ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК Российский патент 2023 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к области сильноточной импульсной техники, а именно к генераторам для формирования импульса и может быть использовано для генерирования мощных высоковольтных импульсов микросекундной и наносекундной длительности, необходимых для обеспечения эффективной работы импульсной высоковольтной техники, ускорительной техники, электроразрядных технологий (бурение, дробление минерального сырья, вакуумно-искровая обработка изделий из металлических материалов, очистка и др.), испытаний высоковольтной изоляции.

Известен генератор высоковольтных наносекундных импульсов для возбуждения диффузных газовых разрядов при атмосферном давлении (Е.Г. Крастелев, С.П. Масленников, Э.Я. Школьников. Приборы и техника эксперимента, 2009, №5, с. 98-101), работающий с частотой повторения до 1 кГц, содержащий три каскада компрессии импульсов, которые представляют собой три функциональных узла: импульсное зарядное устройство с напряжением равным сетевому напряжению, высоковольтное зарядное устройство на основе повышающего трансформатора и формирователь наносекундных импульсов. В качестве коммутатора емкостного накопителя выходного каскада использован водородный тиратрон. Однако, малая величина выходного напряжения - до 50 кВ и, сравнительно небольшая частота повторения импульсов, до 1 кГц, ограничивают область его использования.

Известен, принятый за прототип, высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий [RU 2402873 C1, МПК H03K 3/53 (2006.01), опубл. 27.10.2010)], содержащий размещенные в одном цилиндрическом корпусе и соединенные последовательно многоканальный искровой разрядник, емкостный накопитель и импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником и высоковольтным электродом. Каждый искровой промежуток многоканального искрового разрядника снабжен управляющим электродом, соединенным через резистор с заземленным электродом, который служит крышкой многоканального искрового разрядника, и через конденсатор и кабель - с анодом стартового разрядника. Емкостный накопитель выполнен из параллельно соединенных цилиндрических конденсаторов. Ферромагнитный сердечник и высоковольтный электрод импульсного трансформатора электрически соединены.

Генератор работает следующем образом: преобразователь напряжения постоянным током заряжает конденсатор через первичную обмотку зарядного трансформатора до требуемого напряжения. Затем от блока управления запускается коммутирующий тиристор и конденсатор разряжается на первичную обмотку зарядного трансформатора. Напряжение на вторичной обмотке зарядного трансформатора подается на зарядку емкостного накопителя и через индуктивность и резистор на анод стартового разрядника. Когда напряжение на емкостном накопителе достигает максимального значения, формируется импульс напряжения, который запускает стартовый разрядник. Это приводит к коммутации основного многоканального искрового разрядника и как следствие разряд емкостного накопителя на первичный виток импульсного трансформатора, при этом на вторичной обмотке индуцируется высокое напряжение. Для предотвращения перезаряда емкости коммутируемой тиристором, при последующих срабатываниях генератора используется схема рекуперации.

При эксплуатации данного высоковольтного импульсного генератора межвитковая изоляция вторичной обмотки импульсного трансформатора подвергается интенсивной деградации, так как вторичная обмотка выполнена из шести секторных обмоток, которые намотаны по спирали медной лентой с твердотельной межслоевой изоляцией. Такая конструкция вторичной обмотки имеет сниженный срок службы из-за возникновения высокой напряженности на краях медной ленты, как следствие частичных разрядов в межслоевой изоляции, что приводит к сокращению ресурса работы всего генератора.

Кроме того, использование в качестве коммутатора многоканального искрового разрядника вызывает необходимость использования дополнительных блоков и элементов, усложняющих схему генератора. Первичная обмотка высоковольтного импульсного трансформатора образована корпусом генератора из нержавеющей стали, а это значит, что корпус генератора токоведущий и представляет опасность поражения электрическим током во время эксплуатации и так же является источником помех.

Технический результат предложенного изобретения заключается в создании надежного и безопасного в эксплуатации высоковольтного импульсного источника, обеспечивавшего повторяемость параметров от импульса к импульсу, с увеличенным ресурсом работы, ремонтопригодной конструкции.

Для достижения указанного технического результата высоковольтный импульсный источник, как прототип, содержит корпус, в котором размещены коммутирующий элемент, соединенные между собой импульсный трансформатор с магнитопроводом и емкостной накопитель, выполненный из параллельно соединенных между собой цилиндрических конденсаторов.

В отличие от прототипа, в качестве коммутирующего элемента использован управляемый коммутатор, к аноду которого присоединен емкостный накопитель. Виток первичной обмотки импульсного трансформатора образован немагнитным проводящим цилиндром, размещенным в окне магнитопровода, и немагнитными проводящими шинами, расположенными вдоль корпуса. Один конец цилиндра соединен с выводами емкостного накопителя, а другой конец цилиндра соединен с катодом управляющего коммутатора и с немагнитными проводящими шинам. Вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена из двух параллельно соединенных спиралей, охватывающих магнитопровод, и присоединена одним концом к емкостному накопителю, а вторым концом подключена к выводу высоковольтного импульсного источника. Спирали вторичной обмотки, выполненные из немагнитного проводящего материала, имеют самонесущую конструкцию и изолированы жидким диэлектриком, наполняющим корпус. Виток вторичной обмотки импульсного трансформатора, находящийся под половинным потенциалом, гальванически соединен с магнитопроводом. В корпусе установлен дроссель, содержащий диэлектрический каркас, на который намотан по спирали проводник в изоляции. Дроссель подключен к точке соединения емкостного накопителя с первичной обмоткой импульсного трансформатора и к источнику тока. Преобразователь напряжения подключен к точке соединения анода управляющего коммутатора и емкостного накопителя, а также к катоду управляющего коммутатора. Блок запуска соединен с преобразователем напряжения и с управляющим электродом управляющего коммутатора, катод управляющего коммутатора соединен с корпусом, который заземлен.

Таким образом, конструкция с согласующим автотрансформатором и принудительным размагничиванием магнитопровода перед формированием импульса напряжения, увеличивает ресурс работы и обеспечивает оптимальные условия работы устройства.

Конструктивное исполнение первичной обмотки импульсного трансформатора исключает протекание силового тока через корпус высоковольтного импульсного источника. В отличие от прототипа корпус высоковольтного импульсного источника не является первичной обмоткой трансформатора и соответственно не проводит электрический ток, что делает конструкцию более безопасной в эксплуатации. Вторичная обмотка трансформатора уменьшает вероятность пробоя и не требует замены. Использование жидкой изоляции в отличие от твердотельной, как в прототипе, исключает деградацию изоляции обмоток импульсного трансформатора, что обеспечивает бесперебойную и безопасную работу высоковольтного импульсного источника. Использование управляемого коммутатора в качестве коммутатора емкостного накопителя, увеличивает ресурс работы, обеспечивает высокую повторяемость амплитуды выходного импульса, фронта импульса и задержки срабатывания, повышает надежность устройства. Нетоковедущий корпус снижает уровень помех, создаваемый высоковольтным импульсным источником, а также позволяет использовать обычную конструкционную сталь, например, типа Ст308ПС. Таким образом, вышеперечисленные изменения позволили создать надежный, безопасный в эксплуатации и ремонтопригодный высоковольтный импульсный источник.

На фиг. 1 приведен чертеж осевого сечения высоковольтного импульсного источника.

На фиг. 2 приведена электрическая схема подключения.

Высоковольтный импульсный источник содержит корпус 1, внутри которого расположен управляемый коммутатор 2 (УК), например, тиратрон ТД4-100К/75П, емкостной накопитель 3 и импульсный трансформатор 4 с магнитопроводом 5.

Виток первичной обмотки 6 импульсного трансформатора 4 образован немагнитным проводящим цилиндром 7, размещенным в окне магнитопровода 5, и немагнитными проводящими шинами 8, расположенными вдоль корпуса 1.

Емкостный накопитель 3 содержит параллельно соединенные цилиндрические конденсаторы, одни выводы которых присоединены к аноду тиратрона 2 (УК), а другие - к одному концу цилиндра 7. Другой конец цилиндра 7 соединен немагнитными проводящими шинами 8 с катодом тиратрона 2 (УК).

Вторичная обмотка 9 импульсного трансформатора 4 выполнена из двух параллельно соединенных спиралей, охватывающих магнитопровод 5, и присоединена одним концом к емкостному накопителю 3, а вторым - к выводу высоковольтного импульсного источника 10. Виток вторичной обмотки 9 импульсного трансформатора 4 находящийся под половинным потенциалом гальванически соединен с магнитопроводом 5 импульсного трансформатора 4. Спирали вторичной обмотки 9, выполненные из немагнитного проводящего материала, имеют самонесущую конструкцию и изолированы жидким диэлектриком, например, трансформаторным маслом, наполняющим корпус высоковольтного импульсного источника 1.

В корпусе 1 установлен дроссель 11, содержащий жесткий диэлектрический каркас, на который намотан по спирали проводник в изоляции. Дроссель 11 подключен одной клеммой к точке соединения емкостного накопителя 3 с витком первичной обмотки 6 импульсного трансформатора 4 (ИТ), а другой - к источнику тока 12 (ИТ).

Преобразователь напряжения 13 (ПН) подключен одной клеммой к точке соединения анода тиратрона 2 (УК) и емкостного накопителя 3 (ЕН), а другой клеммой к катоду тиратрона 2 (УК). Блок запуска 14 (БЗ) соединен с преобразователем напряжения 13 (ПН) и управляемы электродом тиратрона 2. Катод тиратрона 2 (УК) соединен с корпусом 1, который заземлен.

В качестве преобразователь напряжения 13 (ПН) может быть использован, например, источник напряжения 50 кВ с регулировкой амплитуды. В качестве блока запуска 14 (БЗ), может быть использован, например, источник импульсного напряжения 10 кВ с регулировкой амплитуды и каналом обратной связи для синхронизации с преобразователя напряжения (ПН). В качестве управляемого коммутатора (УК) может быть использован управляемый триод -тиратрон, тригатрон или другие.

При подключении питания к высоковольтному импульсному источнику, питание подают к преобразователю напряжения 13 (ПН), блоку запуска 14 (БЗ), источнику тока 12 (ИТ). При подаче питания к преобразователю напряжения 1 происходит зарядка емкостного накопителя 3 (ЕН) током, протекающим через первичный виток 6 импульсного трансформатора 4 (ИТ).

В процессе работы происходит постоянное размагничивание магнитопровода 5 постоянным током, протекающим от источника тока 12 (ИТ) через дроссель 11 и виток первичной обмотки 6 импульсного трансформатора 4 (ИТ). Ток размагничивания протекает в противоположную сторону тока разряда емкостного накопителя 3 (ЕН). После завершения зарядки до установленного напряжения в блоке запуска 14 (БЗ) формируется высоковольтный пусковой импульс, запускающий управляемый коммутатор 2 (УК). Через управляемый коммутатор тиратрон 2 (УК) емкостный накопитель 3 (ЕН) разряжается через первичную обмотку 6, охватывающую магнитопровод 5 импульсного трансформатора 4 (ИТ). В результате на вторичной обмотке 9, охватывающей магнитопровод 5 импульсного трансформатора 4, индуцируется напряжение, которое складывается с напряжением на витке первичной обмотки 6 импульсного трансформатора 4 (ИТ). Таким образом формируется импульс напряжения на выводе 10 высоковольтного импульсного источника. За счет гальванической связи вторичной обмотки 9 и магнитопровода 5 импульсного трансформатора 4 (ИТ), магнитопровод 5 импульсного трансформатора 4 (ИТ) находится под потенциалом равным половине амплитуды выходного импульса напряжения. Это снижает максимальную разность потенциалов между магнитопроводом 5 и остальными элементами высоковольтного импульсного источника, и, следовательно, снижает нагрузку на изолирующие промежутки между элементами высоковольтного импульсного источника.

Изобретение относится к области сильноточной импульсной техники, а именно к генераторам для формирования импульса, и может быть использовано для генерирования мощных высоковольтных импульсов микросекундной и наносекундной длительности. Высоковольтный импульсный источник содержит корпус, в котором размещены коммутирующий элемент, соединенные между собой импульсный трансформатор с магнитопроводом и емкостный накопитель, выполненный из параллельно соединенных между собой цилиндрических конденсаторов. В качестве коммутирующего элемента использован управляемый коммутатор, к аноду которого присоединен емкостный накопитель. Виток первичной обмотки импульсного трансформатора образован немагнитным проводящим цилиндром, размещенным в окне магнитопровода, и немагнитными проводящими шинами, расположенными вдоль корпуса. Один конец цилиндра соединен с выводами емкостного накопителя, а другой конец цилиндра соединен с катодом управляющего коммутатора и с немагнитными проводящими шинам. Вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена из двух параллельно соединенных спиралей, охватывающих магнитопровод, и присоединена одним концом к емкостному накопителю, а вторым концом подключена к выводу высоковольтного импульсного источника. Спирали вторичной обмотки, выполненные из немагнитного проводящего материала, изолированы жидким диэлектриком, наполняющим корпус. Виток вторичной обмотки импульсного трансформатора, находящийся под половинным потенциалом, гальванически соединен с магнитопроводом. В корпусе установлен дроссель, содержащий диэлектрический каркас, на который намотан по спирали проводник в изоляции. Дроссель подключен к точке соединения емкостного накопителя с первичной обмоткой импульсного трансформатора и к источнику тока. Преобразователь напряжения подключен к точке соединения анода управляющего коммутатора и емкостного накопителя, а также к катоду управляющего коммутатора. Катод управляющего коммутатора соединен с корпусом, который заземлен. Технический результат: создание надежного и безопасного в эксплуатации высоковольтного импульсного источника, обеспечивавшего повторяемость параметров от импульса к импульсу. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Высоковольтный импульсный источник, содержащий корпус, в котором размещены коммутирующий элемент, соединенные между собой импульсный трансформатор с магнитопроводом и емкостной накопитель, выполненный из параллельно соединенных между собой цилиндрических конденсаторов, отличающийся тем, что в качестве коммутирующего элемента использован управляемый коммутатор, к аноду которого присоединен емкостный накопитель, виток первичной обмотки импульсного трансформатора образован немагнитным проводящим цилиндром, размещенным в окне магнитопровода, и немагнитными проводящими шинами, расположенными вдоль корпуса, при этом один конец цилиндра соединен с выводами емкостного накопителя, а другой конец цилиндра соединен с катодом управляющего коммутатора и с немагнитными проводящими шинами, вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена из двух параллельно соединенных спиралей, охватывающих магнитопровод, и присоединена одним концом к емкостному накопителю, а вторым концом подключена к выводу высоковольтного импульсного источника, причем спирали вторичной обмотки, выполненные из немагнитного проводящего материала, имеют самонесущую конструкцию и изолированы жидким диэлектриком, наполняющим корпус, виток вторичной обмотки импульсного трансформатора, находящийся под половинным потенциалом, гальванически соединен с магнитопроводом, в корпусе установлен дроссель, содержащий диэлектрический каркас, на который намотан по спирали проводник в изоляции, дроссель подключен к точке соединения емкостного накопителя с первичной обмоткой импульсного трансформатора и к источнику тока, преобразователь напряжения подключен к точке соединения анода управляющего коммутатора и емкостного накопителя, а также к катоду управляющего коммутатора, блок запуска соединен с преобразователем напряжения и с управляющим электродом управляющего коммутатора, катод управляющего коммутатора соединен с корпусом, который заземлен.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве жидкого диэлектрика использовано трансформаторное масло.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве управляющего коммутатора использован управляемый триод.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в качестве триода использован тиратрон или тригатрон.