ГЕНЕРАТОР СЕРИИ ИМПУЛЬСОВ ТОКА Российский патент 2012 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к мощной импульсной технике, а более конкретно к устройствам для генерации конечных последовательностей импульсов тока килоамперного диапазона в активной нагрузке, например в светотехнических устройствах, ускорителях заряженных частиц, источниках микроволного излучения, импульсных радарах и лазерной технике.

Из достигнутого уровня техники известен генератор серии импульсов тока, содержащий два одинаковых зарядо-накопительных элемента, например, выполненных в виде разомкнутой длинной (передающей) линии или конденсатора, спаренный переключатель на три положения со средним нейтральным положением, источник питания, нагрузку и процессорный блок управления спаренными подвижными контактами переключения, к которым подключена нагрузка. Зарядо-накопительные элементы соединены последовательно и подключены к первому и второму выводам источника питания, при этом первый вывод источника питания подключен также к первому неподвижному контакту, взаимодействующему с первым подвижным контактом, второй вывод источника питания подключен также к третьему неподвижному контакту, взаимодействующему со вторым подвижным контактом, а третий неподвижный контакт, взаимодействующий с первым подвижным контактом, является также и первым неподвижным контактом, взаимодействующим со вторым подвижным контактом, и соединен с точкой соединения зарядо-накопительных элементов между собой (см. заявку ЕР N608617, 1994).

Недостаток этого генератора заключается в том, что он не может быть использован для генерации серии импульсов тока килоамперного диапазона, которые необходимы для функционирования мощных импульсных ускорителей заряженных частиц, источников микроволного излучения, импульсных радаров, ускорителей макротел, лазерной техники, поскольку переключение контактных устройств связано с появлением дугового разряда, для гашение которого необходимы дополнительные гасители дугового разряда.

Известен также реализующий параллельный принцип прерывания, генератор серии тока, взятый в качестве прототипа и содержащий включенный в цепь с килоамперным источником постоянного тока в вакуумный контактор, нагрузку, подключенную параллельно вакуумному контактору, а также индуктивность, два управляемых вакуумных разрядника, основной емкостной накопитель энергии, дополнительный емкостной накопитель энергии и полупроводниковый диод, причем первый вывод вакуумного контактора через индуктивность соединен с первыми выводами обоих управляемых вакуумных разрядников, второй вывод первого управляемого вакуумного разрядника соединен с плюсовым выводом полупроводникового диода, минусовым выводом основного емкостного накопителя энергии и плюсовым выводом дополнительного емкостного накопителя энергии, минусовой вывод которого соединен с вторым выводом второго управляемого вакуумного разрядника, а плюсовой вывод основного емкостного накопителя энергии соединен с минусовым выводом полупроводникового диода и со вторым выводом вакуумного контактора. Основной емкостной накопитель энергии выполнен с обеспечением возможности формирования импульса противотока в вакуумном контакторе с амплитудой, не более чем на 5 кА превышающий ток источника постоянного тока. (см. Egorov O.G. «Development of a combined opening switch for the project of generators on inductive storages». // Proceeding of the XXIV^th International symposium on discharges and electrical insulation in vacuum. Braunschweig, Germany, August 30 - September 3, 2010, pp.530-533.)

Осуществление используемого в прототипе принципа формирования конечных последовательности (серии) импульсов тока с амплитудой от 50 кА путем прерывания с помощью вакуумного контактора килоамперного диапазона, протекающего через нагрузку, возможно только при высоком ресурсе вакуумного контактора. Использование же основного емкостного накопителя энергии, обеспечивающего формирование импульса противотока через вакуумный контактор с амплитудой, не более чем на 5 кА превышающий ток источника постоянного тока, позволяет перед разведением электродов вакуумного контактора создать условия для возникновения дугового разрядка, при которых не происходит уменьшение ресурса вакуумного контактора. Однако использование дополнительного емкостного накопителя энергии не обеспечивает надежного выключения (размыкания) первого управляемого вакуумного разрядника. Другой недостаток прототипа заключается в необходимости периодического использования во время работы генератора дополнительного источника энергии, мощность которого зависит к тому же от частоты следования импульсов тока в нагрузке. Кроме того, использование дополнительного источника энергии приводит к существенному увеличению весогабаритных параметров.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению работы генератора серий импульсов тока без использования дополнительного источника энергии для периодической зарядки накопителей энергии, входящих в его состав, при одновременном повышении надежности выключения управляемых вакуумных разрядников.

Поставленная задача решена тем, что генератор серий импульсов тока, содержащий включенный в цепь с источником постоянного тока вакуумный контактор, нагрузку, подключенную параллельно вакуумному контактору, а также первую индуктивность, два управляемых вакуумных разрядника, емкостной накопитель энергии, дополнительный накопитель энергии и полупроводниковый диод, причем первый вывод нагрузки через первую индуктивность соединен с первыми выводами первого и второго управляемых вакуумных разрядников, второй вывод первого управляемого вакуумного разрядника соединен со вторым выводом дополнительного накопителя энергии, минусовым выводом емкостного накопителя энергии и плюсовым выводом полупроводникового диода, второй вывод второго управляемого вакуумного разрядника соединен с первым выводом дополнительного накопителя энергии, а плюсовой вывод емкостного накопителя энергии и минусовой вывод полупроводникового диода соединены вторым выводом нагрузки, согласно изобретению дополнительно содержит третий и четвертый управляемые вакуумные разрядники, вторую индуктивность, блок индуктивностей, выполненный в виде М, где М≥10, одинаковых последовательно соединенных между собой индуктивностей величиной L₀ каждая, при этом отводы от первых выводов каждой индуктивности являются первыми М выводами блока индуктивностей, а второй вывод М индуктивностей является М+1 выводом блока индуктивностей, блок коммутации, содержащий М одинаковых и синхронно срабатывающий ключей, первые выводы которых являются первой группой из М выводов блока коммутации, вторые выводы ключей являются второй группой из М выводов блока коммутации, блок конденсаторов, выполненный из М одинаковых конденсаторов емкостью С₀ каждый, причем первые выводы конденсаторов являются первыми М выводами блока конденсаторов, а соединенные между собой вторые выводы конденсаторов являются М-1 выводом блока конденсаторов, а также резистор, дополнительный накопитель энергии снабжен третьим выводом и выполнен в виде искусственной длинной линии (ИДЛ) из N, где N≥10, последовательно включенных идентичных L_dC_d звеньев, вывод индуктивности L_d первого звена ИДЛ, который не соединен с конденсатором C_d этого звена является первым выводом дополнительного накопителя энергии, соединенные между собой выводы всех конденсаторов C_d ИДЛ являются вторым выводом дополнительного накопителя энергии, а третий вывод дополнительного накопителя энергии является ее отводом или от точки соединения индуктивности и конденсатора N-го звена ИДЛ, или отводом от ее середины, при этом третий вывод дополнительного накопителя энергии соединен с первым выводом третьего управляемого вакуумного разрядника, второй вывод которого соединен с первым выводом четвертого управляемого вакуумного разрядника и М+1 выводом блока индуктивностей, первый вывод которого соединен с первым выводом второй индуктивности, выводы блока индуктивностей с первого по М соединены с соответствующим каждому из них выводом первой группы из М выводов блока коммутации, выводы второй группы выводов которого соединены с соответствующим каждому из них выводом с первого по М выводам блока конденсаторов, М+1 вывод которого, второй вывод второй индуктивности соединены со вторым выводом нагрузки, а через резистор - со вторым выводом четверного вакуумного разрядника.

Преимущество патентуемого генератора серий импульсов тока, по сравнению с прототипом, заключается в обеспечении его функционирования без использования дополнительного (имеющего значительные весогабаритные параметры) источника энергии, за счет, с одной стороны, обеспечения накопления (в интервале времени, соответствующем формированию переднего фронта импульса тока в нагрузке) во входящем в состав этого генератора дополнительном накопителе такого количества энергии (от также входящего в состав генератора источника постоянного тока), которое не менее чем на 10% превышает суммарную начальную энергию основного и дополнительного накопителей энергии, и, с другой стороны, за счет обеспечения использования упомянутой выше накопленной энергии для приведения накопителей в первоначальное состояние. Кроме того, в патентуемом генераторе обеспечивается надежное отключение всех управляемых вакуумных разрядников путем создания паузы тока соответствующей длительности. Остальные технические результаты, достигаемые при использовании патентуемого изобретения, станут ясными из дальнейшего описания конкретного примера его осуществления.

На фиг.1 изображена принципиальная схема генератора серий импульсов тока; на фиг.2 - временные - t зависимости тока I₁ через вакуумный контактор; тока I₂ через первый управляемый вакуумный разрядник; тока I₃ через второй управляемый вакуумный разрядник; тока I₄ через третий управляемый вакуумный разрядник; на фиг.3 - временные зависимости напряжения U₁ на емкостном накопителе энергии, напряжение U₂ на дополнительном накопителе энергии; на фиг.4 - временная зависимость тока I_н через нагрузку.

Генератор серий импульсов тока содержит включенный в цепь с килоамперным источником постоянного тока (не показан) вакуумный контактор 1, активную нагрузку 2, подключенную параллельно вакуумному контактору 1, а также первую индуктивность 3, величиной L₁, первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 управляемые вакуумные разрядники каждый с блоками поджига (не показан), емкостной накопитель 8 энергии, полупроводниковый диод 9, вторую индуктивность 10 величиной L₂, дополнительный накопитель 11 энергии, выполненный в виде искусственной длинной линии (ИДЛ) из N, где N≥10, последовательно включенных идентичных, например Г-образных L_dC_d-звеньев 12. ИДЛ выполнен с отводом 13 или 14, при этом вывод индуктивности L_d первого звена ИДЛ, который не соединен с конденсатором C_d этого же звена, является первым (минусовым) выводом 15 дополнительного накопителя 11 энергии, а соединенное между собой выводы конденсаторов C_d всех звеньев 12 ИДЛ являются вторым (плюсовым) выводом 16 дополнительного накопителя 11 энергии. Третий вывод 17 дополнительного накопителя 11 энергии соединен (на чертеже это соединение показано прерывистой линией со стрелками) или с ее отводом 13 ИДЛ, выполненным от точки соединения индуктивности L_d N/2 и N/2+1 звеньев, или отводом 14 ИДЛ, выполненным от точки соединения индуктивности L_d и конденсатора C_d N-звена ИДЛ, если N четные. При нечетном N, в этом случае отвод 13 выполнятся от точки соединения индуктивности L_d и конденсатора C_d общей точки соединения (N-1)/2 или (N+1)/2 звена ИДЛ, или отводом 14 ИДЛ, выполненным от точки соединения индуктивности L_d и конденсатора C_d N-звена ИДЛ. Иными словами, третий вывод 17 дополнительного накопителя 11 энергии является или отводом от точки соединения индуктивности и конденсатора N-го звена ИДЛ, или отводом от середине (или от близкого к середине) ИДЛ.

Кроме того, генератор серий импульсов тока содержит блок 18 индуктивностей, выполненный в виде М одинаковых последовательно соединенных между собой индуктивностей 19.1, 19.2,…, 19.m,…, 19.М (где m=1, 2,…M) величиной L₀ каждая; блок 20 коммутации, содержащий М одинаковых и синхронно срабатывающих ключей 21.1, 21.2,…, 21.(m-1), 21.m,…, 21.(M-1), 21.M, первые выводы которых являются первой группой из М выводов 22.1, 22.2,…, 22.(m-1), 22.m,…, 22.(M-1), 22.M блока 20, а вторые выводы ключей 21.1…, 21.M являются второй группой из М выводов 23.1, 23.2,…, 23.(m-1), 23.m,…, 23.(M-1), 23.M блока 20, а также блока 24 конденсаторов, выполненного из М одинаковых конденсаторов 25.1, 25.2,…, 25.(m-1), 25.m,…, 25.M, емкостью С₀ каждый. Первые выводы конденсаторов 21.1,…, 25.М являются (соответственно с первого по М) выводами 26.1, 26.2,…, 26.(m-1), 26.m,…, 26.(M-1), 26.M блока 24 конденсаторов, а соединенные между собой вторые выводы конденсаторов 26.1,-26.M являются М+1 выводом 26.(М+1) блока 24 конденсаторов. Первый вывод первой индуктивности 19.1 блока 18 индуктивностей является его первым выводом 27.1, отводы от первых выводов остальных М-1 индуктивностей 19.2…19.М являются следующими (М-1) выводами 27.2, 27.3,…, 27.(m-1), 27.m,…27.M блока 18, а второй вывод индуктивностей 19.М является (М+1) выводом 27.(М+1) блока 18 индуктивностей.

Первый вывод нагрузки 2 через первую индуктивность 3 соединен с первыми выводами первого 4 и второго 5 управляемых вакуумных разрядников. Второй вывод первого управляемого вакуумного разрядника 4 соединен со вторым (плюсовым) выводом 16 дополнительного накопителя 11 энергии, минусовым выводом емкостного накопителя 8 энергии и плюсовым выводом полупроводникового диода 9. Второй вывод второго управляемого вакуумного разрядника 5 соединен с первым (минусовым) выводом 15 дополнительного накопителя 11 энергии, третий вывод 17 которого соединен с первым выводом третьего управляемого вакуумного разрядника 6, второй вывод которого соединен с первым выводом четвертого управляемого вакуумного разрядника 7 и с выводом 27.(М+1) блока 18 индуктивностей. Выводы блока 18 индуктивностей с 27.1 по 27.M соединены с соответствующими каждому из них выводом с 22.1 по 27.M первой группы выводом блока 20 коммутации. Выводы блока 24 конденсаторов с 26.1 по 26.М соединены с соответствующими каждому из них выводом с 23.1 по 23.М второй группы выводом блока 20 коммутации. Первый вывод 27.1 блока 18 индуктивностей соединен с первым выводом второй индуктивности 10, при этом второй вывод индуктивности 10, М+1 вывод 26.(М+1) блока 24 конденсаторов, плюсовой вывод емкостного накопителя 8 энергии и минусовой вывод полупроводникового диода 9 соединены со вторым выводом нагрузки 2, с которым через резистор 28 соединен также второй вывод четвертого управляемого вакуумного разрядника 7. Для повышения мощностных параметров каждый из управляемых вакуумных разрядников 4, 5, 6 и 7 может быть выполнен в виде нескольких параллельно включенных управляемых вакуумных разрядников, при этом каждый блок поджига параллельно включенной группы управляемых вакуумных разрядников выполнен с обеспечением синхронного поджига всех включенных параллельно друг другу управляемых вакуумных разрядников соответствующей группы.

Генератор серий импульсов тока работает следующим образом. Перед каждым выполнением серии импульсов тока от дополнительных источников постоянного напряжения (не показаны) осуществляется предварительная зарядка емкостного накопителя 8 энергии до напряжения U₁₀, а также ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии до напряжения U₂₀>U₁₀, при этом U₂₀=ρ·I₀, где ρ - волновое сопротивление ИДЛ, удовлетворяющее соотношению ρ=(10^-3÷10^-4)·R₁, a R₁ - суммарное сопротивление первого 4 и второго 5 управляемых вакуумных разрядников во включенном положении (фиг.3). После этого генератор серий импульсов тока готов к работе.

В исходном состоянии электроды вакуумного контактора 1 находятся в замкнутом положении и через них протекает ток I₁=I₀ от источника постоянного тока (не показан), управляемые вакуумные разрядники 4-7 находятся в выключенном (разомкнутом) положении, а ключи 21.1÷21.М блока 20 коммутации также находятся в разомкнутом положении. Для формирования первого импульса тока I_H в нагрузке 2 с помощью соответствующего блока поджига (не показан) осуществляется, в момент времени t₁, включение (замыкание) первого управляемого вакуумного разрядника 4. В результате емкостной накопитель 8 энергии оказывается включенным в замкнутый контур из последовательно соединенных между собой вакуумного контактора 1, первой индуктивности 3 и первого управляемого вакуумного разрядника 4, при этом электроды вакуумного контактора 1 находятся в замкнутом положении, а управляемый вакуумный разрядник 4 во включенном (замкнутом) положении. Таким образом, начиная с момента времени t₁ происходит разряд емкостного накопителя 8 энергии через последовательно соединенные замкнутые электроды вакуумного контактора 1, индуктивность 3 и находящийся в включенном (замкнутом) положении управляемый вакуумный разрядник 4, при этом, поскольку плюсовой вывод емкостного накопителя 8 энергии соединен со вторым выводом нагрузки 2, включенной параллельно вакуумному контактору 1, направление тока через вакуумный контактор 1 от разряжающегося емкостного накопителя 8 энергии имеет направление, которое противоположно направлению тока I₁ вакуумный контактор 1 от источника постоянного тока (фиг.2). Через интервал времени , где L₁ - величина индуктивности 3, а C - величина емкости емкостного накопителя 8 энергии, ток разряда емкостного накопителя 8 энергии достигнет своего максимального значения, превышающего величину I₀, но не более чем на 5 кА. Таким образом, начиная с момента времени t₁ ток I₁ через вакуумный контактор 1 будет монотонно уменьшаться по мере увеличения (от нуля до I₀) тока разряда емкостного накопителя 8 энергии (см. передний фронт тока I₂ через управляемый вакуумный разрядник 4). Затем, пройдя нулевое значение и изменение направления на противоположное, ток I₁ через вакуумный контактор 1 достигнет максимального (но противоположное своему первоначальному направлению) значение I₁=-ΔI=I₀-I₂ в момент времени t₂. Здесь необходимо отметить, что ток I₂ также достигнет максимального значения в момент времени t₂ (фиг.2). Начиная с момента времени t₂, осуществляется разведение электродов вакуумного контактора 1, например с помощью индукционно-динамического механизма на заданное расстояние. В результате, между электродами вакуумного контактора 1 возникает вакуумный дуговой разряд с током, равным ΔI, который, по крайней мере, на порядок меньше тока I₀. Здесь необходимо отметить, что при токах вакуумного дугового разряда, не превышающих 5 кА, во первых, не происходит уменьшение ресурса вакуумного дугового контактора 1, а во вторых, отсутствует сильная зависимость времени восстановления электрической прочности межэлектродного промежутка от величины тока дугового разряда (время восстановления электрической прочности при токах вакуумного дугового разряда, не превышающих 5 кА, составляет менее 50 мксек). В процессе разведения электродов вакуумного контактора 1 ток I₁ спадает до нуля по экспоненте с постоянной времени - L₁/R₂, где R₂ - суммарное сопротивление подводящих шин, индуктивности 3, полупроводникового диода 9 в проводящем направлении, управляемого вакуумного разрядника 4 во включенном положении и дугового разряда между электродами вакуумного контактора 1, поскольку при достижении током разряда емкостного накопителя 8 энергии своего максимального значения в момент времени t₂ меняется полярность напряжения на нем, а следовательно, полупроводниковый диод 9 переходит в проводящее состояние и шунтирует емкостной накопитель 8 энергии. В результате колебательный процесс сменяется апериодическим. Из вышесказанного следует, что начиная с момента времени t₂, ток от источника постоянного тока будет протекать, минуя вакуумный контактор и нагрузку 2 по цепи из последовательно соединенных между собой индуктивности 3, управляемого вакуумного разрядника 4 во включенном состоянии и полупроводникового диода 9. При уменьшении протекающего через вакуумный контактор тока до нуля со скоростью, при подходе к его нулевому значению, не превышающей 100 А/мкс, происходит надежное гашение дугового разряда. Это соответствует моменту времени t₃, начиная с которого происходит восстановление электрической прочности межэлектродного промежутка вакуумного контактора 1, при этом ток I₂ через индуктивность 3, управляемый вакуумный разрядник 4 и полупроводниковый диод 9 будет равен I₀ (иными словами, току от источника постоянного тока). Электроды вакуумного контактора 1 при этом продолжают раздвигаться и к моменту времени t₄ расстояние между ними будет соответствовать заданному для конкретно используемого вакуумного контактора 1 расстояния, при котором исключается пробой межэлектродного промежутка при подаче энергии от источника постоянного тока в нагрузку 2. В момент времени t₄ с помощью соответствующего блока пождига (не показан) осуществляется включение управляемого вакуумного разрядника 5. В результате выводы 15 и 16 дополнительного накопителя 11 энергии (а следовательно, и ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии) оказываются замкнутыми через последовательно соединенные управляемые вакуумные разрядники 4 и 5 во включенном положении. Параметры ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии (а именно величина индуктивности L_d и емкость конденсаторов C_d ее звеньев, а также их число) выбираются из условия обеспечения формирования при нагружении заряженной до напряжения U₂₀ ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии на сопротивлении R₁ (где R₁ - суммарное сопротивление управляемых вакуумных разрядников 4 и 5 в проводящем состоянии) импульса противотока I₃, через управляемый вакуумный разрядник 4 амплитудой I₀ и длительностью t_п≥t₅-t₄, достаточной для создания паузы тока через управляемый вакуумный разрядник 4, обеспечивающий восстановление его электрической прочности, а следовательно, его выключение (размыкание). Таким образом, длительность t_П плоской вершины импульса противотока I₃ формируемого ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии должна быть больше времени - τ_p, необходимого для надежного восстановления электрической прочности управляемого вакуумного разрядника 4, а именно t_п=(1.02-1.1)τ_p. Выполнение ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии с параметрами t_п>1.1τ_p не целесообразно вследствие неоправданного увеличения интервала между импульсами тока в нагрузке. Таким образом, патентуемое выполнение дополнительного накопителя 11 энергии обеспечивает надежное отключение управляемого вакуумного размыкателя 4.

После восстановления электрической прочности управляемого вакуумного разрядника 4, цепь разряда ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии разрывается (это соответствует моменту времени t₅). В результате прекращается процесс перезарядки конденсаторов звеньев 12 ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии до напряжения, имеющего знак, противоположный знаку первоначального напряжения, имеющего место при формировании импульса противотока, и начинается окончательная дозарядка ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии от источника постоянного тока через индуктивность 3 и управляемый вакуумный разрядник 5, с одной стороны, и через полупроводниковый диод 9, с другой стороны, до напряжения U₂₁=I₀R₀, имеющего знак, противоположный знаку первоначального напряжения на конденсаторах ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии. Одновременно с перезарядкой ИДЛ происходит формирование переднего фронта импульса тока I_н (фиг.4) через нагрузку 2. По окончании перезарядки ИДЛ, ток через управляемый вакуумный разрядник 5 равен нулю, а ток через нагрузку 2 равен I₀. По истечении времени (t₆-t₅)≈τ_P, если используются одинаковые управляемые вакуумные разрядники 4 и 5, восстанавливается электрическая прочность управляемого вакуумного разрядника 5 и первый вывод 15 дополнительного накопителя 11 энергии отключается от цепи, содержащей нагрузку 2. В результате перезарядки конденсаторов C_d ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии до напряжения U₂₁(|U₂₁|>|U₂₀|). Энергия, накопленная в дополнительном накопителе 11 энергии, как минимум 10%, будет превышать сумму первоначальных энергий емкостного 8 и дополнительного 11 накопителей энергии. Иными словами, обеспечиваются условия для приведения емкостного 8 и дополнительного 11 накопителей энергии в исходное состояние с учетом неизбежных при этом потерь энергии.

Из вышесказанного следует, что, начиная с момента времени t₅, формируется передний фронт импульса тока I_н в нагрузке 2, при этом длительность переднего фронта этого импульса равна сумме заднего фронта паузы тока создаваемой ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии на управляемом вакуумном разряднике 4 и времени дозарядки конденсаторов C_d ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии от источника постоянного тока до напряжения U₂₁=I₀R₀. Затем через интервал времени Δt, соответствующий требуемой длительности первого импульса тока I_н в нагрузке 2 (фиг.4), осуществляется замыканием электродов вакуумного контактора 1, что соответствует заднему фронту этого импульса тока I_н.

Для обеспечения возможности формирования следующего импульса тока I_н в нагрузке 2 осуществляется возврат емкостного 8 (с напряжением в этот момент времени, равным нулю) и дополнительного 11 накопителей энергии (конденсаторы C_d которого заряжены до напряжения, равного U₂₁) в исходное состояние, при котором емкостной накопитель 8 энергии заряжен до напряжения U₁₀, а дополнительный накопитель 11 энергии - до напряжения U₂₀, имеющего знак, противоположный знаку напряжения U₂₁.

Для этого в момент времени t₆, соответствующий надежному восстановлению электрической прочности управляемого вакуумного разрядника 5 с помощью соответствующего блока поджига (не показан), осуществляется включение (замыкание) третьего управляемого вакуумного разрядника 6. В результате третий вывод 17 дополнительного накопителя 11 энергии через управляемый вакуумный разрядник 6 подключается к 27.(М+1) выводу блока 18 индуктивностей, первый вывод 27.1 которого через индуктивность 10 соединен с плюсовым выводом емкостного накопителя 8 энергии, соединенного своим минусовым выводом со вторым выводом 16 дополнительного накопителя 11 энергии. Таким образом, заряженные до напряжения U₂₁ конденсаторы C_d N звеньев 12 ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии через последовательно соединенные управляемый вакуумный разрядник 5, блок 18 индуктивностей и индуктивность 10 оказываются подключенными к емкостному накопителю 8 энергии. Следовательно, с момента времени t₆ начинается разряд конденсаторов C_d N звеньев 12 ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии через последовательно соединенные управляемый вакуумный разрядник 6, блок 18 индуктивностей и емкостной накопитель 8 энергии.

При выполнении следующего соотношения С>>М·C_d (иными словами, в случае, когда С по крайней мере на порядок превышает M·C_d, имеет место несогласованность величин емкостного 8 и дополнительного 11 накопителей энергии) энергия , накопленная в конденсаторах C_d ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии, не может быть передана полностью, поскольку вышеприведенное соотношение будет соответствовать разряду заряженной ИДЛ на короткозамкнутую нагрузку. Следовательно, процесс передачи энергии от ИДЛ к подключенным к ней электронным компонентам будет сопровождаться изменением знака заряда на конденсаторах C_d.

В процессе передачи части энергии от ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии, ток I₄ через управляемый вакуумный разрядник 6 (а следовательно, и через блок 18 индуктивностей) увеличивается, а после достижения максимального значения начинает спадать. При достижении током I₄ максимального значения напряжение U₂ на конденсаторах C_d, изменив знак, начинает увеличиваться, а ток I₄ - уменьшаться. При достижении напряжения на конденсаторах величины U₂₀ (что соответствует моменту времени t₇) осуществляется одновременное замыкание ключей 21.1-21.М блока 20 коммутации. При этом волновое сопротивление ρ_м, образованное в результате замыкания ключей 21.1-21.М управляемой ИДЛ, выбирается таким образом, чтобы выполнялось условие ρ_м=U₂₀/I₄₇, где I₄₇ - ток I₄ в момент времени t₇. Через интервал времени , следующий за моментом времени t₇, конденсаторы 25.1-25.М зарядятся до напряжения U₂₀, при этом ток I₄ уменьшается до нуля, поскольку полярность напряжения на конденсаторах C_d и С₀ одинакова. Таким образом, начиная с момента времени t₈, между управляемым вакуумным разрядником 6 и емкостным накопителем энергии 8 формируется заряженная до напряжения U₂₀ управляемая ИДЛ с волновым сопротивлением ρ_м=(L₀C₀)^1/2 временем пробега τ_пр=M(L₀C₀)^1/2. В результате описанный выше единый переходной процесс прекращается, а начинается два независимых друг от друга переходных процесса, а именно: во-первых, колебательный процесс в замкнутой цепи из последовательно соединенных дополнительного накопителя 11 энергии, управляемого вакуумного разрядника 6, управляемой ИДЛ, второй индуктивности 10 и емкостного накопителя 8 энергии, а во-вторых, процесс разряда управляемой ИДЛ через индуктивность 10 саму на себя.

Первый переходной процесс в свою очередь разделяется на два одновременных процесса: это обратный колебательный процесс (разряд емкостного 8 накопителя энергии) по замкнутой цепи емкостной 8 накопитель, индуктивность 10, управляемая 18 ИДЛ, вакуумный управляемый разрядник 6 и конденсатор C_d звена в точке подсоединения 13 или 14 ИДЛ 11. Второй процесс - это продолжение процесса перезарядки, когда ток I₄₇ (оставшийся от основного процесса) в индуктивностях L_d, спадая во времени, продолжает дозаряжать конденсатор C_d, расположенный в точке соединения 13 или 14 (иными словами, происходит продолжение части единого переходного процесс, описанного выше, а именно емкостной 8 накопитель энергии продолжает дозаряжаться, но уже через конденсатор C_d). При этом этот процесс будет сопровождаться волновым явлением, таким как отражение части энергии обратно в ИДЛ дополнительного накопителя 11 энергии, поскольку конденсатор C_d будет в этот момент нагрузкой. Принимая во внимание, что на время τ_пр=M(L₀C₀)^1/2 заряженный управляемый 18 ИДЛ будет представлять высокоомное сопротивление с волновым сопротивлением ρ_м, и обеспечивая в течение этого времени в сумме двух указанных процессов скорость прохождения тока через ноль I₄ возможных колебаний в процессе паузы тока на управляемом вакуумном разряднике 6 со скоростью, не превышающей 100 А/мкс, создаются условия для гашения разрядных процессов и восстановления электрической прочности управляемого вакуумного разрядника 6. Что касается второго процесса - разряда управляемой ИДЛ (включающей М Г-образных L₀C₀ звеньев) через индуктивность 10, то разрядный процесс достигнет вывода 27.(М+1) блока 18 индуктивностей через время τ_пр=M(L₀C₀)^1/2. Следовательно, в течение времени τ_пр на управляемом вакуумном разряднике 6 будут обеспечиваться условия («пауза тока»), необходимые для восстановления его электрической прочности. Из вышесказанного следует, что величина τ_пр=(1.02÷1.1)τ_p, где τ_p - время, необходимое для надежного восстановления электрической прочности управляемого вакуумного разрядника 6. Здесь необходимо отметить, что выполнение блока 18 индуктивностей и блока 24 конденсаторов с τ_пр>1.1τ_p - вследствие неоправданного ограничения снизу на диапазон длительностей импульсов тока I₄ через нагрузку 2.

После окончания описанной выше паузы тока с помощью соответствующего блока поджига (не показан) осуществляется включение четвертого управляемого вакуумного разрядника 7. В результате управляемое ИДЛ оказывается нагружен на резистор 28, имеющий сопротивление, равное ρ_м. Это приводит к гашению колебаний в управляемом ИДЛ. После гашения колебаний токи через управляемый вакуумный разрядник 7 и ключи 21.1÷21.М блока 20 коммутации равны нулю, а следовательно, происходит восстановление их электрической прочности.

Начиная с этого момента времени, устройство готово к формированию следующего импульса тока I_н через нагрузку 2.

Таким образом, после восстановления начальных значений напряжений U₁₀ и U₂₀ соответственно на емкостном 8 и дополнительном 11 накопителях энергии может осуществляться прерывание тока I_н, протекающего через нагрузку 2. Из вышесказанного следует, что патентуемый генератор обеспечивает формирование импульсов тока с минимальной длительностью - Δt, его плоской вершины, равной времени восстановления начальных значений напряжений на накопителях 8 и 11 энергии, а именно не более 1-2 мс. Кроме того, патентуемый генератор обеспечивает возможность генерации серий импульсов тока с интервалом между импульсами, которых существенно меньше времени, необходимого для замыкания и последующего его разведения электродов вакуумного контактора 1, а именно 4-5 мс. Для прерывания импульса тока I_н через нагрузку 2 (без замыкания электродов вакуумного контактора 1) с помощью соответствующего блока поджига (аналогично тому, как описано выше) осуществляется замыкание управляемого вакуумного разрядника 4. В результате, параллельно нагрузке 2 подключается цепь из последовательно соединенных между собой индуктивности 3, управляемого вакуумного разрядника 4 во включенном состоянии и заряженного до напряжения U₁₀ емкостного накопителя 8 энергии. Здесь необходимо отметить, что полярность напряжения на емкостном накопителе 8 энергии соответствует состоянию полупроводникового диода 9 в запертом состоянии. Так как полярность напряжения на емкостном накопителе 8 энергии противоположна полярности напряжения, обусловленной направлением тока I₀, поэтому во время инициированного замыканием управляемого вакуумного разрядника 4 переходного процесса будет иметь место перезарядка емкостного накопителя 8 энергии. Однако при переходе напряжения на емкостном накопителе 8 энергии через нулевое значение полупроводниковый диод 9 перейдет в проводящее состояние. В результате процесс формирования заднего фронта импульса тока I_H через нагрузку 2 закончится, а ток I₀ будет протекать по цепи из последовательно соединенных между собой индуктивности 3, управляемого вакуумного разрядника 4 в замкнутом положении и полупроводникового диода 9. Для формирования переднего фронта следующего импульса тока в соответствующей серии импульсов необходимо только перевести управляемый вакуумный разрядник 4 из включенного в выключенное состояние путем создания паузы тока через него в течение времени t_p, достаточное для восстановления его электрической прочности. Аналогично тому, как это было уже описано выше, перевод управляемого вакуумного разрядника 4 в выключенное состояние осуществляется путем замыкания управляемого вакуумного разрядника 5 с помощью соответствующего блока поджига. Таким образом, патентуемый генератор обеспечивает минимальный интервал между импульсами в каждой серии импульсов, равный времени t_p восстановления электрической прочности управляемого вакуумного разрядника 4. После перевода управляемого вакуумного разрядника 4 в выключенное состояние осуществляется (как подробно описано выше) зарядка дополнительного накопителя 11 энергии до напряжения U₂₁, перевод управляемого вакуумного разрядника 5 в выключенное состояние и восстановление начальных напряжений U₁₀ и U₂₀ соответственно на емкостном 8 и дополнительном 11 накопителях энергии.

Промышленное применение изобретения подтверждается также возможностью использования известных из уровня техники электрических компонент для его осуществления. Изобретение может быть использовано в электроэнергетике, ускорителях заряженных частиц, источниках микроволного излучения, импульсных радарах и в лазерной технике.

Изобретение относится к мощной импульсной технике и может использоваться для генерации конечных последовательностей импульсов тока килоамперного диапазона в активной нагрузке. Достигаемый технический результат - обеспечение возможности генерации серий импульсов тока без использования дополнительного источника энергии для периодической зарядки накопителей энергии. Генератор серии импульсов тока содержит вакуумный контактор, нагрузку, две индуктивности, четыре управляемых вакуумных разрядника (УВР), емкостной и дополнительный накопители энергии, полупроводниковый диод, резистор, блок индуктивностей, блоки коммутации и блок конденсаторов. 4 ил.

Генератор серий импульсов тока, содержащий включенный в цепь с источником постоянного тока вакуумный контактор, нагрузку, подключенную параллельно вакуумному контактору, а также первую индуктивность, два управляемых вакуумных разрядника, емкостной накопитель энергии, дополнительный накопитель энергии и полупроводниковый диод, причем первый вывод нагрузки через первую индуктивность соединен с первыми выводами первого и второго управляемых вакуумных разрядников, второй вывод первого управляемого вакуумного разрядника соединен со вторым выводом дополнительного накопителя энергии, минусовым выводом емкостного накопителя энергии и плюсовым выводом полупроводникового диода, второй вывод второго управляемого вакуумного разрядника соединен с первым выводом дополнительного накопителя энергии, а плюсовой вывод емкостного накопителя энергии и минусовой вывод полупроводникового диода соединены с вторым выводом нагрузки, отличающийся тем, что он дополнительно содержит третий и четвертый управляемые вакуумные разрядники, вторую индуктивность, блок индуктивностей, выполненный в виде М, где М≥10, одинаковых последовательно соединенных между собой индуктивностей величиной L₀ каждая, при этом отводы от первых выводов каждой индуктивности являются первыми М выводами блока индуктивностей, а второй вывод М индуктивности является М+1 выводом блока индуктивностей, блок коммутации, содержащий М одинаковых и синхронно срабатывающих ключей, первые выводы которых являются первой группой из М выводов блока коммутации, вторые выводы ключей являются второй группой из М выводов блока коммутации, блок конденсаторов, выполненный из М одинаковых конденсаторов емкостью С₀ каждый, причем первые выводы конденсаторов являются первыми М выводами блока конденсаторов, а соединенные между собой вторые выводы конденсаторов являются М+1 выводом блока конденсаторов, а также резистор, дополнительный накопитель энергии снабжен третьим выводом и выполнен в виде искусственной длинной линии (ИДЛ) из N, где N≥10, последовательно включенных идентичных L_dC_d звеньев, вывод индуктивности L_d первого звена ИДЛ, который не соединен с конденсатором C_d этого звена, является первым выводом дополнительного накопителя энергии, соединенные между собой выводы всех конденсаторов C_d ИДЛ являются вторым выводом дополнительного накопителя энергии, а третий вывод дополнительного накопителя энергии является ее отводом или от точки соединения индуктивности и конденсатора N-го звена ИДЛ, или отводом от ее середины, при этом третий вывод дополнительного накопителя энергии соединен с первым выводом третьего управляемого вакуумного разрядника, второй вывод которого соединен с первым выводом четвертого управляемого вакуумного разрядника и М+1 выводом блока индуктивностей, первый вывод которого соединен с первым выводом второй индуктивности, выводы блока индуктивностей с первого по М соединены с соответствующим каждому из них выводом первой группы из М выводов блока коммутации, выводы второй группы выводов которого соединены с соответствующим каждому из них выводом с первого по М выводам блока конденсаторов, М+1 вывод которого, второй вывод второй индуктивности соединены с вторым выводом нагрузки, а через резистор - со вторым выводом четвертого вакуумного разрядника.