ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ НА ИНДУКТИВНОМ НАКОПИТЕЛЕ ЭНЕРГИИ С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ СВЯЗЬЮ Российский патент 2007 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к мощной импульсной энергетике, а более конкретно к устройствам, принцип действия которых основан на компрессии энергии, иными словами, на достаточно медленном накоплении электрической или магнитной энергии в одном объеме и более быстрой передаче накопленной энергии в другой объем, например в нагрузку.

Из уровня техники известно, что задача компрессии энергии магнитного поля сводится к сосредоточению ее в объеме с наименьшей индуктивностью, поскольку уменьшение индуктивности объема, в котором накоплена энергия магнитного поля, позволяет увеличить скорость передачи накопленной в данном объеме энергии магнитного поля в нагрузку, другими словами к обострению мощности, выделяемой в нагрузке.

Так известен генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью, содержащий генератор тока, размыкатель, индуктивный накопитель, две группы по N замыкателей в каждой группе, N размыкателей и индуктивную нагрузку, при этом индуктивный накопитель содержит первую обмотку и расположенную внутри нее вторую обмотку, выполненную из N секций, которые не связаны друг с другом по магнитному полю. У каждой из N секций второй обмотки один из выводов через соответствующий ему один из N замыкателей первой группы соединен с первым выводом нагрузки и с первым выводом соответствующего размыкателя. Второй вывод каждой из N секций второй обмотки соединен, во-первых, со вторым выводом нагрузки через соответствующий ему один из N замыкателей второй группы, а во-вторых, со вторым выводом соответствующего размыкателя, а генератор тока через выключатель подключен к выводам первой обмотки (см. авторское свидетельство SU - А - №1029402, 1983).

В известном устройстве за счет последовательного во времени подключения секций второй обмотки к нагрузке обеспечивается существенное повышение кпд передачи энергии из второй обмотки в нагрузку. Действительно при подключении каждой очередной секции второй обмотки к нагрузке на ее выводах возникает ЭДС, а следовательно, величина тока в ней убывает. При этом потери в размыкателе мала, так как индуктивность эффективной нагрузки, представляющей собой параллельно уединенные между собой ранее подключенные к нагрузке секции второй обмотки, и сама нагрузка, для каждой очередной подключаемой секции - мала по сравнению с индуктивностью каждой секций. Кроме того, при подключении каждой очередной секции уменьшается ток и в ранее подключенных секциях, так как все эти секции соединены между собой параллельно. Следовательно, при подключении каждой очередной секции энергия в ранее подключенных секциях убывает и (в силу закона сохранения энергии) без рассеяния передается в индуктивную нагрузку. Однако известное устройство не обеспечивает высокой компрессии энергии в нагрузке. Кроме того, разрыв цепи первой обмотки в известном устройстве сопровождается перенапряжением на межконтактном промежутке выключателя, а следовательно, дугообразованием и значительными потерями первоначально накопленной энергии при переброске тока из первой обмотки во вторую.

Эти недостатки устранены в генераторе импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью, который взят в качестве прототипа и содержит четырехобмоточный индуктивный накопитель энергии, конденсатор, первый источник питания, выводы которого соединены с соответствующими выводами первого замыкателя и крайними выводами первой обмотки индуктивного накопителя энергии, второй источник питания, выводы которого через замыкатель-размыкатель соединены с выводами конденсатора, при этом выводы конденсатора через второй замыкатель соединены также с крайними выводами первой дополнительной обмотки индуктивного накопителя энергии и согласно его первой обмотке. Первая обмотка индуктивного накопителя энергии выполнена из М секций, последовательно соединенных между собой через соответствующий размыкатель из первой группы М размыкателей. Первая дополнительная обмотка индуктивного накопителя энергии выполнена из К секций, последовательно соединенных между собой посредством К-1 размыкателей второй группы с взрывающимся проводником, и с площадью поперечного сечения, равной 0,95-1,0 площади поперечного сечения первой обмотки, иными словами с коэффициентом связи, приблизительно равным единице. Вторая дополнительная обмотка выполнена из Р одинаковых изолированных друг от друга секций с неперекрывающимися между собой поперечными сечениями, которые полностью заполняют поперечное сечение первой дополнительной обмотки. Выводы каждой секции второй дополнительной обмотки соединены между собой через соответствующий плазменный прерыватель тока. Вторая обмотка индуктивного накопителя энергии выполнена из Н одинаковых секций с неперекрывающимися между собой поперечными сечениями, при этом один из выводов каждой секции через соответствующий замыкатель соединен с первым выводом нагрузки, а другие выводы секций второй обмотки соединены со вторым выводом нагрузки (см. патент RU - C1 - № 2161857, 2001).

Недостаток прототипа заключается в том, что он имеет сложную конструкцию, а именно: четырехобмоточный индуктивный накопитель энергии, каждая обмотки которого выполнена многосекционной, при этом первая и две дополнительные обмотки снабжены соответствующей каждой из них группой размыкателей, а вторая обмотка - соответствующей группой замыкателей. Кроме того, трехкратная "переброска" электрического тока (из первой обмотки в первую дополнительную, из первой дополнительной обмотки во вторую дополнительную, а из второй дополнительной во вторую обмотку) неизбежно приводит к снижению эффективности передачи накопленной в первоначальном объеме энергии магнитного поля в нагрузку, а наличие большого количества коммутирующих элементов в устройстве также приводит к дополнительным потерям энергии.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по упрощению конструкции генератора импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью с одновременным повышением эффективности передачи накопленной энергии в нагрузку, в том числе и за счет снижения потерь энергии при коммутации.

Поставленная задача решена тем, что генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью, содержащий трехобмоточный индуктивный накопитель энергии, конденсатор, первый источник питания, каждый вывод которого соединен с соответствующим ему выводом первого замыкателя, второй источник питания, первый вывод которого через первый замыкатель-размыкатель соединен с первым выводом конденсатора и первым выводом второго замыкателя, первая и дополнительная обмотки индуктивного накопителя энергии выполнены с коэффициентом связи, близким к единице, а первый вывод второй обмотки через разрядник соединен с первым выводом нагрузки, второй вывод которой соединен со вторым выводом второй обмотки, согласно изобретению дополнительно содержит третий и четвертый замыкатели, второй замыкатель-размыкатель и индуктивность, первый вывод которой соединен с одним из выводов первого источника питания, второй вывод индуктивности соединен со вторым выводом третьего замыкателя и с первым выводом первой обмотки, второй вывод которой соединен с другим выводом первого источника питания, дополнительная обмотка своим первым выводом соединена со вторым выводом второго источника питания, вторым выводом конденсатора и встречно относительно первой обмотки, второй вывод дополнительной обмотки соединен со вторым выводом второго замыкателя и вторым выводом четвертого замыкателя, первый вывод второй обмотки соединен с первым выводом второго замыкателя-размыкателя и первыми выводами третьего и четвертого замыкателей, а второй вывод второй обмотки соединен со вторым выводом второго замыкателя-размыкателя, со вторым выводом первой обмотки и первым выводом дополнительной обмотки, а первая и дополнительная обмотки или только дополнительная обмотка индуктивного накопителя энергии выполнены с возможностью обеспечения значений их коэффициентов связи со второй обмоткой, близких к единице, при накоплении энергии и возбуждении тока во второй обмотке, а также ступенчатого уменьшения значений упомянутых выше коэффициентов связи со второй обмоткой при выводе накопленной энергии в нагрузку.

Кроме того, поставленная задача решена тем, что:

- в индуктивном накопителе энергии первая обмотка выполнена в виде двух коаксиально расположенных внутренней и внешней однослойных катушек, дополнительная обмотка также выполнена в виде коаксиально расположенных относительно той же оси внутренней и внешней однослойных катушек, а вторая обмотка выполнена в виде однослойной катушки, расположенной соосно указанным выше обмоткам, внутренний диаметр витков внутренней катушки первой обмотки равен внутреннему диаметру витков внутренней катушки дополнительной обмотки и внутреннему диаметру витков второй обмотки, внешний диаметр витков внутренней катушки первой обмотки равен внешнему диаметру витков внутренней катушки дополнительной обмотки и внешнему диаметру витков второй обмотки, витки внутренних катушек первой и дополнительной обмоток, а также витки второй обмотки расположены в чередующейся последовательности в осевом направлении, внутренняя и внешняя катушки первой обмотки выполнены с одинаковым количеством витков и шаром между ними, внутренняя и внешняя катушки дополнительной обмотки также выполнены с одинаковым количеством витков и шагом между ними, а витки каждой внутренней катушки расположены напротив и с одинаковым радиальным зазором относительно соответствующих им витков внешних катушек, имеющих одинаковый внешний диаметр своих витков, по крайней мере между выводами каждой из упомянутой выше пары катушек размещены управляемые разрядники для обеспечения возможности параллельного соединения между собой соответственно внутренней и внешней катушек первой обмотки и внутренней и внешней катушек дополнительной обмотки на этапе вывода накопленной энергии в нагрузку, при этом первым выводом первой обмотки является первый вывод ее внутренней катушки, вторым выводом первой обмотки является второй вывод ее внутренней катушки, а первым и вторым выводов дополнительной обмотки являются соответственно первый и второй выводы ее внутренней катушки;

- между витками внешних катушек первой и дополнительной обмоток размещены ферритовые вставки, электрически изолированные от витков внешних катушек, при этом внутренний диаметр ферритовых вставок не меньше внутреннего диаметра витков внешних катушек первой и дополнительной обмоток;

- индуктивный накопитель энергии содержит соосно расположенные две внутренние катушки и одну внешнюю, при этом витки первой внутренней катушки выполнены из коаксиально расположенных центрального проводника и проводящей оболочки, а витки второй внутренней и внешней катушек - из одиночных проводников, витки внутренних катушек расположены в чередующейся последовательности в осевом направлении и имеют одинаковые внутренний и внешний диаметры, первая внутренняя катушка и внешняя катушка выполнены с одинаковым количеством витков и шагом между ними, а витки первой внутренней катушки расположены напротив и с одинаковым радиальным зазором относительно соответствующих им витков внешней катушки, при этом по крайней мере между выводами проводящей оболочки и соответствующими им выводами внешней катушки размещены управляемые разрядники для обеспечения возможности параллельного соединения между собой проводящей оболочки и внешней катушки на этапе вывода накопленной энергии в нагрузку, причем первый и второй выводы центрального проводника являются соответственно первым и вторым выводами первой обмотки индуктивного накопителя энергии, первый и второй выводы проводящей оболочки - соответственно первым и вторым выводами его дополнительной обмотки, а первый и второй выводы второй внутренней катушки - соответствующими выводами второй обмотки;

- между витками внешней катушки размещены ферритовые вставки, электрически изолированные от витков внешней катушки, при этом внутренний диаметр ферритовых вставок не меньше внутреннего диаметра витков внешней катушки.

Преимущество предложенного генератора импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью перед прототипом заключается в том, что, благодаря выполнению всех обмоток индуктивного накопителя энергии не секционированными, отпадает необходимость в использовании большого количества размыкателей, а следовательно, не возникает коммутационных потерь. Введение индуктивности, включенной последовательно с первой обмоткой, а также включение дополнительной обмотки встречно относительно первой обмотки позволяет осуществить возбуждение в короткозамкнутой второй обмотке тока, связанного со всей запасенной ранее энергией в магнитной поле, без существенного увеличения тока в первой обмотке. Выполнение первой и дополнительной обмоток с возможностью обеспечения значений их коэффициентов связи со второй обмоткой (соответственно К₁₃ и К₂₃), близких к единице, при накоплении энергии и возбуждении тока во второй обмотке, а также ступенчатого (за время 100-150 нс) уменьшения значений коэффициентов связи К₁₃ и К₂₃ при выводе энергии в нагрузку, позволяет уменьшить величину ЭДС, наводимых в первой и дополнительной обмотках при выводе накопленной энергии в нагрузку (подключении нагрузки ко второй обмотке). С другой стороны, введение третьего и четвертого замыкателей и предложенное соединение между собой выводов обмоток индуктивного накопителя энергии, при выводе запасенной энергии, позволяет компенсировать упомянутые выше ЭДС в первой и дополнительных обмотках, благодаря ответвлению части тока второй обмотки в первую и дополнительную обмотки. Ступенчатое изменение коэффициентов связи первой и дополнительной обмоток со второй обмоткой может быть обеспечено либо выполнением первой и дополнительной обмоток с изменяющейся геометрией (в виде двух коаксиально расположенных катушек) либо только дополнительной обмотки.

На фиг.1 представлена электрическая схема генератора импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью; на фиг.2, 3 и 4 - варианты выполнения обмоток индуктивного накопителя энергии (продольный разрез выделенного участка обмоток); на фиг.5 - радиальная зависимость аксиальной составляющей магнитного поля.

Генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью содержит первый источник 1 питания, второй источник 2 питания, трехобмоточный индуктивный накопитель 3 энергии, выполненный с трансформаторной связью между обмотками, конденсатор 4, первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8 замыкатели, первый 9 и второй 10 замыкатели-размыкатели, разрядник 11, нагрузку 12, например, индуктивную и индуктивность 13 с индуктивностью L₀.

Индуктивный накопитель 3 энергии содержит первую обмотку 14 с индуктивностью - L₁, дополнительную обмотку 15 с индуктивностью L₂, предпочтительно L₁=L₂, и вторую обмотку 16 с индуктивностью - L₃. Каждый вывод первого источника 1 питания соединен с соответствующим ему выводом первого замыкателя 5, а также соответственно с первым выводом индуктивности 13 и вторым выводом первой обмотки 14. Второй вывод индуктивности 13 соединен с первым выводом первой обмотки. Иными словами, индуктивность 13 и первая обмотка 14 соединены последовательно. Первый вывод второго источника 2 питания через первый замыкатель-размыкатель 9 соединен c первым выводом конденсатора 4 и первым выводом второго замыкателя 6. Дополнительная обмотка 15 своим первым выводом соединена со вторым выводом второго источника питания, вторым выводом конденсатора 4 и встречно относительно первой обмотки 14, а ее второй вывод соединен со вторым выводом замыкателя 6. Первый вывод второй обмотки 16 соединен с первым выводом второго замыкателя-размыкателя 10, первым выводом разрядника 11 и первыми выводами третьего 7 и четвертого 8 замыкателей. Второй вывод второй обмотки 16 соединен со вторым выводом второго замыкателя-размыкателя 10, вторым выводом нагрузки 12, а также со вторым выводом первой обмотки 14 и первым выводом дополнительной обмотки 15. Второй вывод разрядника 11 соединен с первым выводом нагрузки 12, а вторые выводы замыкателей 7 и 8 соединены соответственно с первым выводом первой обмотки 14 и вторым выводом дополнительной обмотки 15.

Индуктивный накопитель 3 энергии выполнен с трансформаторной связью между обмотками и с обеспечением, во-первых, при накоплении энергии и возбуждении тока во второй обмотке значений коэффициентов связи K₁₂, K₁₃ и K₂₃, где

К₁₂=М₁₂/(L₁·L₂)^1/2 - коэффициент связи между первой 14 и дополнительной 15 обмотками, К₁₃=М₁₃·(L₁·L₃)^-1/2 - коэффициент связи между первой 14 и второй 16 обмотками;

К₂₃=М₂₃·(L₁·L₃)^-1/2 - коэффициент связи между дополнительной 15 и второй обмотками, a M₁₂, M₁₃, и М₂₃ - соответственно; коэффициенты взаимоиндукции между первой 14 и дополнительной 15 обмотками, первой 14 и второй 16 обмотками, дополнительной 15 и второй обмотками, близких к единице (не менее 0,98), а во-вторых, возможности ступенчатого (скачкообразного) уменьшения значений коэффициентов связи К₁₃ и К₂₃ при сохранении значения коэффициента связи К₁₂, близкого к единице, на этапе вывода накопленной энергии в нагрузку 12.

В простейшем варианте осуществления изобретения первая обмотка 14 и дополнительная обмотка 15 выполнены двойными. Иными словами, каждая из упомянутых выше обмоток выполнена из двух коаксиально расположенных относительно общей оси 17 катушек (фиг.2-3), а именно: внутренней однослойной катушки (витки внутренней катушки первой обмотки 14 обозначены позицией 18, а витки внутренней катушки дополнительной обмотки 15 обозначены позицией 19) и внешней однослойной катушки (витки внешней катушки первой обмотки 14 обозначены позицией 20, а витки внешней катушки дополнительной обмотки 15 обозначены позицией 21). При этом внутренняя и внешняя катушки первой обмотки 14 выполнены с одинаковым количеством витков и шагом между ними. Аналогично внутренняя и внешняя катушки дополнительной обмотки 15 выполнены с одинаковым количеством витков и шагом между ними. Витки 18 и 19 каждой внутренней катушки расположены напротив и с одинаковым радиальным зазором - Δ относительно соответствующих им витков 20 и 21 внешних катушек (фиг.2, 3). По крайней мере между выводами каждой из упомянутой выше пары катушек (соответственно парой катушек первой обмотки 14 и парой катушек дополнительной обмотки 15) размещены управляемые разрядники (на чертежах не показаны) для обеспечения возможности параллельного соединения между собой соответственно внутренней и внешней катушек первой обмотки 14 и внутренней и внешней катушек дополнительной обмотки 15 на этапе вывода накопленной энергии в нагрузку 12, при этом первым выводом первой обмотки 14 (фиг.1) является первый вывод ее внутренней катушки, вторым выводом первой обмотки 14 является второй вывод ее внутренней катушки, а первым и вторым выводами дополнительной обмотки 15 являются соответственно первый и второй выводы ее внутренней катушки. На фиг.2-4 витки однослойной катушки второй обмотки обозначены позицией 22. Внутренний диаметр витков 18 первой обмотки 14 равен внутреннему диаметру витков 19 дополнительной обмотки 15 и внутреннему диаметру витков 22 второй обмотки 16. Аналогично внешние диаметры витков 18, 19 и 22 равны между собой. Внутренние диаметры витков 20 и 21 соответственно первой 14 и дополнительной 15 обмоток равны между собой. Равны между собой и внешние диаметры витков 20 и 21. Благодаря указанным выше соотношениям размеров обеспечиваются значения коэффициентов связи К₁₂, К₁₃ и К₂₃, близкие к единице, при расположении витков 18, 19 и 22 первой 14, дополнительной 15 и второй 16 обмоток в чередующейся последовательности в осевом (оси 17) направлении.

На фиг.3 представлен вариант выполнения индуктивного накопителя 3 энергии с ферритовыми вставками 23 между витками 20 и 21 внешних катушек первой 14 и дополнительной 15 обмоток, при этом ферритовые вставки 23 изолированы от витков 20 и 21 внешних катушек первой 14 и дополнительной 15 обмоток с помощью электроизолирующих прослоек 24, а внутренний диаметр ферритовых вставок 23 не меньше внутреннего диаметра витков 20 и 21. Благодаря введению между витками 20 и 21 ферритовых вставок обеспечивается большее изменение в сторону уменьшения величины коэффициентов связи К₁₃ и K₂₃ при подключении каждой внешней катушки параллельно соответствующей ей внутренней катушки. Здесь необходимо отметить, что оптимальная (с точки зрения расхода дорогостоящих материалов) толщина витков 22 второй обмотки 16 составляет 2,5-3,0 толщины скин-слоя на частоте 10⁶ Гц. На фиг.4 представлен другой вариант выполнения первой 14 и дополнительной 15 обмоток с использованием двух коаксиально расположенных проводников, а именно центрального проводника 25 и проводящей оболочки 26. В этом случае индуктивный накопитель 3 энергии содержит расположенные соосно оси 17 две внутренние катушки и одну внешнюю, при этом витки первой внутренней катушки выполнены из указанных выше двух коаксиально расположенных проводников 25 и 26, а витки 22 второй внутренней катушки и витки 21 внешней катушки выполнены из одиночных проводников. Витки внутренних катушек расположены в чередующейся последовательности в осевом (оси 17) направлении и имеют одинаковые внутренний и внешний диаметры. Первая внутренняя катушка и внешняя катушка выполнены с одинаковым количеством витков и шагом между ними, а витки первой внутренней катушки (проводящая оболочка 26) расположены напротив и с одинаковым радиальным зазором (аналогично тому, как изображено на фиг.2) относительно соответствующих им витков 21 внешней катушки. По крайней мере, между выводами проводящей оболочки 26 и соответствующими им выводами внешней катушки размещены управляемые разрядники для обеспечения возможности параллельного соединения между собой проводящей оболочки 26 и внешней катушки на этапе вывода накопленной энергии в нагрузку 12. Первый и второй выводы центрального проводника 25 являются соответственно первым и вторым выводами первой обмотки 14 индуктивного накопителя 3 энергии, первый и второй выводы проводящей оболочки 26 - соответственно первым и вторым выводами его дополнительной обмотки 15, а первый и второй выводы второй внутренней катушки с витками 22 - соответствующими выводами второй обмотки 16. Иными словами, внешняя катушка дополнительной обмотки 15 выполнена аналогично тому, как описано выше и наказано на фиг.3. Толщина проводящей оболочки 26 не меньше толщины скин-слоя на частоте 10⁶ Гц. Иными словами, в данном случае упрощается конструкция первой обмотки 14, а именно, отпадает необходимость в использовании ее внешней катушки, поскольку в интервале времени, соответствующем выводу запасенной энергии в нагрузку 12 значение коэффициента связи К₁₃ будет много меньше единицы.

Для обеспечения большего изменения в сторону уменьшения коэффцииента связи К₂₃ между витками 21 (аналогично тому, как показано на фиг.3) размещены ферритовые вставки 23, изолированные от витков 21 с помощью электроизолирующих прослоек 24, а внутренний диаметр ферритовых вставок 23 не меньше внутреннего диаметра витков 21.

На фиг.5 схематично представлена радиальная - r зависимость аксиальной (параллельной оси 17) составляющей Н_z(r) магнитного поля при протекании тока только по внутренней катушке первой обмотки 14 или дополнительной обмотке 15 (штриховая линия) и при протекании тока одновременно по параллельно включенным внутренней и внешней катушкам первой 14 или дополнительной 15 обмоткам (сплошная линия), при этом используются также следующие обозначения: R - внутренний радиус витков 18 и 19 внутренних катушек первой 14 и дополнительной 15 обмоток, а также витков 22 второй обмотки; В - расстояние между внутренней поверхностью витков 18 и 19 и внешней поверхностью витков 20 и 21, a b - расстояние между внутренней и внешней поверхностью витков 18, 19 и 22.

Генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью работает следующий образом. В исходном состоянии замыкатели 5-8, а также замыкатели-размыкатели 9 и 10 находятся в разомкнутом положении. Сначала осуществляется зарядка конденсатора 4 от второго источника 2 питания. Для этого первый замыкатель-размыкатель 9 переводится из разомкнутого положения в замкнутое положение и начинается зарядка конденсатора 4 протекающим через него током от источника 2 питания. Время зарядки конденсатора 4, как правило, составляет 10-30 с. Затем, предпочтительно до момента окончания зарядки конденсатора 4, осуществляется запуск первого источника 1 питания, в качестве которого предпочтительно используется генератор тока. После запуска первого источника 1 питания в цепи, содержащей последовательно соединенные первую обмотку 14 индуктивного накопителя 3 энергии и индуктивность 13, возбуждается электрический ток и начинается процесс накопления энергии в магнитном поле, который связан с током I_s, протекающим по первой обмотке 14. После достижения (за время 1-3 с) током в первой обмотке заданного значения I_s=I_o одновременно (аналогично тому, как это имеет место в прототипе) осуществляют перевод замыкателя 5 (в качестве которого может быть использован контактный коммутатор или управляемый разрядник) в замкнутое положение и выключают первый источник 1 питания. После зарядки конденсатора 4 до напряжения, обеспечивающего при замкнутом положении замыкателя 6 (с временем срабатывания 0,1-0,5 мкс) протекание по дополнительной обмотке 15 индуктивного накопителя 3 энергии импульса тока I_ор с амплитудой, равной току I_s, в первой обмотке 14, первый замыкатель-размыкатель 9 переводится в разомкнутое положение. Таким образом, вся запасенная в магнитном поле энергия связана с током I_s=I_o, протекающим по замкнутому контуру, образованному первой обмоткой 14 и индуктивностью 13, а конденсатор 4 заряжен до заданного напряжения.

3атем последовательно второй замыкатель-размыкатель 10 переводится в замкнутое положение, в результате чего вторая обмотка 16 индуктивного накопителя 3 энергии становится замкнутой накоротко, а после этого и замыкатель 6 также переводится в замкнутое положение. В результате в дополнительной обмотке 15 индуктивного накопителя 3 энергии, которая включена встречно его первой обмотке 14, возбуждается электрический ток I_op(t), величина которого монотонно возрастает. Следовательно, связанное с током I_op(t) магнитное поле имеет направление, противоположное направлению магнитного поля (энергия которого является запасенной энергией), связанного с током I_s=I_o в первой обмотке 14. Поскольку между первой обмоткой 14, дополнительной обмоткой 15 и второй обмоткой 16 индуктивного накопителя 3 энергии имеет место трансформаторная связь с коэффициентами связи соответственно: К₁₂, К₁₃ и K₂₃ и имеющими значение не ниже 0,98, то (согласно закону сохранения магнитного потока) возбуждение изменяющегося во времени тока I_op(t) в дополнительной обмотке 15 повлечет возбуждение в короткозамкнутой второй обмотке 16 электрического тока I_v(t), а также изменение (увеличение) тока I_s(t) в первой обмотке 14, которые в совокупности обеспечивают автоматическую компенсацию магнитного поля, создаваемого протекающим по дополнительной обмотке 15 током I_op(t). Таким образом, при разряде конденсатора 4 на дополнительную обмотку 15 индуктивного накопителя 3 энергии временные зависимости токов I_S(t) и I_v(t) соответственно) в первой 14 и во второй 16 обмотках будут иметь вид

где I_op(t) - ток в дополнительной обмотке 15; ξ=L_o-L₁.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения значения коэффициентов связи К₁₂, К₁₃ и К₂₃ близки к единице (не меньше 0,98), а ξ≥1. Следовательно, величина изменения тока I_s(t) относительно его первоначального значения, равного I_o, не будет превышать 2%. Здесь необходимо отметить существенную роль индуктивности 13 с точки зрения обеспечения повышения эффективности передачи электрической энергии во вторую обмотку 16. Действительно при увеличении ξ величина в квадратных скобках в выражении (1) - уменьшается, а следовательно, с увеличением ξ величина изменения тока в первой обмотке 14 будет меньше.

За время t=1,0-1,5 мкс величина тока в дополнительной обмотке 15 достигнет значения, равного величине тока в первой обмотке 14. При этом ток во второй обмотке 16 достигнет своего максимального значения, а вся запасенная ранее магнитная энергия будет связана уже с током во второй обмотке 16, поскольку первая 14 и дополнительная 15 обмотки в совокупности будут представлять собой безиндукционное сопротивление, так как токи в этих обмотках будут равны по величине и противоположны по направлению, аналогично тому, как это имеет место в катушках с бифилярной намоткой.

Затем ступенчато (за время 100-150 нс) изменяют коэффициент связи К₁₃ между первой обмоткой 14 и второй обмоткой 16 индуктивного накопителя 3 энергии, а также коэффициент связи К₂₃ между дополнительной обмоткой 15 и второй обмоткой 16. Для этого с помощью управляемых разрядников (на чертежах не показаны) параллельно внутренней катушке (c витками 18) первой обмотки 14, по которой протекает ток подключают ее внешнюю катушку (с витками 20), а параллельно внутренней катушке (с витками 19) дополнительной обмотки 15, по которой протекает ток =, но имеющий противоположное направление, подключают ее внешнюю катушку (с витками 21). В результате происходит не только распределение тока по обеим катушкам (виткам 18 и 20) первой обмотки 14 и распределение по обеим катушкам (виткам 19 и 21) дополнительной обмотки 15 индуктивного накопителя 3 энергии, но и изменение радиальной зависимости аксиальной составляющей магнитного поля H_z(r) (фиг.5). В результате потокосцепление второй обмотки 16 с первой 14 и дополнительной 15 обмотками уменьшится (уменьшатся величины М₁₃ и М₂₃), а индуктивности первой 14 и дополнительной 15 обмоток - увеличатся. Иными словами, значения коэффициентов связи К₁₃ и К₂₃ уменьшатся. При использовании дополнительно ферритовых вставок 23 (фиг.3, 4) потокосцепление второй обмотки 16 с первой 14 и дополнительной 15 обмотками индуктивного накопителя 3 энергии еще больше уменьшится.

Далее одновременно осуществляется перевод замыкателей 7 и 8 в замкнутое положение и размыкание замыкателя-размыкателя 10. В результате индуктивность 13, конденсатор 4, нагрузка 12 с разрядником 11, а также вое три обмотки индуктивного накопителя 3 энергии становятся включенными параллельно между собой, а наличие индуктивности 13 не приводит к закорачиванию обмоток индуктивного накопителя 3 энергии.

При размыкании замыкателя-размыкателя 10 на выводах второй обмотки 16 индуктивного накопителя 3 энергии возникает разность потенциалов, происходит пробой разрядника 11, ток I_v переключается на нагрузку 12 и (в результате преобразования магнитной энергии в электрическую) накопленная в одном объеме энергия магнитного поля за короткий промежуток времени (поскольку L₃<<L₁, L₂) выделяется в нагрузку 12. При этом необходимо отметить, что ступенчатое уменьшение коэффициентов связи K₁₃ и K₂₃, а также предложенное подключение замыкателей 7 и 8 позволяет не только (во время вывода запасенной энергии в нагрузку 12) уменьшить величину ЭДС, наводимых в первой 14 и дополнительной 15 обмотках в результате уменьшения величины тока во второй обмотке 16, но и обеспечить динамическую их компенсацию за счет соответствующих противотоков, обусловленных ответвлениями частей тока I_v в первую 14 и дополнительную 15 обмотки. Таким образом, обеспечивается дополнительное уменьшение потерь при выводе накопленной энергии в нагрузку 12. Что касается подзарядки конденсатора 4 за счет ответвления в него части тока второй обмотки 16, то запасенная в результате подзарядки в нем энергия выделится в нагрузке 12 на заключительном этапе вывода в нее запасенной энергии, в результате возникновения на этом этапе колебательного процесса. Иными словами, наличие конденсатора 4 также приводит к увеличению эффективности вывода энергии в нагрузку 12.

Предложенный генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью может быть использован при создании источников питания для импульсных ускорителей, для источников излучений, а также в термоядерных установках.

Изобретение относится к мощной импульсной энергетике. Техническим результатом является упрощение конструкции генератора с одновременным повышением эффективности передачи накопленной энергии в нагрузку, в том числе и за счет снижения потерь энергии при коммутации. Генератор импульсов содержит трехобмоточный индуктивный накопитель энергии, конденсатор, четыре замыкателя, два замыкателя-размыкателя, индуктивность и разрядник. Кроме того, генератор импульсов содержит первый источник питания, к выводам которого подключен первый замыкатель и последовательно соединенные индуктивность и первая обмотка. Второй источник своим первым выводом через первый замыкатель-размыкатель соединен с первым выводом конденсатора и первым выводом второго замыкателя. Дополнительная обмотка своим первым выводом соединена со вторыми выводами конденсатора и второго источника питания и встречно относительно первой обмотки. Второй вывод дополнительной обмотки соединен со вторым выводом второго замыкателя и вторым выводом четвертого замыкателя, а первый вывод первой обмотки соединен также со вторые выводом третьего замыкателя. Первая и дополнительная обмотки выполнены с коэффициентом связи, близким к единице. Первый вывод второй обмотки через разрядник соединен с первым выводом нагрузки, второй вывод которой соединен со вторым выводом второй обмотки. Первый вывод второй обмотки соединен с первым выводом второго замыкателя-размыкателя и первыми выводами, третьего и четвертого замыкателей, а второй вывод второй обмотки соединен со вторым выводом второго замыкателя-размыкателя, со вторым выводом первой обмотки к первым выводом дополнительной обмотки, а первая и дополнительная обмотки, или только дополнительная обмотка индуктивного накопителя энергии выполнены с возможностью обеспечения значений их коэффициентов связи со второй обмоткой, близких к единице, при накоплении энергии и возбуждении тока во второй обмотке, а также ступенчатого уменьшения значений упомянутых выше коэффициентов связи со второй обмоткой при выводе накопленной энергии в нагрузку. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью, содержащий трехобмоточный индуктивный накопитель энергии, конденсатор, первый источник питания, каждый вывод которого соединен с соответствующим ему выводом первого замыкателя, второй источник питания, первый вывод которого через первый замыкатель-размыкатель соединен с первым выводом конденсатора и первым выводом второго замыкателя, первая и дополнительная обмотки индуктивного накопителя энергии выполнены с коэффициентом связи, близким к единице, а первый вывод второй обмотки через разрядник соединен с первым выводом нагрузки, второй вывод которой соединен со вторым выводом второй обмотки, отличающийся тем, что он дополнительно содержит третий и четвертый замыкатели, второй замыкатель-размыкатель и индуктивность, первый вывод которой соединен с одними из выводов первого источника питания, второй вывод индуктивности соединен со вторым выводом третьего замыкателя и с первым выводом первой обмотки, второй вывод которой соединен с другим выводом первого источника питания, дополнительная обмотка своим первым выводом соединена со вторым выводом второго источника питания, вторым выводом конденсатора и встречно относительно первой обмотки, второй вывод дополнительной обмотки соединен со вторым выводом второго замыкателя и вторым выводом четвертого замыкателя, первый вывод второй обмотки соединен с первым выводом второго замыкателя-размыкателя и первыми выводами третьего и четвертого замыкателей, а второй вывод второй обмотки соединен со вторым выводом второго замыкателя-размыкателя, со вторым выводом первой обмотки и первым выводом дополнительной обмотки, а первая и дополнительная обмотки или только дополнительная обмотка индуктивного накопителя энергии выполнены с возможностью обеспечения значений их коэффициентов связи со второй обмоткой, близких к единице, при накоплении энергии и возбуждении тока во второй обмотке, а также ступенчатого уменьшения значений упомянутых выше коэффициентов связи со второй обмоткой при выводе накопленной энергии в нагрузку.2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в индуктивном накопителе энергии первая обмотка выполнена в виде двух коаксиально расположенных внутренней и внешней однослойных катушек, дополнительная обмотка также выполнена в виде коаксиально расположенных относительно той же оси внутренней и внешней однослойных катушек, а вторая обмотка выполнена в виде однослойной катушки, расположенной соосно указанным выше обмоткам, внутренний диаметр витков внутренней катушки первой обмотки равен внутреннему диаметру витков внутренней катушки дополнительной обмотки и внутреннему диаметру витков второй обмотки, внешний диаметр витков внутренней катушки первой обмотки равен внешнему диаметру витков внутренней катушки дополнительной обмотки и внешнему диаметру витков второй обмотки, витки внутренних катушек первой и дополнительной обмоток, а также витки второй обмотки расположены в чередующейся последовательности в осевом направлении, внутренняя и внешняя катушки первой обмотки выполнены с одинаковым количеством витков и шагом между ними, внутренняя и внешняя катушки дополнительной обмотки также выполнены с одинаковым количеством витков и шагом между ними, а витки каждой внутренней катушки расположены напротив и с одинаковым радиальным зазором относительно соответствующих им витков внешних катушек, имеющих одинаковый внешний диаметр своих витков, по крайней мере между выводами каждой из упомянутой выше пары катушек размещены управляемые разрядники для обеспечения возможности параллельного соединения между собой соответственно внутренней и внешней катушек первой обмотки и внутренней и внешней катушек дополнительной обмотки на этапе вывода накопленной энергии в нагрузку, при этом первым выводом первой обмотки является первый вывод ее внутренней катушки, вторым выводом первой обмотки является второй вывод ее внутренней катушки, а первым и вторым выводами дополнительной обмотки являются соответственно первый и второй выводы ее внутренней катушки.3. Генератор по п.2, отличающийся тем, что между витками внешних катушек первой и дополнительной обмоток размещены ферритовые вставки, электрически изолированные от витков внешних катушек, при этом внутренний диаметр ферритовых вставок не меньше внутреннего диаметра витков внешних катушек первой и дополнительной обмоток.4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что индуктивный накопитель энергии содержит соосно расположенные две внутренние катушки и одну внешнюю, при этом витки первой внутренней катушки выполнены из коаксиально расположенных центрального проводника и проводящей оболочки, а витки второй внутренней и внешней катушек - из одиночных проводников, витки внутренних катушек расположены в чередующейся последовательности в осевом направлении и имеют одинаковые внутренний и внешний диаметры, первая внутренняя катушка и внешняя катушка выполнены с одинаковым количеством витков и шагом между ними, а витки первой внутренней катушки расположены напротив и с одинаковым радиальным зазором относительно соответствующих им витков внешней катушки, при этом по крайней мере между выводами проводящей оболочки и соответствующими им выводами внешней катушки размещены управляемые разрядники для обеспечения возможности параллельного соединения между собой проводящей оболочки и внешней катушки на этапе вывода накопленной энергии в нагрузку, причем первый и второй выводы центрального проводника являются соответственно первым и вторым выводами первой обмотки индуктивного накопителя энергии, первый и второй выводы проводящей оболочки - соответственно первым и вторым выводами его дополнительной обмотки, а первый и второй выводы второй внутренней катушки - соответствующими выводами второй обмотки.5. Генератор по п.4, отличающийся тем, что между витками внешней катушки размещены ферритовые вставки, электрически изолированные от витков внешней катушки, при этом внутренний диаметр ферритовых вставок не меньше внутреннего диаметра витков внешней катушки.