ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ НА ИНДУКТИВНОМ НАКОПИТЕЛЕ ЭНЕРГИИ Российский патент 1999 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для питания импульсных ускорителей электронных пучков, источников рентгеновского и нейтронного излучений, лазеров, а также для обработки поверхности различных материалов.

Главной и наиболее трудной проблемой при создании мощных импульсных источников энергии (с энергозапасом 10⁷ - 10⁸ Дж при мощности 10¹⁰ - 10¹² Вт) с индуктивными накопителями энергии является создание мощной размыкающей коммутационной аппаратуры.

Из предшествующего уровня техники известен генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии, в котором осуществляется бездуговая коммутация при выводе энергии из индуктивного накопителя энергии (Физика и техника мощных импульсных систем. Сб. статей под ред. акад. Е. П. Велихова, М., "Энергоатомиздат", 1987 г., [1], с. 111). Известный генератор содержит источник питания, индуктивный накопитель энергии, диод, нагрузку, управляемый размыкатель, дополнительный источник питания, управляемый ключ и блок управления, причем незаземленный вывод источника питания через индуктивный накопитель энергии соединен с плюсовым выводом диода и первым выводом управляемого ключа, минусовой вывод диода соединен с незаземленными выводами нагрузки и управляемого размыкателя, а второй вывод ключа соединен с незаземленным минусовым выводом дополнительного источника питания, который выполнен в виде емкостного накопителя. Выходы блока управления соединены с управляющими входами ключа и размыкателя.

Недостатком известного генератора импульсов на индуктивном накопителе энергии является малая длительность паузы тока в коммутируемом участке цепи. Другим недостатком известного генератора является наличие двух источников питания.

Известен также генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии (см. [1], с. 108-109), взятый в качестве прототипа и содержащий источник питания, незаземленный выходной вывод которого через индуктивный накопитель энергии соединен с входом обмотки, размещенной на сердечнике из материала с узкой прямоугольной петлей намагничивания, и первым выводом, управляемого ключа, при этом второй вывод обмотки соединен с незаземленными выводами нагрузки и управляемого размыкателя, а второй вывод ключа соединен с минусовым выводом дополнительного источника питания. Генератор содержит также блок управления.

Недостаток известного генератора импульсов заключается в том, что для его работы необходимо использовать два источника питания. Кроме того, известно устройство не обеспечивает высокоэффективнной передачи энергии из накопителя в нагрузку, поскольку при коммутации, синхронизированной с "паузой тока" в размыкаемой цепи, не происходит отключение источника питания от нагрузки и накопителя во время передачи энергии в нагрузку.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по повышению эффективности передачи энергии из индуктивного накопителя энергии в нагрузку за счет уменьшения времени переключения тока накачки накопителя энергии на нагрузку.

Поставленная задача решена тем, что генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии, содержащий источник питания, индуктивный накопитель энергии, первый управляемый размыкатель, первый управляемый ключ, первичную обмотку, размещенную на сердечнике из материала с узкой прямоугольной петлей намагничивания, и блок управления, согласно изобретению, дополнительно содержит преобразователь энергии, неуправляемый разрядник, вторичную обмотку, выполненную из m последовательно соединенных секций и включенную встречно первичной обмотке из n секций, а также n - 1 управляемых размыкателей, n управляемых разрядников первой группы, n + m управляемых разрядников второй группы, n+m-1 управляемых ключей и n+m конденсаторов, причем источник питания выполнен в виде синхронного генератора импульсов напряжения, незаземленный выходной вывод которого через первый управляемый размыкатель соединен с входом первой секции первичной обмотки, выход i-й секции, i=1,2,...n-1, первичной обмотки соединен через (i+1)-й управляемый размыкатель с входом (i+1)-й секций первичной обмотки, а также с незаземленным выводом i-го управляемого разрядника первой группы управляемых разрядников и с первым выводом i-го управляемого ключа, выход n-й секции первичной обмотки соединен с незаземленным выводом n-го управляемого разрядника первой группы управляемых разрядников, с первым выводом n-го управляемого ключа, а также с выходом первой секции вторичной обмотки, вход каждой секции вторичной обмотки соединен с первым выводом соответствующего управляемого ключа, начиная с (n+1)-го и кончая (n+m)-м, при этом вход m-ой секции вторичной обмотки соединен также с незаземленным выводом индуктивного накопителя энергии, а через неуправляемый разрядник - с незаземленным выводом нагрузки, второй вывод каждого управляемого ключа соединен с соответствующим входом блока управления, с незаземленным выводом соответствующего конденсатора, а также через соответствующий управляемый разрядник второй группы управляемых разрядников - с входом преобразователя энергии, выход которого соединен с управляющими входами управляемых размыкателей, при этом первый выход блока управления соединен с управляющим входом синхронного генератора импульсов напряжения, второй и третий выходы блока управления соединены с управляющими входами управляемых разрядников соответственно второй и первой групп управляемых разрядников, а остальные n+m выходов блока управления соединены с управляющим входом соответствующего управляемого ключа.

Такое выполнение генератора импульсов на индуктивном накопителе энергии обеспечивает высокоэффективную передачу энергии из накопителя в нагрузку за счет, во-первых, не ступенчатого, а импульсного изменения величины индуктивного сопротивления участка цепи, включенного параллельно нагрузочной цепи, во-вторых, за счет высокой кратности изменения индуктивного сопротивления коммутируемой цепи: 10⁴ - 10⁵ раз, а в третьих, за счет уменьшения до (1-5) • 10⁶ с времени переключения тока накачки индуктивного накопителя энергии на нагрузку. Указанный выше технический результат достигается при использовании только одного источника энергии - синхронного генератора импульсов напряжения, что является неоспоримым преимуществом данного изобретения перед известными устройствами того же назначения. Иными словами, предложенное выполнение двухобмоточного трансформатора обеспечивает не только установку исходного режима работы трансформатора (намагничивание его сердечника из материала с узкой петлей намагничивания в заданном направлении), но и аккумуляцию энергии, необходимой для срабатывания мощных управляемых размыкателей.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения совокупностью существенных признаков требуемого технического результата.

На чертеже изображена принципиальная схема генератора импульсов на индуктивном накопителе энергии.

Генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии содержит синхронный генератор 1 импульсов напряжения, индуктивный накопитель 2 энергии, неуправляемый разрядник 3, нагрузку 4, преобразователь 5 энергии, блок 6 управления и трансформатор 7 с сердечником 8 из материала с узкой прямоугольной петлей намагничивания и двумя секционированными обмотками, имеющими одинаковое число витков. Первичная обмотка трансформатора 7 содержит n секций 9₁, 9₂, ..., 9_n, а вторичная обмотка трансформатор 7-m последовательно соединенных между собой секций 10₁, 10₂,...., 10_m, при этом n в общем случае не равно m.

Незаземленный выходной вывод генератора 1 соединен с входом первой секции 9₁ первичной обмотки трансформатора 7 через первый управляемый размыкатель 11₁. Выход секции 9₁ первичной обмотки трансформатора 7 соединен с незаземленным выводом первого управляемого разрядника 12₁ первой группы управляемых разрядников, кроме того, с первым выводом первого управляемого ключа 13₁, а также через второй управляемый размыкатель 11₂ - с входом секции 9₂ первичной обмотки трансформатора 7. Выход секции 9₂ соединен с незаземленным выводом второго управляемого разрядника 12₂ первой группы управляемых разрядников, кроме того, с первым выводом второго управляемого ключа 13₂, а также через третий управляемый размыкатель 11₃ - с входом третьей секции первичной обмотки трансформатора 7. Остальные секции первичной обмотки трансформатора 7 соединены аналогично между собой, а также с соответствующими управляемыми разрядниками (12₃,... 12_n-1) первой группы управляемых разрядников и управляемыми ключами (13₃,..., 13_п-1).

Выход n-й секции 9_n первичной обмотки трансформатора 7 соединен с незаземленным выводом n-го управляемого разрядника 12_n первой группы управляемых разрядников, кроме того, с первым выводом n-го управляемого ключа 13_n, а также с выходом первой секции 10₁ вторичной обмотки трансформатора 7. Таким образом, первичная и вторичная обмотки трансформатора 7 включены встречно. Вход первой секции 10₁ вторичной обмотки трансформатора 7 соединен с первым выводом (n+1)-й управляемого ключа 13_n+1. Вход второй секции 10₂ соединен с первым выводом (n+2)-го управляемого ключа 13_n+2 и т.д.

Второй вывод каждого управляемого ключа (13₁, 13₂,..., 13_n, 13₁₊₁,... 13_m+n) соединен с соответствующим входом блока 6 управления, а также через соответствующий управляемый разрядник (14₁, 14₂,..., 14_n, 14_n+1,...14_n+m) второй группы управляемых разрядников соединен с входом преобразователя 5 энергии, выход которого соединен с управляющими входами управляемых размыкателей 11₁, 11₂, . .., 11_n. Кроме того, второй вывод каждого управляемого ключа (13₁, 13₂,...,13_n+m) соединен с незаземленным выводом соответствующего конденсатора 15₁, 15₂,..., 15_n, 15_n+1,... 15_n+m.

Первый выход блока 6 управления соединен с управляющим входом синхронного генератора импульсов, второй выход блока 6 управления соединен с управляющими входами управляемых разрядников (14₁,..., 14_n+m) второй группы управляемых разрядников, а третий выход блока 6 управления соединен с управляющими входами управляемых разрядников (12₁,..., 12_n) первой группы управляемых разрядников. Остальные n+m выходов блока 6 управления соединены с управляющим входом соответствующего управляемого ключа: 13₁, 13₂,..., 13_n, 13_n+1,..., 13_n+m.

Вход m-й секции 10_m вторичной обмотки трансформатора 7 соединен также с незаземленным выводом индуктивного накопителя 2 энергии, а через неуправляемый разрядник 3 соединен с незаземленным выводом нагрузки 4.

Блок 6 управления может быть выполнен различным образом в зависимости от используемой элементной базы. В предпочтительном варианте блок 6 управления выполнен на базе процессора. В простейшем случае блок 6 управления содержит n+m измерителей скорости изменения напряжения, на выходах которых формируется управляющий сигнал при достижении скорости изменения напряжения заданного значения. Входы измерителей являются входами блока 6 управления, а их выходы - выходами блока 6 управления, начиная с четвертого и кончая (n+m+3)-м. Блок 6 управления включает также блок команд, первый, второй и третий выходы которого являются соответствующими выходами блока 6 управления, а информационный вход блока команд соединен с (n+m+3-м выходом блока 6 управления.

Преобразователь 5 предназначен для преобразования энергии, запасенной в конденсаторах 15₁ -15_n+m в энергию, необходимую для срабатывания управляемых размыкателей (11₁ - 11_n). Так, при использовании сверхпроводящих размыкателей, с помощью преобразователя 5 осуществляется преобразование энергии, запасенной в конденсаторах (15₁ - 15_n+m) в энергию магнитного поля или в энергию лазерного излучения, необходимых для синхронного разрушения сверхпроводящего состояния размыкателей (Ю. Д. Куроедов, Мощные сверхпроводящие размыкатели, М., ИАЗ им. Курчатова, 1982 г.).

В качестве управляемых ключей (13₁ - 13_n+m) могут быть использованы либо механические размыкатели, если время накачки порядка секунд, либо полупроводниковые ключи, если время накачки порядка миллисекунд.

Секции 9₁ - 9_n первичной обмотки трансформатора 7, секции 10₁ - 10_m вторичной обмотки трансформатора 7 совместно с конденсаторами 15₁ - 15_n+m образуют (n+m) - звенный LC-фильтр нижних частот, что по существу является искусственной длинной линией или линией задержки. Поскольку время τ_o распространения волны от начала до конца длинной линии определяется выражением то требуемое число секций, а также индуктивность L каждой секции определяется расчетным путем в каждом конкретном случае. Если n=m, то длинная линия является однородной. В ряде случае целесообразно, чтобы времена распространения волны по первичной и вторичной обмоткам трансформатора были различными. В этом случае n ≠ m.

Генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии работает следующим образом.

В исходном состоянии управляемые размыкатели (11₁ - 11_n) находятся в замкнутом состоянии, управляемые ключи (13₁ - 13_n+m) - также в замкнутом состоянии, а управляющие сигналы на управляемые разрядники первой (12₁ - 12_n) и второй (14₁ - 14_n+m) групп не поданы. Сердечник 8 трансформатора 7 находится либо в ненасыщенном, либо в любом другом состоянии.

По команде "Пуск" на первом выходе блока 6 управления формируется управляющий сигнал, который поступает на управляющий вход синхронного генератора 1 импульсов напряжения и запускает его. В результате на выходе генератора 1 формируется импульс напряжения, который поступает на вход линии задержки, образованной секциями 9₁ - 9_n первичной обмотки и секциями 10₁ - 10_m вторичной обмотки трансформатора 7 совместно с конденсаторами 15₁ - 15_n+m, при этом длительность импульса напряжения более чем в 10² раз больше времени τ_o распространения волны по линии задержки. В начальный момент времени ток в индуктивном накопителе 2 энергии равен нулю, поэтому практически все выходное напряжение синхронного генератора 1 импульсов будет приложено к обмоткам трансформатора 7, иными словами, к линии задержки. В процессе распространения волны по линии задержки происходит зарядка конденсаторов 15₁ - 15_n+m, а также намагничивание сердечника 8 трансформатора 7 до насыщения, при этом поток Ф магнитного поля в сердечнике 8 будет определяться выражением

где U(t) - падение напряжения на линии задержки во время распространения волны по линии задержки, образованной секциями 9₁ - 9_n и 10₁ - 10_m обмоток трансформатора 7, а также конденсаторами 15₁ - 15_n+m. При этом (за счет встречного включения обмоток трансформатора 7) результирующая напряженность магнитного поля в сердечнике 8 при t > τ_o имеет значение, близкое к значению напряженности магнитного поля, соответствующему началу излома кривой намагничивания.

При зарядке конденсаторов 15₁ - 15_n+m на входы блока 6 управления поступают сигналы, соответствующие величине напряжения на них. В блоке 6 управления происходит измерение скорости изменения напряжения на каждом конденсаторе 15₁ - 15_n+m. По мере зарядки конденсаторов 15₁ - 15_n+m скорость изменения напряжения на них уменьшается (стремится к нулю). При достижении скорости изменения напряжения на каждом из конденсаторов заданного значения, например соответствующей зарядке конденсатора на 99% от заданного значения напряжения, на соответствующем выходе (начиная с 4 и кончая 3+n+m) блока 6 управления формируется управляющий сигнал на срабатывание (размыкание) соответствующего управляемого ключа (13₁ - 13_n+m). По мере прохождения волной линии задержки происходит последовательное отключение зарядившихся конденсаторов 15₁ - 15_n+m от обмоток трансформатора 7. После зарядки последнего 15_n+m конденсатора управляющий сигнал на размыкание управляемого ключа 13_n+m одновременно является разрешающим для выполнения блоком 6 управления следующих пунктов заложенной в нем программы.

После этого ток в цепи продолжает увеличиваться и происходит накачка индуктивного накопителя 2 энергии, при этом сердечник 8 трансформатора 7 находится в насыщенном состоянии с магнитной проницаемостью μ_н= 2-7. При достижении током в цепи, содержащей индуктивный накопитель 2 энергии, максимального значения (ввиду высокой повторяемости выходных параметров генератора 1 это имеет место через один и тот же промежуток времени после команды "Пуск"), на втором и третьем выходах блока 6 управления последовательно формируются управляющие сигналы, которые поступают соответственно на управляющие входы управляемых разрядников 14₁ - 14_n+m второй группы управляемых разрядников и на управляющие входы управляемых разрядников 12₁ - 12_n первой группы управляемых разрядников.

В результате одновременного срабатывания управляемых разрядников 14₁ - 14_n+m второй группы управляемых разрядников, вся запасенная в конденсаторах 15₁ - 15_n+m энергия поступает на вход преобразователя 5 энергии, где преобразуется либо в импульс магнитного поля или в лазерный импульс, необходимые для синхронного разрушения сверхпроводящего состояния управляемых размыкателей 11₁ - 11_n. В случае иного выполнения управляемых размыкателей 11₁ - 11_n преобразователь 5 энергии должен иметь на выходе сигнал, обеспечивающий их срабатывание.

При срабатывании управляемых размыкателей 11₁ - 11_n секции 9₁ - 9_n первичной обмотки трансформатора 7 изолируются друг от друга, а при срабатывании управляемых разрядников 12₁ - 12_n первой группы - концы секций 9₁ - 9_n, а также конец секции 10₁ вторичной обмотки заземляются. Здесь необходимо отметить, что в процессе настройки устанавливается время задержки между управляющими импульсами на втором и третьем выходах блока 6 управления такой, чтобы срабатывание управляемых размыкателей 11₁ - 11_n и управляемых разрядников 12₁ - 12_n первой группы управляемых разрядников происходило одновременно.

В результате срабатывания управляемых размыкателей 11₁ - 11_n и управляемых разрядников 12₁ - 12_n ток в секциях 9₁ - 9_n быстро спадает до нуля. Поскольку ток в индуктивном накопителе 2 энергии не может измениться мгновенно, то ток во вторичной обмотке трансформатора 7 (включенной последовательно индуктивному накопителю 2 энергии) в момент коммутации не изменится. Уменьшение величины тока в секциях 9₁ - 9_n приведет к тому, что направление намагниченности сердечника 8 трансформатора 7 будет определяться теперь направлением тока во вторичной обмотке. Поскольку направление напряженности магнитного поля, создаваемого током в первичной обмотке, имеет противоположное направление напряженности магнитного поля, создаваемого током во вторичной обмотке, то под действием тока, протекающего по вторичной обмотке трансформатора 7, произойдет перемагничивание сердечника 8. При перемагничивании индуктивность вторичной обмотки (участка цепи, включенного параллельно нагрузке) возрастает в μ_o/μ_н раз, где μ_o ~ 10⁵ - динамическая магнитная проницаемость сердечника 8 в ненасыщенном состоянии. С другой стороны, изменение индуктивного сопротивления в цепи индуктивного накопителя 2 энергии во время перемагничивания сердечника 8 приводит к возникновению скачка потенциала в точке соединения накопителя 2 энергии и неуправляемого разрядника 3. В результате происходит пробой разрядника и переключение тока накачки индуктивного накопителя 2 энергии на нагрузку 4 в течение времени пока происходит перемагничивание сердечника 8. Здесь следует отметить, что скачок разности потенциалов на вторичной обмотке трансформатора 7 не приведет к возникновению дуги в управляемых размыкателях 11₁ - 11_n, так как число витков в секциях 9₁ - 9_n меньше суммарного числа витков во вторичной обмотке трансформатора 7.

После достижения напряженностью магнитного поля значения, соответствующего излому кривой намагничивания сердечника 8 при другом направлении его намагниченности, индуктивность вторичной обмотки трансформатора 7 вновь уменьшится до величины, соответствующей магнитной проницаемости сердечника μ_н.
Изоляция секций 9₁ - 9_n друг от друга, а также заземление их концов обеспечивает также и повышение в n раз скорости перемагничивания сердечника 8 (т.е. уменьшению времени переключения тока накачки на нагрузку), что приводит не только к более эффективной передаче энергии из индуктивного накопителя 2 энергии в нагрузку 4, но и обеспечивает большой скачок разности потенциалов на вторичной обмотке трансформатора 7, а следовательно, надежное срабатывание неуправляемого разрядника 3.

Действительно, в результате срабатывания управляемых размыкателей 11₁ - 11_n и управляемых разрядников 12₁ - 12_n токи в каждой секции 9₁ - 9_n равны между собой и уменьшаются по одному и тому же закону. Однако за счет по существу параллельного соединения секции 9₁ - 9_n между собой изменение во времени магнитодвижущей силы F описывается выражением

где W - число витков в каждой секции 9₁ - 9_n,
F_i(t) - временная зависимость тока в 9_i секции, j = 1,...,_n,
n - число секций первичной обмотки.

Увеличение скорости изменения тока во вторичной обмотке трансформатора 7 приводит к большей величине ЭДС самоиндукции.

Изобретение может быть использовано при создании источников питания для импульсных ускорителей электронных пучков, для источников электромагнитного и нейтронного облучения, а также в установках для обработки поверхности различных материалов.

Генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии относится к импульсной технике и может быть использован для питания импульсных ускорителей электронных пучков, источников рентгеновского и нейтронного излучений, лазеров, а также для обработки поверхности различных материалов. Генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии содержит синхронный генератор импульсов, секции первичной обмотки трансформатора, сердечник из материала с узкой петлей намагничивания, управляемые размыкатели, секции вторичной обмотки трансформатора, индуктивный накопитель энергии, неуправляемый разрядник, нагрузку, управляемые разрядники, управляемые ключи, конденсаторы, преобразователь энергии, блок управления. Достигаемым техническим результатом является повышение эффективности передачи энергии из индуктивного накопителя в нагрузку. 1 ил.

Генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии, содержащий источник питания, индуктивный накопитель энергии, нагрузку, первый управляемый размыкатель, первый управляемый ключ, первичную обмотку, размещенную на сердечнике из материала с узкой прямоугольной петлей намагничивания, и блок управления, отличающийся тем, что он дополнительно содержит преобразователь энергии, неуправляемый разрядник, вторичную обмотку, выполненную из m последовательно соединенных секций и включенную встречно первичной обмотке из n секций, а также n - 1 управляемых размыкателей, n управляемых разрядников первой группы, n + m управляемых разрядников второй группы, n + m - 1 управляемых ключей и n + m конденсаторов, причем источник питания выполнен в виде синхронного генератора импульсов напряжения, незаземленный выходной вывод которого через первый управляемый размыкатель соединен с входом первой секции первичной обмотки, выход i-й секции, где i = 1, 2, ..., n - 1, первичной обмотки соединен через (i + 1)-й управляемый размыкатель с входом (i + 1)-й секции первичной обмотки, а также с незаземленным выводом i-го управляемого разрядника первой группы управляемых разрядников и с первым выводом i-го управляемого ключа, выход n-й секции первичной обмотки соединен с незаземленным выводом n-го управляемого разрядника первой группы управляемых разрядников, с первым выводом n-го управляемого ключа, а также с выходом первой секции вторичной обмотки, вход каждой секции вторичной обмотки соединен с первым выводом соответствующего управляемого ключа, начиная с (n + 1)-го и кончая (n + m)-м, при этом вход m-й секции вторичной обмотки соединен также с незаземленным выводом индуктивного накопителя энергии, а через неуправляемый разрядник с незаземленным выводом нагрузки, второй вывод каждого управляемого ключа соединен с соответствующим входом блока управления, с незаземленным выводом соответствующего конденсатора, а также через соответствующий управляемый разрядник второй группы управляемых разрядников с входом преобразователя энергии, выход которого соединен с управляющими входами управляемых размыкателей, при этом первый выход блока управления соединен с управляющим входом синхронного генератора импульсов напряжения, второй и третий выходы блока управления соединены с управляющими входами управляемых разрядников соответственно второй и первой групп управляемых разрядников, а остальные n + m выходов блока управления соединены с управляющим входом соответствующего управляемого ключа.