состоянии.

Центральные части 14 проволоки лежат на внутренней цилиндрической поверхности слоя 5 изоляционного материала. Боковые части 15 проволоки, находящиеся в промежутке между краями слоя 5 изоляционного материала и фланцами 10, 11 корпуса 1, расположены под некоторым небольшим углом (до 5-10^о) к их центральным частям. Указанное расположение проводников имеет место лишь в случае, когда расстояние от оси цилиндрического корпуса 1 до внутренней поверхности изоляционного слоя 5 меньше расстояния от этой оси до точки закрепления проволоки 13 в пазу 12. В противном случае проволока 13 расположена горизонтально на всем ее протяжении от фланца 10 до фланца 11 (фиг.2).

В центральной части корпуса 1 (фиг. 1) расположен внутренний проводник 16 формирующей линии с внутренней частью 17 разомкнутого магнитопровода. В пространстве между внешним проводником формирующей линии (проволока 13) и внутренним проводником 16 линии размещена на конусном изоляторе 18 высоковольтная вторичная обмотка 19 импульсного трансформатора, каждый из концов которой соединен с одним из проводников формирующей линии.

Вторичная обмотка импульсного трансформатора может быть выполнена и не на конусном, а, например, на цилиндрическом изоляторе (на чертеже не показано).

Нагрузкой формирующей линии и импульсного источника питания в целом является разрядник, одним из электродов которого служит конец внутреннего проводника 16 формирующей линии.

Последовательно соединенные вторичная обмотка 19 импульсного трансформатора, нагрузка и распределенная конструктивная емкость, имеющаяся между внешним и внутренним проводниками формирующей линии (на чертеже не показана), образуют цепь вторичного контура источника питания.

Корпус 1 заполняется средой с достаточной диэлектрической прочностью, требуемая величина которой прямо пропорциональна напряжению на вторичной обмотке импульсного трансформатора, обратно пропорциональна разнице диаметров внешнего и внутреннего проводников формирующей линии, а также зависит от некоторых других конструктивных параметров, например радиусов закруглений кромок пазов 12. В качестве указанной среды могут быть использованы, например, диэлектрические жидкости, в частности касторовое, трансформаторное масла.

Диаметр проволоки 13 и шаг ее размещения в пазах 12 выбираются из конструктивных и технологических требований, в частности возможности выполнения пазов 12, например, фрезерованием, а также из условия обеспечения достаточной прозрачности системы протяженных проводящих элементов для магнитного поля магнитопровода 2, 17 и необходимой степени экранирования первичной обмотки 3 от высокого напряжения на вторичной обмотке 19.

В других вариантах исполнения устройства (фиг.2) пазы 12 выполнены в съемных кольцах 20, 21. Кольцо 20 установлено в пазу 22 корпуса 1. Кольцо 21 расположено с возможностью перемещения вдоль корпуса 1. Оно размещено на ровной цилиндрической поверхности корпуса 1 и соединено винтами 23 с дополнительным кольцом 24, установленным в пазу 25 корпуса. Вращением винтов 23 обеспечивается перемещение кольца 21 и натяжение проволоки 13.

Протяженные проводящие элементы, представленные на фиг. 1, 2 проволокой 13, могут быть выполнены в виде металлических стержней, закрепленных между фланцами 10, 11 корпуса 1 и натянутых аналогично спицам велосипедного колеса (на чертеже не показано).

Импульсный источник питания работает следующим образом.

При разомкнутом тиристорном ключе 7 от источника 9 напряжения заряжается емкость 8. При включении ключа 7 накопленная в указанной емкости энергия перекачивается в формирующую линию. При этом в цепи первичного контура (емкость 8, тиристор 7, первичная обмотка 3) импульсного трансформатора течет меняющийся по величине ток разряда емкости 8. В разомкнутом магнитопроводе 2, 17, силовые линии, соединяющие между собой части 2 и 17 магнитопровода на участках между фланцами 10, 11 и краями первичной обмотки 3, проходят между проволоками 13. В процессе заряда конструктивной емкости линии растет напряжение на вторичной обмотке 19, то есть между проводниками линии. По достижении этим напряжением заданного значения происходит разряд формирующей линии на разрядник нагрузки. Возникающий при этом ток разряда распределенной конструктивной емкости линии течет по внешнему (проволока 13) и внутреннему 16 проводникам формирующей линии, а не по корпусу 1. Это обеспечивает требуемое экранирование первичной обмотки 3 от высокого напряжения, действующего на вторичной обмотке 19 импульсного трансформатора.

Использование изобретения обеспечивает создание импульсных источников питания с повышенным напряжением.

Область использования: изобретение относится к мощным импульсным источникам питания для электрофизической аппаратуры, преимущественно импульсно-периодических сильноточных ускорителей заряженных частиц прямого действия. Сущность изобретения: импульсный источник питания содержит корпус, импульсный трансформатор, разомкнутый магнитопровод, два слоя изоляционного материала, два фланца, M крючкообразных пазов, изолятор. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, содержащий расположенные в корпусе коаксиальную формирующую линию и импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, внешняя часть которого расположена на внутренней поверхности корпуса, а внутренняя является внутренним проводником формирующей линии, причем первичная обмотка трансформатора, являющаяся входом источника питания, расположена между внешней частью магнитопровода и внешним проводником формирующей линии, соединенным с корпусом с одной стороны, а вторичная обмотка трансформатора размещена между внешним и внутренним проводниками линии, которые являются выходом источника питания, отличающийся тем, что внешний проводник формирующей линии соединен с корпусом с другой стороны и выполнен в виде протяженных проводящих элементов, расположенных параллельно образующим проводников формирующей линии. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что на концах корпуса источника выполнены крючкообразные пазы, а протяженные проводящие элементы выполнены в виде проволоки, закрепленной S-образно в указанных пазах. 3. Источник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что крючкообразные пазы для закрепления проволоки выполнены на съемных кольцах, установленных на корпусе источника питания. 4. Источник по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что по крайней мере одно из колец с крючкообразными пазами выполнено с возможностью перемещения вдоль корпуса источника.