Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий Российский патент 2018 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для разрушения горных пород и искусственных диэлектрических материалов электроимпульсным способом, например для бурения скважин, резания горных пород, дробления, утилизации некондиционных бетонных и железобетонных изделий.

Разрушение осуществляется электроимпульсным способом, т.е. мощными искровыми разрядами в объеме твердого тела, находящегося в жидкой среде при времени воздействия напряжения менее 10^-6 с [1]. Использование в качестве разрушающего инструмента искрового разряда накладывает жесткие требования к параметрам импульсных генераторов. Основные из них: способность работать практически на короткое замыкание после пробоя рабочего промежутка, когда сопротивление канала искры уменьшается до десятых долей ома за время сотни наносекунд, обеспечивая ток в разряде десятки килоампер и напряжение до пробоя, прикладываемое к нагрузке, 500 кВ и более. Причем крутизна фронта импульса должна быть не менее 500 кВ/мкс.

Известен высоковольтный импульсный генератор [2], содержащий конденсатор, искровой разрядник, импульсный трансформатор, нелинейную обостряющую линию. Формирование импульса напряжения происходит при разряде конденсатора через искровой разрядник на первичную обмотку трансформатора, к вторичной обмотке которого подключена нагрузка, а обострение импульса осуществляется нелинейной линией на основе ферритовых сердечников, которые являются и сердечником трансформатора. Данный генератор на основе импульсного трансформатора обладает повышенной индуктивностью рассеяния, индуктивностью монтажа и повышенным волновым сопротивлением.

Известен высоковольтный импульсный генератор [3], содержащий источник высокого напряжения, включающий генератор импульсных напряжений (ГИН), генератор импульсных токов (ГИТ). Уровень напряжения ГИН U₁ по сравнению с уровнем напряжения ГИТ U₂ находится в соотношении U₁>>U₂, а энергии, запасаемые ГИН W₁ и ГИТ W₂, - в соотношении W₁<<W₂. В данном высоковольтном генераторе принцип параллельного включения ГИН и ГИТ на общую нагрузку, на разрушаемый объект (РО) состоит в следующем. Сначала ГИН формирует импульс высокого напряжения на нагрузке, который приводит к ее электрическому пробою. После пробоя нагрузки ток от ГИТ через нелинейный разделительный дроссель протекает в нагрузке.

Основной недостаток подобного устройства заключается в том, что нелинейный разделительный дроссель ограничивает возможность быстрого ввода энергии в нагрузку, т.к. события пробоя нагрузки, насыщения нелинейного разделительного дросселя и ввода энергии ГИТ в нагрузку происходят последовательно.

Известен высоковольтный импульсный генератор [4] для электроразрядных технологий, содержащий многоканальный искровой разрядник, емкостной накопитель и импульсный трансформатор, соединенные последовательно. Каждый искровой промежуток многоканального искрового разрядника снабжен управляющим электродом, соединенным через резистор с заземленным электродом и через конденсатор и кабель с анодом дополнительного стартового разрядника.

Недостатками данного устройства является наличие многоканального искрового разрядника, для управления которым требуется введение дополнительных элементов: стартового разрядника и анодного делителя тока, что значительно усложняет схемное и конструктивное исполнение генератора и уменьшает надежность его работы.

В качестве прототипа выбран высоковольтный импульсный генератор на основе линейного импульсного трансформатора (ЛИТ), способного формировать на емкостной нагрузке напряжение сотни киловольт, в первичном емкостном накопителе которого может запасаться энергия до 10⁵ Дж [5]. Генератор состоит из первичного емкостного накопителя энергии и ЛИТ. Первичная обмотка трансформатора, рассчитанная на относительно низкое напряжение, содержит двенадцать секций, состоящих из одиночных витков, каждый из которых охватывает отдельный ферромагнитный сердечник. Каждый виток подключается к отдельному предварительно заряженному конденсатору посредством кабельных линий через управляемые синхронно работающие искровые разрядники. Вторичная обмотка состоит из одного центрального металлического стержня в виде трубы, изолированного на полное напряжение от первичной обмотки.

Недостатками прототипа являются:

- большое количество искровых разрядников в цепи первичной обмотки, которые должны синхронно срабатывать, для генерации напряжения на вторичной обмотке ЛИТ, что существенно снижает надежность схемы;

- большое внутреннее сопротивление ЛИТ, которое ограничивает ток разряда при пробое разрушаемого объекта и снижает эффективность использования энергии первичного накопителя.

Задачей изобретения является увеличение эффективности разрушения разрушаемого объекта электроимпульсным методом и увеличение надежности работы заявляемого устройства при простом техническом исполнении.

Технический результат изобретения заключается в том, что при осуществлении пробоя разрушаемого объекта используется высокое (сотни киловольт) импульсное напряжение на выходе ЛИТ при малой запасенной энергии в первичном накопителе, а в процессе пробоя последовательно к вторичной обмотке ЛИТ подключается импульсный конденсатор с большой запасенной энергией, которая выделяется в канале разряда в объекте разрушения и увеличивает объем разрушения (увеличивается эффективность разрушения). При этом происходит насыщение сердечников ЛИТ после пробоя разрушаемого объекта, что во много раз увеличивает ток в канале разряда и повышает эффективность выделения энергии в канале разряда в разрушаемом объекте.

Указанный технический результат достигается тем, что, как и в прототипе, в первичном контуре ЛИТ соединены последовательно коммутатор и емкостный накопитель, но вместо множества управляемых искровых разрядников, которые должны срабатывать одновременно, используется один коммутатор, т.к. через него на первичную обмотку ЛИТ разряжается емкостный накопитель с малой запасенной энергией, которая достаточна только для пробоя и формирования предварительного канала разряда в разрушаемом объекте, что значительно уменьшает потери энергии в первичном контуре ЛИТ и повышает коэффициент полезного действия устройства. Этой энергии недостаточно для эффективного разрушения разрушаемого объекта, поэтому к вторичной обмотке ЛИТ через искровой разрядник подключен дополнительный импульсный конденсатор (С_ГИТ), являющийся генератором импульсных токов (ГИТ), который заряжается от отдельного устройства. ГИТ создает в цепи разряда большой ток, после насыщения сердечников ЛИТ, сечение которых позволяет находиться им в ненасыщенном состоянии до пробоя разрушаемого объекта и переходить в насыщенное после пробоя разрушаемого объекта, что приводит к резкому сокращению электрического сопротивления в цепи разряда вторичного контура. В результате возрастает ток в канале разряда в разрушаемом объекте, что существенно увеличивает эффективность его разрушения. При этом емкостный накопитель С₁ в первичном контуре ЛИТ подключен к цепи разряда при помощи одного коммутатора P₁.

Целесообразно первичную обмотку ЛИТ выполнять из нескольких первичных витков, каждый из которых расположен на отдельном ферромагнитном сердечнике.

Изобретение поясняется фиг.1, где приведено устройство линейного трансформатора с дополнительным импульсным конденсатором С_ГИТ.

Линейный импульсный трансформатор (ЛИТ) размещен в металлическом корпусе 1 и содержит несколько первичных витков 2, охватывающих отдельные ферромагнитные сердечники 3, которые индуктивно связаны с одним витком 4 вторичной обмотки. Между первичной 2 и вторичной 4 обмотками расположена изоляция 5. Высоковольтный конец вторичной обмотки 4 изолирован от корпуса 1 высоковольтным проходным изолятором 6 и подключен к разрушаемому объекту (РО). К низковольтному концу вторичной обмотки 4 через искровой разрядник Р₂ присоединен дополнительный импульсный конденсатор С_ГИТ, который заряжается от отдельного зарядного устройства 7 до требуемого напряжения. Отдельные витки первичной обмотки 2 питаются от емкостного накопителя C₁ по коаксиальным кабелям А₁, … А₁₀ при срабатывании коммутатора Р₁, в качестве которого может быть псевдоискровой разрядник или тиратрон. Емкостный накопитель С₁ заряжается от отдельного зарядного устройства 8 до требуемого напряжения.

Работа ЛИТ совместно с С_ГИТ заключается в следующем. Емкостный накопитель C₁ заряжается от зарядного устройства 8 до требуемого напряжения. Одновременно происходит зарядка дополнительного импульсного конденсатора С_ГИТ от зарядного устройства 7 до требуемого напряжения. Первым срабатывает коммутатор P₁ и емкостный накопитель С1 разряжается на первичные витки 2 первичной обмотки ЛИТ по цепи С1-Р1-кабели А₁, … A_j - первичные витки 2. Напряжение на вторичной обмотке ЛИТ 4 за счет магнитной индукции суммируется в зависимости от количества отдельных витков 2 в первичной обмотке. Напряжение во вторичной обмотке 4 складывается с напряжением заряженного дополнительного импульсного конденсатора С_ГИТ в разрядном контуре С_ГИТ-Р₂-виток вторичной обмотки 4-нагрузка РО и вызывает пробой искрового разрядника Р₂. Суммарное напряжение прикладывается к разрушаемому объекту РО. При этом ток разряда дополнительного импульсного конденсатора С_ГИТ мал, ввиду большого индуктивного сопротивления вторичной обмотки 4 ЛИТ и большого сопротивления нагрузки РО. В результате быстрого увеличения напряжения в цепи разряда во вторичной обмотке 4 происходит пробой рабочего искрового промежутка в РО. Возникает канал разряда и сопротивление разрядной цепи вторичной обмотки 4 резко уменьшается. Ток разряда от С_ГИТ резко увеличивается, в результате насыщения сердечников 3 первичной обмотки, сечение которых позволяет находиться им в ненасыщенном состоянии до пробоя разрушаемого объекта и переходить в насыщенное после пробоя разрушаемого объекта, что вызывает еще большее уменьшение сопротивления разрядной цепи вторичной обмотки. В результате энергия, запасенная в С_ГИТ и C₁, эффективно выделяется в канале разряда в нагрузке РО с высоким кпд.

В отличие от прототипа, который содержит 12 искровых промежутков, что уменьшает надежность его работы, в предлагаемом устройстве требуется два разрядника, из которых один Р₂ подключает к цепи разряда генератор импульсных токов С_ГИТ, который отсутствует в прототипе.

Уменьшение количества разрядников в устройстве и подключение генератора импульсных токов С_ГИТ в заявляемом устройстве повышает эффективность выделения энергии в канале разряда в РО и увеличивает эффективность (объем) его разрушения.

Уменьшение количества конденсаторов с большой, запасаемой энергией на один конденсатор с малой запасаемой энергией в первичном контуре и, как следствие, уменьшение количества коммутаторов значительно упрощает техническое исполнение и увеличивает надежность работы заявляемого устройства.

Источники информации

1. Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1905. - 267 с.

2. Кривоносенко А.В., Семкин Б.В. Генератор высоковольтных импульсов. ПТЭ, 1982, №6, С. 73-75.

3. Пельцман С.С., Семкин Б.В., Шубин Б.Г., Чешков Ф.П. Схема параллельной работы двух импульсных источников с различным уровнем напряжения. - В кн.: Электрофизическая аппаратура и электрическая изоляция (с.71-75) / Сборник докладов Межвузовской научно-технической конференции по вопросам создания и методам испытания высоковольтной электрофизической аппаратуры. Томск, 1967. - М.: Изд. Энергия, 1970, 668 С.

4. Патент RU №2402873 С1, бюл. №30, 2010.

5. Ельчанинов А.С., Месяц Г.А. Трансформаторные схемы питания мощных наносекундных импульсных генераторов. // Физика и техника мощных импульсных систем: Сб. статей / Под ред. академика Е.П. Велихова. М.: Энергоатомиздат, 1987. - С. 179-188.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для разрушения объектов электроимпульсным способом. Технический результат - повышение эффективности выделения энергии в канале разряда в разрушаемом объекте. Высоковольтный импульсный генератор содержит высоковольтный электрод, подведенный к разрушаемому объекту и подключенный к высоковольтному выводу вторичной обмотки линейного импульсного трансформатора (ЛИТ), емкостный накопитель С₁, подключенный через коммутаторы к первичным обмоткам ЛИТ, зарядное устройство, заряжающее емкостный накопитель С₁, искровой разрядник с импульсным конденсатором С_ГИТ, заряжаемым от отдельного зарядного устройства, при этом сердечник ЛИТ выполнен с сечением, позволяющим находиться сердечнику в ненасыщенном состоянии до электрического пробоя разрушаемого объекта и переходить в насыщенное состояние после пробоя разрушаемого объекта. За счет применения дополнительного импульсного конденсатора С_ГИТ и насыщения сердечника ЛИТ после пробоя разрушаемого объекта во много раз увеличивается ток в канале разряда. 1 ил.

Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий, содержащий высоковольтный электрод, подведенный к разрушаемому объекту и подключенный к высоковольтному выводу вторичной обмотки линейного импульсного трансформатора, емкостной накопитель, подключенный через коммутаторы к первичным обмоткам трансформатора, зарядное устройство, заряжающее емкостной накопитель, отличающийся тем, что низковольтный вывод вторичной обмотки трансформатора соединен через искровой разрядник с дополнительно введенным импульсным конденсатором, заряжаемым от отдельного зарядного устройства, а сердечник трансформатора выполнен с сечением, позволяющим находиться сердечнику в ненасыщенном состоянии до электрического пробоя разрушаемого объекта и переходить в насыщенное состояние после пробоя разрушаемого объекта, при этом подключение емкостного накопителя к цепи разряда выполнено при помощи одного коммутатора.