ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H05H5/04 

Изобретение относится к области мощной частотно-импульсной техники и может быть использовано для генерации импульсов мегавольтного диапазона с частотой до нескольких килогерц, применяющихся для питания ускорителей, электроискрового разрушения пород, создания гидроударных волн и т.д.

Известен генератор импульсов напряжения (ГИН), содержащий RC-линию, в которой ряд конденсаторов C параллельно через резисторы R подключен к источнику питания и последовательно через разрядники к нагрузке [1]
Недостатком указанного ГИН является ограниченная величина КПД, которая обусловлена потерями в резисторах.

Ближайшим техническим решением является ГИН (схема Аркадьева-Маркса),содержащий подключенную к источнику питания LC-линию, в которой ряд конденсаторов C, соединенных катушками индуктивности L, соединен разрядниками [2]
Недостатком устройства является невозможность одновременного снижения потерь энергии в катушках и повышения частоты импульсов, которые зависят противоположным образом от величины индуктивности катушек: с ее ростом уменьшаются потери энергии в катушках и одновременно увеличивается время зарядки последнего конденсатора через LC-линию.

Техническим результатом является возможность одновременного получения малых потерь энергии в катушках и высокой частоты, а также уменьшение габаритов ГИН.

Технический результат достигается тем, что в ГИН, содержащем подключенную к источнику питания LC-линию, в которой ряд конденсаторов C, соединенных катушками индуктивности L, соединен последовательно разрядниками, каждые две катушки индуктивности, соединяющие соседние конденсаторы, индуктивно связаны между собой. Катушки могут быть выполнены в виде попарно закрепленных между диэлектрическими пластинами плоских спиралей и каждая пара расположена между конденсаторами, образуя чередующуюся цепочку из катушек и конденсаторов.

На фиг.1 представлена схема ГИН;на фиг.2 конструктивное выполнение плоских катушек.

ГИН (фиг.1) содержит источник питания 1, конденсаторы 2 и 3, разрядники 4, пары катушек индуктивности 5 и 6, одиночную катушку индуктивности 7. Конденсаторы 2, 3 емкостью C и катушки 5, 6 и 7 индуктивностью L образуют LC- линию, подключенную к источнику питания 1. Через разрядники 4 конденсаторы соединены последовательно и подключены к нагрузке. Пары катушек 5 и 6, соединяющие одноименные клеммы соседних конденсаторов, индуктивно связаны между собой (коэффициент связи k). Концы катушек обозначены буквами Н и К ("Начало" и "Конец"). Катушки намотаны в одну сторону, точки Н каждой пары индуктивно связанных катушек (5 и 6) подсоединены к клеммам одного конденсатора (2), точки К клеммам другого [3] Собственная величина индуктивности одной катушки (например 5) без учета влияния связанной с ней катушки 6 (когда катушка разомкнута или удалена) составляет величину L.

Катушки могут быть выполнены в виде плоских спиралей (фиг.2): между диэлектрическими пластинами 1 расположены катушки 2. Начало и конец катушек, как и на фиг.1, обозначены соответственно буквами Н и К. Катушки помещены между конденсаторами, которые располагаются сверху и снизу пластин, образуя при этом чередующуюся цепочку из пластин и конденсаторов. Размеры пластин равны размерам граничащих с ними граней конденсаторов.

ГИН (фиг.1) работает следующим образом.При включении источника питания 1 происходит зарядка емкости C конденсаторов через индуктивности L катушек. При этом токи в индуктивно связанных катушках 5, 6 текут в противоположных направлениях, и создаваемые ими магнитные потоки вычитаются. Это приводит к тому, что в режиме зарядки эффективная индуктивность связанных катушек уменьшается: L_зар= (1-k)L. Задержка времени зарядки последнего в LC-линии конденсатора относительно первого уменьшается в 1/1(1-k)^1/2 раз и составляет t (n-1)[(1-k)(2LC)]^1/2, где n число конденсаторов в LC-линии. Это позволяет не только увеличить частоту срабатывания ГИН, но и увеличить точность запуска разрядников, т. к. повышается стабильность напряжения на разрядниках. При запуске разрядников происходит разрядка ГИН на нагрузку и одновременно через индуктивности катушек. В режиме разрядки токи в индуктивно связанных катушках текут в одну сторону, и создаваемые или магнитные потоки складываются, что приводит к увеличению эффективности связанных катушек L_раз (1+k)L и, следовательно, к уменьшению теряемой в катушках энергии в (1+k) раз и к соответствующему повышению КПД ГИН. Влияние индуктивной связи катушек растет с ростом величины k и становится практически значимым при k > 0,5. Высокое значение k 0,8 0,95 можно получить, например, используя для намотки коаксиальный кабель с необходимой электропрочностью изоляции, жилка одна катушка, оплетка другая.

Рассмотрим пример 20-ступенчатого ГИН установки РС-20 [3] на частотных (10 Гц) конденсатора ИК-50-0,2, выполняемых в том же корпусе, что и наиболее распространенные конденсаторы ИК-100-0,4 (Серпуховский завод). Применены плоские катушки (фиг.1, 2) с пластинами из оргстекла в 3 мм, размером (как и боковая грань конденсатора) 50х33 см². Намотка (30 витков прямоугольной формы) выполнена медным проводом, диаметром 0,7 мм с толщиной изоляции 0,7 мм. Пластины выступают за края намотки катушек на 6 см. Выбранные размеры обеспечивают необходимую (50 кВ) электропрочность изоляции между катушками и самих катушек. Индуктивность одной (уединенной) катушки L 100 мкГн, k 0,85. Малая толщина катушек позволила расположить их между конденсаторами, не переделывая "этажерки" ГИН. При этом время задержки зарядки последнего конденсатора относительно первого уменьшилось в 1/(1-k)^1/2=2,5 и составило около 2•10^-4 с. Это не только снимает практические ограничения на частоту, но и повышает стабильность работы ГИН, т.к. позволяет иметь одновременно на всех разрядниках одинаковое напряжение. ГИН работает на индуктивную нагрузку (4 мкГн) с плазменным прерывателем тока. Индуктивность нагрузки L_н, приходящаяся на один каскад (конденсатор) ГИН, составляет L_н 0,8 мкГн. При разрядке ГИН токи в индуктивностях нагрузки и катушек обратно пропорциональны величинам этих индуктивностей. КПД преобразования электрической энергии ГИН в магнитную энергию индуктивности нагрузки (считая, что каждый конденсатор разряжается одновременно на две катушки) составит [L(1+k)/2]/{[(1+k)/2+L_н} 0,99. При этом потери энергии в катушках по сравнению со схемой прототипа при тех же параметрах снизились в (1+k) 1,85 раз.

Таким образом, предложенная схема ГИН позволяет получить одновременно малые потери в катушках и высокую частоту его срабатываний. Кроме того, возможно уменьшение габаритов ГИН.

Использование: мощная частотно-импульсная техника, генерация импульсов мегавольтного диапазона с частотой до нескольких килогерц, например для питания ускорителей, электроискрового разрушения горных пород, создания гидроударных волн и т.п. Сущность изобретения: генератор импульсов напряжения содержит источник питания и подключенный к нему ряд конденсаторов, соединенных последовательно через разрядники и параллельно через катушки индуктивности. Каждые две катушки индуктивности, соединяющие соседние конденсаторы, индуктивно связаны между собой. Катушки индуктивности могут быть выполнены в виде плоских спиралей, попарно закрепленных между диэлектрическими пластинами, а каждая пара расположена между конденсаторами, образуя чередующуюся цепочку из катушек и конденсаторов. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Генератор импульсов напряжения, содержащий источник питания и подключенный к нему ряд конденсаторов, соединенных последовательно через разрядники и параллельно через катушки индуктивности, отличающийся тем, что каждые две катушки индуктивности, соединяющие соседние конденсаторы, индуктивно связаны между собой. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что катушки индуктивности выполнены в виде плоских спиралей, попарно закрепленных между диэлектрическими пластинами, а каждая пара расположена между конденсаторами, образуя чередующуюся цепочку из катушек и конденсаторов.