ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано в аппаратуре, предназначенной для генерации мощных импульсов тока, в частности, в электрогидравлических установках.

В основу процесса генерации положены сравнительно медленный заряд конденсатора С от источника напряжения U и последующая быстрая передача накопленной энергии CU²/2 низкоомной нагрузке [1] При больших уровнях энергии происходит снижение надежности зарядной цепи, так как после каждого разряда накопительного конденсатора С высоковольтный выпрямитель оказывается как бы закороченным по выходу и, кроме того, испытывает воздействием затухающего экстрактора нагрузки.

Известен генератор импульсов тока (ГИТ), в котором ограничителем зарядного тока служит резистор, включенный последовательно с первичной обмоткой повышающего трансформатора [2] Здесь осуществлена защита от токов короткого замыкания. Недостаток этого ГИТа отсутствие защиты от экстратока нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому является ГИТ, содержащий повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к питающей сети переменного тока, а вторичная к высоковольтному выпрямителю, и высоковольтный импульсный накопительный конденсатор, через коммутирующий элемент подключенный к нагрузке, а через высоковольтный линейный дроссель к выходу выпрямителя [3]
Конструктивно линейный дроссель выполняется в виде последовательной цепочки из нескольких реакторов, каждый из которых имеет кольцевой сердечник из магнитодиэлектрика, причем хотя бы один из них с воздушным зазором.

Устройство прототип имеет двойную защиту от токов короткого замыкания (ТКЗ) и от экстратока нагрузки (ЭТН).

К недостаткам прототипа относятся
неполная защита от ЭТН из-за паразитной емкости дросселя,
возникновение во время переходных процессов мощных электромагнитных помех,
необходимость выбора для высоковольтного выпрямителя диодов с дополнительным запасом по обратному напряжению,
сложность защитного дросселя как изделия, неосвоенность серийного изготовления [4]
Цель изобретения усиление защиты зарядной цепи ГИТа и упрощение его конструкции.

Цель достигается заменой высоковольтного сильноточного линейного дросселя на симметричный RC-контур, подсоединяющий каждую обкладку накопительного конденсатора к соответствующему выводу высоковольтного выпрямителя через последовательную пару безиндуктивных резисторов, причем средние точки этих пар связаны конденсатором.

Сущность изобретения поясняется чертежом функциональной схемы. В устройство каскадно соединены повышающий трансформатор (ПТр) 1, высоковольтный выпрямитель (ВВ) 2, защитный симметричный RC-контур (ЗК) 3 и накопительный конденсатор (НК) 3. Через коммутирующий элемент (КЭ) 5 нагрузка (Н) 6 подключена к накопительному конденсатору 4. Вход повышающего трансформатора 1 подсоединен к питающей сети (ПС) 7.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. От питающей сети 7 через повышающий трансформатор 1 переменное напряжение большой амплитуды поступает на высоковольтный выпрямитель 2. Выпрямленные однополярные полуволны напряжения подаются на защитный контур 3, выходным током которого заряжается накопительный конденсатор 4. По достижении напряжением последнего заранее установленного уровня срабатывает коммутирующий элемент 5 (положение "Замкнуто") и низкоомная нагрузка 6 подключается к обкладкам накопительного конденсатора 4. Начинается интенсивный процесс разряда, характеризующийся током нагрузки
(1)
где U_нк напряжение на конденсаторе 4 непосредственно перед началом разряда,
R_н сопротивление нагрузки 6,
С_нк емкость накопительного конденсатора 4.

В отдельных случаях сила разрядного тока может достигать десятков килоампер. Этот ток "запоминается" в паразитной индуктивности разрядной цепи.

На стадии разряда совершается полезная работа. Большая часть энергии накопительного конденсатора 4 передается нагрузке 6 в течение единиц или десятков микросекунд, когда разрядная цепь остается замкнутой.

После размыкания коммутирующего элемента 5 (который может быть как управляемым, так и не управляемым) ЭТН конца предыдущей стадии не исчезает. Происходит возбуждение затухающих почти синусоидальных колебаний.

Если коммутирующий элемент 5 размыкается резко, то источником ударных колебаний служит энергия, запасенная в паразитной индуктивности накопительного конденсатора 4 [5] Последняя взаимодействует с емкостью монтажа, составляющей, вследствие больших габаритов реальных ГИТ, несколько тысяч пикофарад. Частота колебаний может превышать 10 МГц, причем амплитуда тока первой полуволны, равная силе упоминавшегося ЭТН, на пути к высоковольтному выпрямителю 2 заряжает конденсатор C_зк защитного контура 3, понижая его напряжение до
(2)
где U_зк(o) напряжение на конденсаторе C_зк непосредственно перед размыканием коммутирующего элемента 5,
L_нк индуктивность накопительного конденсатора 4,
R сопротивление каждого из резисторов защитного контура 3,
I_этн сила экстратока нагрузки.

При плавном размыкании коммутирующего элемента 5 возникают ударные колебания низкой частоты (10 25) кГц, так как они определяются большой емкостью C_нк и суммарной паразитной индуктивностью всей разрядной цепи. Выражение (2) в первом приближении остается справедливым и в данном случае.

Таким образом, выбором значения постоянной времени τ_зк может быть обеспечена требуемая кратность подавления ударных колебаний в зарядной цепи и тем самым предотвращена возможность повреждения высоковольтного выпрямителя 2. При этом резисторы защитного контура 3, введенные в каждый соединительный провод между выпрямителем 2 и накопительным конденсатором 4, не допускают прямой связи упомянутых паразитных индуктивностей, а также индуктивности конденсатора С_зк защитного контура 3 с выходной емкостью повышающего трансформатора 1, проходной емкостью выпрямителя 2 и монтажными емкостями системы 1 2. Тем самым повышается качество защиты, возложенное на контур 3.

После размыкания коммутирующего элемента 5 начинается и другой, более длительный, процесс зарядка от выпрямителя 2 накопительного конденсатора 4. В течение первых 10 15 полуволн выпрямленного напряжения отбираемый у выпрямителя ток I_ткз не превышает значения
(3)
а мощность P_д рассеиваемая им -

где r_д суммарное прямое сопротивление диодов выпрямителя 2,
R_ПТР активная составляющая выходного сопротивления трансформатора 1,
4R cуммарное сопротивление резисторов защитного контура 3,
U_нко остаточное напряжение накопительного конденсатора 4,
U_m амплитуда высоковольтного переменного напряжения на входе выпрямителя 2.

Следовательно, резисторы защитного контура эффективно ограничивают как силу выпрямленного тока на начальном этапе зарядки накопительного конденсатора 4, так и величину рассеиваемой мощности.

Емкость C_зк защитного контура 3 должна выбираться с учетом выражения (2) и может быть оценена как
С_зк (0,01 0,1)C_нк, (5)
где C_нк емкость накопительного конденсатора 4.

Выбор сопротивления резисторов защитного контура зависит от активной составляющей выходного сопротивления трансформатора 1 и максимально допустимого тока выпрямителя 2 и принадлежит диапазону
R (1 10) кОм (6)
Наилучшие результаты обеспечиваются защитным контуром 3 при использовании в нем безындуктивных резисторов большой единичной мощности, например, типа ТВО. Безындуктивность резисторов исключает возможность появления нежелательных паразитных LC контуров, защитные свойства контура 3 улучшаются. Конкретизация номиналов этих резисторов должна предусматривать обязательную 30-ю их недогрузку по мощности рассеяния. Целесообразно одну треть разрешенной мощности выделить для работы на этапах ударных колебаний, а две трети для зарядного цикла накопительного конденсатора 4.

Предложенный ГИТ с защитным контуром 3 полностью электрически защищен на всех стадиях работы и имеет повышенный ресурс надежности.

Защитный контур 3 реализуется из стандартных, хорошо освоенных производством деталей резисторов и конденсаторов, а для его сборки не требуется персонала с высокой квалификацией.

Был изготовлен образец предлагаемого устройства (U 40 кВ, С_нк 6 мкф, в качестве коммутирующего элемента 5 воздушный искровой разрядник, нагрузка 6 объем жидкости). Испытания ГИТа подтвердили достижение требуемого технического эффекта.

Использование: изобретение может быть использовано в аппаратуре, предназначенной для генерации мощных импульсов тока. Сущность изобретения: генератор импульсов тока содержит повышающий трансформатор 1, высоковольтный выпрямитель 2, защитный симметричный RC-контур 3, накопительный конденсатор 4, коммутирующий элемент 5, нагрузку 6, питающую сеть 7. 1 ил.

Генератор импульсов тока, содержащий повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена к питающей сети переменного тока, а вторичная к высоковольтному выпрямителю, и высоковольтный импульсный накопительный конденсатор, через коммутирующий элемент подключенный к нагрузке, отличающийся тем, что между высоковольтным выпрямителем и накопительным конденсатором включен защитный симметричный RC-контур, состоящий из двух отдельных последовательных пар безындуктивных резисторов, средние точки которых связаны через конденсатор, при этом каждая обкладка накопительного конденсатора подсоединена к соответствующему выводу высоковольтного выпрямителя через одну из упомянутых резисторных пар.