Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрофизических установках с высоковольтными емкостными накопителями энергии.
Известен генератор импульсных напряжений [1], содержащий ряд накопительных конденсаторов, тиристорных коммутаторов, токоограничивающих дросселей, вспомогательный генератор импульсов и активную нагрузку.
Недостатком известного устройства является сложность силовой схемы, увеличенные его масса и габариты.
В качестве прототипа выбран известный генератор импульсных напряжений [2], содержащий последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор и активную нагрузку.
Общим недостатком известных устройств является значительная энергоемкость накопительного конденсатора, его масса и габариты при формировании в активной нагрузке прямоугольных импульсов из-за снижения напряжения в силовом контуре, подводимого к активной нагрузке, в процессе разряда накопительного конденсатора.
Предлагаемым изобретением решается задача снижения энергоемкости, массы и габаритов накопительных конденсаторов генераторов импульсных напряжений.
Технический результат от использования изобретения состоит в постепенном увеличении напряжения в силовом контуре и поддержании величины тока и напряжения в активной нагрузке в пределах заданной нестабильности.
Указанный технический результат достигается с помощью генератора импульсных напряжений, содержащего зарядное устройство и последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку и тиристорный регулятор напряжения, включенный между накопительным конденсатором и коммутатором, содержащий N последовательно соединенных звеньев, каждое из которых содержит тиристор, к катоду которого присоединена отрицательная обкладка дополнительного накопительного конденсатора, а положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора присоединена аноду тиристора смежного звена, причем анод тиристора первого звена подключен к положительному выводу дополнительного зарядного устройства, а катод тиристора последнего звена присоединен к отрицательному выводу дополнительного зарядного устройства, а анод тиристора и положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора каждого звена соединены диодом, анод которого присоединен к аноду тиристора, катоды тиристоров смежных звеньев также соединены диодами, причем аноды диодов присоединены к электродам тиристоров предыдущих, а катоды к электродам тиристоров последующих звеньев, считая от точки подключения положительного вывода дополнительного зарядного устройства.
Введение тиристорного регулятора, включенного последовательно с накопительным конденсатором и нагрузкой, позволяет поддерживать величину тока и напряжения нагрузки в пределах заданной нестабильности путем постепенного увеличения его напряжения при разряде накопительного конденсатора на интервале формирования импульса. Это дает возможность, по сравнению с прототипом, уменьшить энергоемкость, массу и габариты накопительного конденсатора при заданной нестабильности вершины импульсов выходного напряжения.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема генератора импульсных напряжений, где 1 - зарядное устройство, 2 - накопительный конденсатор, 3 - транзисторный высоковольтный коммутатор, 4 - активная нагрузка, 5 - тиристорный регулятор с числом звеньев N=4, 6, 7, 8, 9 - тиристоры регулятора, 10, 11, 12, 13 - дополнительные накопительные конденсаторы, 14 - дополнительное зарядное устройство, 15, 16, 17, 18,19, 20, 21 - диоды звеньев тиристорного регулятора.
На фиг.2 приведены диаграммы работы генератора импульсных напряжений. На диаграммах буквами обозначены: а - ток нагрузки 4; б - напряжение нагрузки 4; в - сигнал управления транзисторным высоковольтным коммутатором 3; г, д, е, ж - сигналы управления 6, 7, 8, 9 тиристорами регулятора 5 соответственно.
Устройство содержит зарядное устройство 1 и последовательно соединенные накопительный конденсатор 2, транзисторный высоковольтный коммутатор 3 и активную нагрузку 4. Между положительной обкладкой накопительного конденсатора 2 и транзисторным высоковольтным коммутатором 3 включен тиристорный регулятор напряжения 5, содержащий N=4 последовательно соединенных звеньев, каждое из которых содержит тиристор 6, 7, 8, 9, к катоду которого присоединена отрицательная обкладка дополнительного накопительного конденсатора 10, 11, 12, 13, а положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора присоединена аноду тиристора смежного звена, причем анод тиристора 6 первого звена подключен к положительному выводу дополнительного зарядного устройства 14, а катод тиристора 9 последнего звена присоединен к отрицательному выводу дополнительного зарядного устройства 14, а анод тиристора и положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора каждого звена соединены диодом 15, 16, 17, 18, анод которого присоединен к аноду тиристора. Катоды тиристоров смежных звеньев соединены диодами 19, 20, 21, причем аноды диодов присоединены к электродам тиристоров предыдущих, а катоды к электродам тиристоров последующих звеньев, считая от точки подключения положительного вывода дополнительного зарядного устройства 14.
Принцип работы предлагаемого устройства поясняется диаграммами, приведенными на фиг.2, и заключается в следующем.
На интервале формирования импульса напряжения в нагрузке в работе устройства можно выделить N+1 интервалов непрерывности, соответствующих включенному состоянию транзисторного коммутатора 3 и тиристоров 6, 7, 8, 9.
После зарядки накопительного конденсатора 2 от зарядного устройства 1 до заданного начального уровня напряжения U01 и дополнительных накопительных конденсаторов 10, 11, 12, 13 до заданного начального уровня напряжения U02 от дополнительного зарядного устройства 14 через открытые диоды 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 тиристорного регулятора 5, система управления отпирает транзисторный коммутатор 3 и далее поочередно с заданной временной задержкой включает тиристоры 6, 7, 8, 9.
На первом интервале тиристоры 6, 7, 8, 9 заперты и накопительный конденсатор 2 разряжается на нагрузку 4 через последовательно соединенные диоды 15, 16, 17, 18. На втором и последующих интервалах при поочередном отпирании тиристоров 6, 7, 8, 9 к диодам 15, 16, 17, 18 прикладывается обратное напряжение конденсаторов 10, 11, 12, 13, вызывая их запирание. При этом последовательно с накопительным конденсатором 2 поочередно подключаются: дополнительный накопительный конденсатор 10, затем последовательно соединенные дополнительные накопительные конденсаторы 10, 11, затем последовательно соединенные конденсаторы 10, 11, 12, затем последовательно соединенные конденсаторы 10, 11, 12, 13. В результате, при снижающемся при разряде напряжении накопительного конденсатора 2, напряжение тиристорного регулятора 5 увеличивается за счет увеличения числа последовательно соединяемых дополнительных накопительных конденсаторов, что компенсирует снижение напряжения накопительного конденсатора 2, а также изменение напряжения и тока в нагрузке. При этом кривые тока и напряжения нагрузки изменяются между максимальными и минимальными значениями и имеют вид, представленный кривыми а, б на фиг.2.
На произвольном j-м интервале работы генератора, когда происходит разрядка дополнительных накопительных конденсаторов 1-го, 2-го, 3-го,…j-1-го звеньев регулятора 5, напряжение k-го дополнительного накопительного конденсатора (j>k) при малых пульсациях тока нагрузки i=I=const определяется из формулы
Напряжение накопительного конденсатора 2 при тех же условиях определяется из формулы
В формулах (1) и (2) τ1, τ2, τ3,… τj-1 - длительности соответствующих интервалов работы генератора; U01, U02 - начальные значения напряжений накопительного конденсатора 2 и дополнительных накопительных конденсаторов 10, 11, 12, 13 соответственно, предшествующие началу формирования импульса в нагрузке.
Напряжения k-го дополнительного накопительного конденсатора в начале и конце j-го интервала формирования импульса в нагрузке будут иметь значения
Напряжения накопительного конденсатора 2 в начале и конце j-го интервала формирования импульса в нагрузке будут иметь значения
Напряжение на нагрузке uнj, на j-м интервале равно сумме напряжений накопительного конденсатора 2 и напряжений (j-1) дополнительных накопительных конденсаторов тиристорного регулятора 5 и в общем случае определяется из формулы
Напряжение на нагрузке в начале j-го интервала в соответствии с (3), (5) и (7) будет
Аналогично из выражений (4), (6) и (8) определяется напряжение на нагрузке в конце j-го интервала
Из формул (8) и (9) находим выражение снижения напряжения на нагрузке на j-м интервале формирования импульса напряжения в нагрузке 4, обусловленное разрядом конденсаторов силового контура на нагрузку
В начале очередного (j+1)-го интервала формирования импульса напряжения за счет включения очередного дополнительного накопительного конденсатора напряжение на нагрузке скачком возрастает на величину, равную напряжению U02
При постоянной величине пульсаций напряжения нагрузки в процессе формирования импульса выполняется равенство
а длительность произвольного у-го интервала в соответствии с выражением (10) будет
где - относительная величина пульсации напряжения нагрузки и относительная величина начального напряжения дополнительных накопительных конденсаторов соответственно; - среднее значение напряжения нагрузки на интервале и периоде формирования импульса; - относительная величина емкости накопительного конденсатора 2.
Задержка отпирания k-го тиристора регулятора 5 относительно момента начала формирования выходного импульса с учетом выражения (13) определяется из формулы
где k=1…N.
Длительность формируемого импульса равна
В известном генераторе импульсных напряжений, содержащем только один накопительный конденсатор, как следует из выражения (15), длительность формируемого импульса будет
где C0 - величина емкости накопительного конденсатора известного устройства.
Из выражений (15) и (16) определяем соотношение между емкостями накопительных конденсаторов известного и предлагаемого генератора при формировании импульса с одинаковыми параметрами и при одном и том же сопротивлении нагрузки
При выполнении условия (если выбрать ) выражение (17) после преобразований примет вид
При формировании импульса в нагрузке напряжения дополнительных накопительных конденсаторов снижаются, причем наибольшее снижение имеет место в конденсаторе 1-го звена, который разряжается на протяжении интервала времени, равного (Tи - τ1). Величина этого снижения ΔUдк при сделанных ранее допущениях определяется из равенства
Решая совместно (12), (13), (15) и (19), получаем выражение для определения относительной величины емкости накопительного конденсатора 2
где - относительная величина пульсации напряжения дополнительных накопительных конденсаторов.
При условии выражение (20) преобразуется к виду
Энергоемкость накопительного конденсатора известного устройства с учетом (12) равна
Суммарная энергоемкость накопительного конденсатора 2 и дополнительных накопительных конденсаторов предлагаемого генератора импульсных напряжений с учетом выражений (12), (21) и (22) будет равна
Из выражений (21…23) находим соотношение энергоемкостей накопительных конденсаторов предлагаемого и известного устройств
Из формул (18) и (24) следует, что в предлагаемом устройстве, например, при значениях и N=10 требуемое значение емкости накопительного конденсатора равно С1≈0,091C0 при формировании импульса с одинаковыми параметрами (длительность, среднее значение, величина пульсаций выходного напряжения на вершине импульса) и одном и том же сопротивлении нагрузки. При этом суммарная энергоемкость накопительного конденсатора и дополнительных накопительных конденсаторов будет равна WΣ≈0,1·WC0.
Из приведенного описания и выражений для расчета следует, что применение предлагаемого устройства позволяет значительно уменьшить величину емкости и энергии, накопительного конденсатора, снизить его массу и габариты при заданной величине пульсаций выходного напряжения на вершине импульса. Кроме того, уменьшение энергоемкости накопительного конденсатора в предлагаемом устройстве позволяет уменьшить негативные последствия аварийных режимов, связанных с полным разрядом накопительного конденсатора на нагрузку при выходе из строя высоковольтного транзисторного ключа.
Источники информации
1. А.с. 1003310 СССР, Н03К 3/53, Генератор высоковольтных импульсов. / Кириенко В.П., Ваняев В.В. // Опубл. 07.03.83.
2. M.P.J.Gaudreau, J.A.Casey, T.P.Hawkey, J.M.Mulvaney, M.A.Kempkes, P.Ver Planck. Solid state modulator application in linear accelerators // Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999, p.1491-1493.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ | 2017 |
|
RU2682015C1 |
Устройство для управления симистором | 1986 |
|
SU1403277A1 |
СПОСОБ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОФИЛЬТРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ | 2001 |
|
RU2207191C2 |
ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР ДЛЯ ПИТАНИЯ ЁМКОСТНОЙ НАГРУЗКИ | 2000 |
|
RU2214040C2 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ НАГРУЗОК | 2009 |
|
RU2400013C1 |
Устройство для заряда накопительных конденсаторов | 1977 |
|
SU680152A1 |
Формирователь импульсов с удвоением напряжения | 1976 |
|
SU613492A1 |
Формирователь управляющих импульсов постоянного тока | 1980 |
|
SU993452A1 |
Способ генерирования импульсов магнитно-тиристорным генератором и магнитно-тиристорный генератор | 1984 |
|
SU1356217A1 |
Устройство для деления напряжения | 1990 |
|
SU1778888A1 |
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрофизических установках с высоковольтными емкостными накопителями энергии. В генератор импульсных напряжений, содержащий зарядное устройство и последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку, между накопительным конденсатором и коммутатором введен тиристорный регулятор напряжения, содержащий звенья, каждое из которых включает в себя тиристор, дополнительный накопительный конденсатор и диоды, а также дополнительное зарядное устройство. Введение тиристорного регулятора напряжения позволяет значительно уменьшить величины емкости и энергии накопительного конденсатора, а также его массу и габариты при заданной величине пульсаций выходного напряжения на вершине импульса. Кроме того, снижение энергоемкости накопительного конденсатора уменьшает негативные последствия аварийных режимов полного разряда накопительного конденсатора на нагрузку. 2 ил.
Генератор импульсных напряжений, содержащий зарядное устройство и последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку, отличающийся тем, что между накопительным конденсатором и коммутатором включен тиристорный регулятор напряжения, содержащий последовательно соединенные звенья, каждое из которых содержит тиристор, к катоду которого присоединена отрицательная обкладка дополнительного накопительного конденсатора, а положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора присоединена к аноду тиристора смежного звена, причем анод тиристора первого звена подключен к положительному выводу дополнительного зарядного устройства, а катод тиристора последнего звена присоединен к отрицательному выводу дополнительного зарядного устройства, а анод тиристора и положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора каждого звена соединены диодом, анод которого присоединен к аноду тиристора, катоды тиристоров смежных звеньев также соединены диодами, причем аноды диодов присоединены к электродам тиристоров предыдущих, а катоды - к электродам тиристоров последующих звеньев, считая от точки подключения положительного вывода дополнительного зарядного устройства.
Металлический водоудерживающий щит висячей системы | 1922 |
|
SU1999A1 |
МАГНИТНО-ТИРИСТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ | 2005 |
|
RU2315421C2 |
US 4365287 A, 21.12.1982 | |||
Механический грохот | 1922 |
|
SU41A1 |
Авторы
Даты
2010-11-10—Публикация
2009-11-16—Подача