СИСТЕМА ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ЗАРЯДКИ НА ГАЗОРАЗРЯДНЫХ КОММУТАТОРАХ Российский патент 2020 года по МПК H01J25/68 H03K3/53 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано при разработке мощных импульсно-периодических ускорителей электронов и СВЧ-генераторов на их основе.

Характеристики мощных электрофизических установок, работающих в импульсно-периодическом режиме с высокой средней мощностью электронного пучка, определяются системой первичного электропитания. При создании таких комплексов весьма актуальной задачей является разработка эффективной и надежной системы импульсно-периодической зарядки (СИЗ) емкостных накопителей формирователей высоковольтных импульсов. При уровнях средней мощности пучка более сотни киловатт наиболее предпочтительным является подход с использованием предварительно заряжаемого высоковольтного буферного емкостного накопителя, энергия из которого с помощью коммутатора-прерывателя дозировано передается в емкостной накопитель формирователя высоковольтных импульсов (ФВИ).

Основным элементом в схеме с дозированным отбором энергии из буферного накопителя является коммутатор-прерыватель, функции которого в высоковольтных вариантах СИЗ выполняет разрядник с вращающимися электродами (РВЭ). Проблемами при эксплуатации РВЭ и всей СИЗ на его основе являются эффективное гашение высоковольтной дуги по окончании зарядки и небольшой ресурс из-за механического износа вращающихся деталей.

За аналог заявляемой системы импульсно-периодической зарядки по совокупности признаков, основанный на подобном принципе, выбран генератор импульсных токов с фильтровой (буферной) емкостью и индуктивной зарядной цепью электрогидравлической установки (Л.А. Юткин Электрогидравлические установки// Ленинград. -Машиностроение. - 1986.- стр. 86-90, рис 3.1д).

Недостатками системы импульсно-периодической зарядки, выбранной в качестве аналога, являются относительно невысокий уровень средней мощности, передаваемой в нагрузку, отсутствие защиты цепи от возникающего сквозного тока, то есть, при наличии закороченного коммутатора рабочего накопителя, либо РВЭ на землю, оборвать ток в цепи СИЗ, многократно превышающий номинальный, без принятия специальных мер, не представляется возможным, происходит полная разрядка буферной емкости с выгоранием или повреждением электродов. Все это значительно снижает надежность и ресурс установки.

Следует особо отметить, для повышения среднего уровня мощности, передаваемой в нагрузку с помощью системы импульсно-периодической зарядки на основе дозированного отбора энергии с использованием разрядника с вращающимся электродом, и увеличения надежности функционирования СИЗ в этом режиме, необходим ряд усовершенствований, минимизирующий последствия некорректной работы элементов.

За прототип, наиболее близкий к заявляемой системе импульсно-периодической зарядки на газоразрядных коммутаторах по совокупности признаков, выбрана система импульсно-периодической зарядки в соответствии с патентом РФ №2660171, опубликовано 05.07.2018, патентообладатель ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ».

Прототип содержит источник высокого напряжения, буферный емкостной накопитель, две индуктивности, два высоковольтных диода, разрядник (РВЭ) с двумя группами неподвижных пространственно-разнесенных и расположенных в параллельных плоскостях электродов и двумя расположенными друг над другом вращающимися электродами с трех-штыревыми контактами каждый, промежуточный емкостной накопитель, генератор (формирователь) высоковольтных импульсов с рабочим емкостным накопителем, образующие два контура перезарядки - буферного емкостного накопителя на промежуточный емкостной накопитель и промежуточного емкостного накопителя на рабочий емкостной накопитель ФВИ (при этом емкость промежуточного накопителя равна рабочей емкости ФВИ).

Система импульсно-периодической зарядки, выполненная по схеме прототипа, работает следующим образом: источник высокого напряжения относительно медленно заряжает буферный емкостной накопитель. Перед окончанием зарядки асинхронный двигатель с регулятором оборотов раскручивает вал с вращающимися электродами. По окончании процесса зарядки буферной емкости и достижения требуемой частоты вращения вала блок управления формирует импульс на замыкание быстродействующего защитного реле, которое подключает буферную емкость к неподвижному вводу РВЭ через высоковольтную диодную сборку и индуктивность. При этом полярность подключения диода допускает протекание тока из буферной емкости в рабочую, но препятствует обратному течению. При сближении штыря (штыревого контакта) подвижного электрода первой группы с первым неподвижным электродом первой группы происходит пробой и на подвижном электроде появляется высокий потенциал, что, в свою очередь, приводит к пробою со второго штыря (штыревого контакта) подвижного электрода этой группы на второй неподвижный, который связан с промежуточным емкостным накопителем. Начинается зарядка емкости промежуточного накопителя. По окончании процесса зарядки дуга в межэлектродных промежутках РВЭ гаснет, ток становится равным нулю. После того, как штыри (штыревые контакты) подвижного электрода первой группы отходят от неподвижных электродов, начинается сближение штырей подвижного электрода второй группы с неподвижными электродами второй группы. Первый неподвижный электрод второй группы находится под высоким потенциалом. Происходит пробой и на подвижном электроде второй группы появляется высокий потенциал, что, в свою очередь, приводит к пробою со второго штыря подвижного электрода этой группы на второй неподвижный, к которому подключена емкость нагрузки. Начинается зарядка рабочей емкости. По окончании процесса зарядки дуга в межэлектродных промежутках РВЭ гаснет, ток становится равным нулю, подвижный электрод отходит от неподвижных. По окончании цикла заряд-заряд - разряд с неподвижными электродами первой группы начинает сближаться следующая пара подвижных электродов первой группы и цикл повторяется. При этом средняя коммутируемая мощность ограничивается только эрозионной стойкостью электродов разрядника и возможностями двигателя, обеспечивающего вращение электродов.

Недостатками системы импульсно-периодической зарядки, выбранной в качестве прототипа, являются:

- невозможность создания полностью герметичного корпуса разрядника из-за наличия соединенных с двигателем вращающихся элементов и вследствие этого утечки электроизолирующего газа обеспечивающего эффективное гашение дуги и электрическую прочность, что существенно снижает надежность системы;

- невысокий ресурс вращающихся с большой скоростью деталей, что приводит к их механическому износу, и как следствие изменение зазоров между электродами;

- для необходимости обеспечить электрическую прочность, корпус РВЭ и его подвижные электроды должны быть разнесены на значительные расстояния. Исходя из схемы подключения, элементы СИЗ размещаются вокруг разрядника. Все это приводит к увеличению массогабаритных характеристик системы.

Техническая проблема состоит в совершенствовании схемы построения системы импульсно-периодической зарядки (СИЗ) на базе дозированного отбора энергии из высоковольтного буферного накопителя путем замены механического РВЭ на электровакуумные газоразрядные коммутаторы -тиратроны, что позволит повысить надежность системы, уменьшить ее массогабаритные характеристики.

Ожидаемым техническим результатом предполагаемого решения является повышение надежности и ресурса работы СИЗ при обеспечении компактности.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известной системы импульсно-периодической зарядки на газоразрядных коммутаторах, содержащей электрически связанные между собой источник высокого напряжения, блок импульсно-периодической зарядки, а также формирователь высоковольтных импульсов (ФВИ) с рабочим емкостным накопителем и блок управления, причем блок импульсно-периодической зарядки представляет собой образованные буферным емкостным накопителем, промежуточным емкостным накопителем, индуктивностями, высоковольтными диодами, электропрочными газоразрядными коммутаторами два контура перезарядки - буферного емкостного накопителя на промежуточный емкостной накопитель и промежуточного емкостного накопителя на рабочий емкостной накопитель ФВИ, при этом емкость промежуточного накопителя равна рабочей емкости ФВИ, в предложенной системе в качестве электропрочных газоразрядных коммутаторов использованы тиратроны, причем организован тиратронный модуль, представляющий собой герметичный секционированный корпус, секции которого экранированы от наводок, вносимых в электрические цепи при срабатывании расположенных в модуле тиратронов, причем тиратрон, расположенный в первой секции, коммутирует разряд буферного емкостного накопителя на промежуточный емкостной накопитель, расположенный во второй секции, тиратрон, расположенный в третьей секции, коммутирует разряд промежуточного емкостного накопителя на рабочий емкостной накопитель ФВИ, тиратронный модуль оснащен герметичными вводами и разъемами для обеспечения возможности подключения к источнику высокого напряжения, ФВИ и блоку управления, при этом обеспечена возможность заполнения корпуса модуля газом CF₆ или трансформаторным маслом для увеличения электропрочности модуля.

Тиратроны традиционно используются для быстрой импульсной коммутации энергии емкостных накопителей в наносекундном и микросекундном диапазонах длительностей, что является существенным преимуществом по сравнению с РВЭ. Авторами впервые предложено использовать преимущества тиратронов в компактной, герметичной двухконтурной схеме СИЗ, значительно повышающей живучесть системы. Тиратрон является надежным, отпаянным прибором, с достаточным ресурсом по количеству импульсов коммутируемого заряда. Объем и масса одного тиратрона примерно в 10 раз меньше РВЭ. Следствием замены РВЭ на тиратроны явилась возможность организовать СИЗ в виде компактного модуля, разделенного на секции перегородками, выполняющими роль экранов от электромагнитных наводок.

На фиг.1 приведена схема заявляемой системы импульсно-периодической зарядки, где:

1 - источник высокого напряжения;

2 - буферный емкостной накопитель (БН);

3, 7 - высоковольтный диод;

4, 8 - времязадающая индуктивность;

5, 9 - тиратроны;

6 - промежуточный емкостной накопитель (ПН);

10 - формирователь высоковольтных импульсов (ФВИ);

где Ср - рабочий емкостной накопитель (РН); К - коммутатор; R -сопротивление.

Алгоритм работы СИЗ на управляемых тиратронах определяется наличием двух контуров перезарядки: буферного емкостного накопителя на промежуточный емкостной накопитель и промежуточного емкостного накопителя на рабочий емкостной накопитель ФВИ. Зарядка каждого контура происходит после срабатывания тиратрона. При замыкании первого контура тиратроном 5 по закону (1-cosωt) через времязадающую индуктивность 4 происходит зарядка промежуточного емкостного накопителя 6 от буферного емкостного накопителя 2, заряженного от источника высокого напряжения 1, причем из-за большой разности в величинах емкостей напряжение на ПН в штатном режиме будет примерно в два раза (без учета потерь) выше, чем на БН. Колебательному процессу между БН и ПН препятствует высоковольтная диодная сборка 3.

Идентично работает и второй контур перезаряда энергии промежуточного емкостного накопителя в емкостной накопитель формирователя высоковольтных импульсов (ФВИ). Так как емкости ПН и ФВИ равны, при перезарядке величина напряжения останется прежней. При замыкании второго контура тиратроном 9 по закону (1-cosωt) через индуктивность 8 происходит переброс энергии из конденсаторов ПН в конденсаторы ФВИ. Колебательному процессу между ПН и ФВИ препятствует высоковольтная диодная сборка 7.

После срабатывания коммутатора К рабочий емкостной накопитель Ср ФВИ разряжается на нагрузку R и цикл зарядки повторяется.

Заявленная система импульсно-периодической зарядки на газоразрядных коммутаторах (управляемых тиратронах) реализована на практике. Все компоненты СИЗ размещаются в герметичном металлическом корпусе.

На фиг. 2 изображен тиратронный модуль заявленной системы

импульсно-периодической зарядки, где:

3, 7 - высоковольтный диод;

4, 8 - времязадающая индуктивность;

5, 9-тиратроны;

6 - промежуточный емкостной накопитель (ПН);

11 - первая секция модуля;

12 - вторая секция модуля;

13 - третья секция модуля.

Тиратронный модуль представляет собой компактный герметичный секционированный корпус, секции которого экранированы от электромагнитных наводок, вносимых в электрические цепи при срабатывании расположенных в модуле тиратронов (например типа ТДИ), причем тиратрон 5, расположенный в первой секции 11, коммутирует разряд буферного емкостного накопителя на промежуточный емкостной накопитель 6, расположенный во второй секции 12, тиратрон 9, расположенный в третьей секции 13, коммутирует разряд промежуточного емкостного накопителя на рабочий емкостной накопитель ФВИ, тиратронный модуль оснащен герметичными вводами и разъемами для обеспечения возможности подключения к источнику высокого напряжения, ФВИ и блоку управления, представляющего собой компактный высоковольтный импульсный генератор, разработанный для управления тиратронами, при этом обеспечена возможность заполнения корпуса модуля газом CF₆ или трансформаторным маслом, что увеличивает электропрочность всей СИЗ по сравнению с ранее используемой на основе с РВЭ.

Работоспособность системы импульсно-периодической зарядки на газоразрядных коммутаторах проверена во время использования в составе мощного СВЧ-генератора. При габаритах на треть меньших по сравнению с прототипом, ресурс установки увеличился более чем в два раза. Применение тиратронного модуля позволило исключить вероятность электрических пробоев в токоведущих цепях системы, что значительно увеличило ее надежность.

Таким образом, построение мощной высоковольтной системы импульсно-периодической зарядки емкостных накопителей по предлагаемой схеме позволит повысить надежность и ресурс ее работы, сделает СИЗ более компактной и мобильной по сравнению с существующей на разряднике с вращающимися электродами.

Система импульсно-периодической зарядки на газоразрядных коммутаторах относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использована при разработке мощных импульсно-периодических ускорителей электронов и СВЧ-генераторов на их основе. Cистема импульсно-периодической зарядки содержит электрически связанные между собой источник высокого напряжения, блок импульсно-периодической зарядки, а также формирователь высоковольтных импульсов (ФВИ) с рабочим емкостным накопителем и блок управления, причем блок импульсно-периодической зарядки представляет собой образованные буферным емкостным накопителем, промежуточным емкостным накопителем, индуктивностями, высоковольтными диодами, электропрочными газоразрядными коммутаторами два контура перезарядки - буферного емкостного накопителя на промежуточный емкостной накопитель и промежуточного емкостного накопителя на рабочий емкостной накопитель ФВИ, при этом емкость промежуточного накопителя равна рабочей емкости ФВИ. В качестве электропрочных газоразрядных коммутаторов использованы тиратроны, причем организован тиратронный модуль, представляющий собой герметичный секционированный корпус, секции которого экранированы от электромагнитных наводок, вносимых в электрические цепи при срабатывании расположенных в модуле тиратронов. Тиратрон, расположенный в первой секции, коммутирует разряд буферного емкостного накопителя на промежуточный емкостной накопитель, расположенный во второй секции, тиратрон, расположенный в третьей секции, коммутирует разряд промежуточного емкостного накопителя на рабочий емкостной накопитель ФВИ. Тиратронный модуль оснащен герметичными вводами и разъемами для обеспечения возможности подключения к источнику высокого напряжения, ФВИ и блоку управления. Обеспечена возможность заполнения корпуса модуля газом CF6 или трансформаторным маслом для увеличения электропрочности модуля. Технический результат - повышение надежности и ресурса системы импульсно-периодической зарядки. 2 ил.

Система импульсно-периодической зарядки на газоразрядных коммутаторах, содержащая электрически связанные между собой источник высокого напряжения, блок импульсно-периодической зарядки, а также формирователь высоковольтных импульсов (ФВИ) с рабочим емкостным накопителем и блок управления, причем блок импульсно-периодической зарядки представляет собой образованные буферным емкостным накопителем, промежуточным емкостным накопителем, индуктивностями, высоковольтными диодами, электропрочными газоразрядными коммутаторами два контура перезарядки - буферного емкостного накопителя на промежуточный емкостной накопитель и промежуточного емкостного накопителя на рабочий емкостной накопитель ФВИ, при этом емкость промежуточного накопителя равна рабочей емкости ФВИ, отличающаяся тем, что в качестве электропрочных газоразрядных коммутаторов использованы тиратроны, причем организован тиратронный модуль, представляющий собой герметичный секционированный корпус, секции которого экранированы от наводок, вносимых в электрические цепи при срабатывании расположенных в модуле тиратронов, причем тиратрон, расположенный в первой секции, коммутирует разряд буферного емкостного накопителя на промежуточный емкостной накопитель, расположенный во второй секции, тиратрон, расположенный в третьей секции, коммутирует разряд промежуточного емкостного накопителя на рабочий емкостной накопитель ФВИ, тиратронный модуль оснащен герметичными вводами и разъемами для обеспечения возможности подключения к источнику высокого напряжения, ФВИ и блоку управления, при этом обеспечена возможность заполнения корпуса модуля газом CF6 или трансформаторным маслом для увеличения электропрочности модуля.