Генератор импульсных напряжений Российский патент 2025 года по МПК H03K3/537 

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и предназначено для генерирования импульсов высокого напряжения с целью использования в ускорителях заряженных частиц.

Схема построения высоковольтных генераторов импульсного напряжения (ГИН) (схема Аркадьева-Маркса) используется достаточно давно и хорошо отработана. Ее основу составляет система каскадов умножения напряжения, которые заряжаются параллельно, а при замыкании ключевых элементов каскады выстраиваются последовательно. Это обеспечивает умножение амплитуды зарядного напряжения пропорционально количеству каскадов. В качестве ключевых элементов в ГИН чаще всего используются газонаполненные разрядники, которые позволяют формировать импульсы напряжения вплоть до нескольких мегавольт с токами в десятки-сотни килоампер и длительностью от единиц наносекунд до сотен микросекунд. В режиме редкоповторяющихся импульсов ГИН характеризуется компактностью, простотой изготовления и легкостью управления. Однако для импульсно-периодического режима функционирования высоковольтные разрядники для коммутации достаточно высокой энергии при приемлемом для промышленного применения ресурсом в мире отсутствуют. Кроме того, ситуация осложняется тем, что всегда существует вероятность самопроизвольного пробоя разрядника во время зарядки. В частности для разрядников российского производства типичный процент самопроизвольного срыва составляет порядка 0,5%. При этом вся энергия, запасенная в каскадах ГИН, проходит через сорвавшийся разрядник, вызывая его разрушение. Более того, при самопроизвольном пробое ток через сорвавшийся разрядник носит колебательный характер, что также способствует его разрушению.

Известен генератор импульсного напряжения [патент RU 2317637 С1 «Генератор импульсного напряжения», МПК Н03К 3/537, опублик. 20.02.2008 Бюл. №5], содержащий корпус с диэлектрической средой, в которой расположены конденсаторы, разрядники с системой закачки газа и резисторы, соединенные по схеме Аркадьева-Маркса. Элементы генератора расположены в трех параллельных друг другу осях. Конденсаторы собраны в два пакета, а разрядники в другой пакет, расположенный над пакетами конденсаторов.

Недостатком известного устройства является то, что применяются разрядники с системой закачки смеси элегаза и азота, что существенно усложняет конструкцию, увеличивает габариты установки и снижает надежность.

Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков изобретения, присуща известному генератору высоковольтных импульсов [патент RU 2722114 С1 «Генератор высоковольтных импульсов», опубл. 26.05.2020 Бюл. №15]. Известный генератор собран по каскадной схеме умножения Аркадьева-Маркса, состоит из n каскадов, включающих зарядные цепи и искровые разрядники с генератором запуска.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что в случае самопроизвольного пробоя одного из разрядников, через него проходит вся энергия, запасенная в конденсаторах генератора, вызывая его разрушение.

Техническим результатом заявляемого изобретения является стабилизация работы генератора импульсных напряжений, повышение надежности и ресурса.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в генераторе импульсных напряжений, собранном по каскадной схеме умножения Аркадьева-Маркса, состоящего из n каскадов, включающих зарядные цепи и искровые разрядники с генератором запуска, согласно изобретению, по меньшей мере в первые четыре каскада последовательно искровым разрядникам установлены защитные элементы. В качестве защитных элементов могут быть использованы мощные резисторы с номиналом близким к нагрузке каскада.

Установка по меньшей мере в первые четыре каскада последовательно искровым разрядникам защитных элементов позволяет предотвратить разрушение разрядника при самопроизвольном пробое путем снижения токовой нагрузки на разрядник, что стабилизирует работу генератора импульсных напряжений в целом, повышая тем самым его надежность и ресурс работы.

Рассмотрим реализацию предлагаемого изобретения, представленного на фигурах 1-13.

На фиг. 1 изображена схема генератора импульсных напряжений, состоящего из четырех каскадов, где позициями обозначены: 1 - ИП - источник питания; 2 - зарядные цепи; 3 - накопительные конденсаторы; 4 - искровые разрядники; 5 - генератор запуска разрядников; 6 - защитные элементы; 7 - нагрузка; 8 - коммутатор; 9 - имитация сопротивления разрядника.

На фиг. 2 - расчетная осциллограмма зарядки накопителей ГИН;

На фиг. 3 - ток через разрядник без установленной защиты и с установленными защитными элементами (резисторами);

На фиг. 4 - сопротивление разрядника без установленной защиты и с установленными защитными элементами (резисторами);

На фиг. 5 - энергия, выделившаяся в искре без установленной защиты и с установленными защитными элементами (резисторами);

На фиг. 6 - энергия, выделяющаяся в искре разрядника в штатном режиме работы;

На фиг. 7 - осциллограмма тока через защитный элемент (резистор);

На фиг. 8 - график энерговыделения в защитном элементе (резисторе);

На фиг. 9 - ток через разрядник при самопроизвольном пробое в ГИН с 22 каскадами без защиты;

На фиг. 10 - энерговыделение в разряднике при самопроизвольном пробое в случае 22-х каскадного ГИН без защиты;

На фиг. 11 - ток через разрядник с защитными элементами (резисторами) сопротивлением 50 Ом;

На фиг. 12 - энерговыделение в разряднике в случае самопроизвольного пробоя при наличии защиты в 22-х каскадном ГИН;

На фиг. 13 - энерговыделение в защитном элементе (резисторе R20) за 1 импульс.

Генератор импульсных напряжений собран по каскадной схеме умножения Аркадьева-Маркса и состоит из n каскадов (n - натуральное число больше 1), включающих ИП - источник питания 1, зарядные цепи 2 и искровые разрядники 4. В качестве зарядных цепей 2 используют комбинацию индуктивностей (L1 - L8), резисторов (R1 - R8), которые имитируют активное сопротивление индуктивностей), и накопительные конденсаторы 3 (С1-С4). В первые четыре каскада последовательно искровым разрядникам 4 установлены защитные элементы 6, в качестве которых используют мощные резисторы (R17 - R23) с номиналом близким к нагрузке каскада. Для запуска искровых разрядников 4 применен генератор запуска 5.

Генератор импульсных напряжений работает следующим образом.

На начальном этапе работ проведено компьютерное моделирование схемы ГИН в программе Micro-Cap, состоящей из четырех каскадов (Фиг. 1), для подтверждения возможности защиты ключевых элементов. В схему для имитации подключения нагрузки 7 (R24) к каскадам генератора добавлен коммутатор 8 (К2), для имитации сопротивления разрядника в разрядную цепь добавлены низкоомные резисторы 9 (R13 - R16), с помощью которых удобно контролировать ток через искровой разрядник. Зарядка накопительных конденсаторов 3 ГИН осуществляется от источника питания 1, ток которого подобран таким образом, чтобы имитировать работу реального высоковольтного источника питания, который обеспечивает заряд емкостей. При этом ток зарядки каждого каскада составляет около 0,5 А, что согласуется с величиной, измеренной на практике. Емкость накопительного конденсатора 3 каждого каскада выбрана равной суммарной емкости одиночной формирующей линии реального ГИН. Поскольку разряд конденсаторов при срыве происходит через развязывающие индуктивности величиной 200 мкГн, нет необходимости представлять каждый каскад в виде формирующей линии.

При моделировании рассчитывался ток, который протекает через искровой разрядник Р2 в случае его самопроизвольного пробоя в отсутствие и при наличии защитных элементов - резисторов, а также ток и энергия, выделившаяся в них при зарядке и разрядке. Для оценок выбран самый неблагоприятный вариант, когда накопительные конденсаторы 3 полностью заряжены.

Кроме элементов на данной схеме приведены токи I1, I2, I3, I4, которые начинают течь через сорвавшийся разрядник Р2 при разрядке конденсаторов С11, С2, С3, С4.

При расчетах амплитуда зарядки составляла 25 кВ и срыв разрядника происходил на четвертой миллисекунде. Поскольку зарядка конденсаторов осуществляется постоянным током, рост напряжения на накопителях ГИН происходит линейно. Расчетная осциллограмма зарядки представлена на Фиг. 2.

В качестве критерия эффективности защиты разрядника при самопроизвольном пробое во время зарядки принято существенное снижение амплитуды тока через него, а также устранение возникающего при срыве колебательного режима. Именно эти ограничения на режим работы разрядника указываются в паспортах приборов, регламентирующих штатный режим их функционирования. Особо необходимо отметить, что все производители устанавливают жесткое ограничение на величину второй полуволны тока, которая не должна превышать 20% от допустимой максимальной амплитуды.

На Фиг. 3 представлены расчетные осциллограммы тока через разрядник в случае его самопроизвольного пробоя при наличии и отсутствии защиты.

Как видно из представленных результатов, ток через сорвавшийся разрядник при отсутствии защиты носит явно колебательный характер с максимальной амплитудой на уровне 900 А. Длительность колебаний составляет порядка 200…250 мкс. Такой режим является крайне нежелательным и для обеспечения приемлемого ресурса коммутатора необходимо избегать подобных условий его работы. Необходимо особо подчеркнуть, что эти результаты получены в 4-х каскадном ГИН. При переходе к штатной схеме с n > 4 - каскадами амплитуда и длительность колебаний тока через разрядник существенно возрастут.

Ток же через разрядник в случае с установленными защитными резисторами величиной 30 Ом имеет практически апериодическую форму, при этом амплитуда первой полуволны снижается до величины 500 А. Таким образом, расчетным путем подтверждена возможность существенного смягчения режима работы ключевого элемента в нештатном режиме за счет введения защитных резисторов.

Для более обоснованного подтверждения целесообразности введения защитных элементов была оценена энергия, которая выделяется в объеме сорвавшегося разрядника (на его активном сопротивлении) при отсутствии и наличии защитных элементов. При этом сопротивление разрядника оценивалось по соотношению Ромпе-Вейцеля для искры (1):

где: d - длина искры, которая равна 6 мм;

а - искровая постоянная для водорода равна 1,2×10⁵Па×см²/(В×2 с).

р - давление, равное 7 атм;

I - ток через разрядник.

На Фиг. 4 представлены расчетные зависимости сопротивления разрядника в случае его самопроизвольного пробоя при наличии и отсутствии защитных элементов.

Ожидаемо падение сопротивления разрядника до долей Ома происходит быстро. Однако в случае отсутствия защитных элементов, когда амплитуда тока выше, падение сопротивление разрядного промежутка происходит быстрее и до величины порядка 0,25 Ом.

По полученным значениям сопротивления промежутка сорвавшегося разрядника, а также тока через него была рассчитана энергия, выделяющаяся в искре, для обоих случаев. Результаты расчетов представлены на Фиг. 5.

Как следует из результатов расчетов, при установке защитных резисторов выделившаяся в искре энергия снижается более чем в три раза, что с учетом относительно редких случаев самопробоев разрядника (менее 0,5%) должно существенно повысить его ресурс.

Следует особо отметить, что согласно оценкам, в штатном режиме работы ГИН в разряднике выделяется энергия порядка 2,5 Дж за время в несколько микросекунд. Данная зависимость представлена на Фиг. 6.

Таким образом, установка защитных элементов (резисторов) позволяет при самопроизвольном срыве:

- избавиться от колебательного режима работы разрядника;

- снизить почти вдвое амплитудное значение протекающего через разрядник тока;

- уменьшить втрое выделяющуюся в иске энергию.

Фактически наличие защитных элементов в 4-х каскадном ГИН позволяет обеспечить сорвавшемуся разряднику режим, близкий к штатному по уровню выделившейся в нем энергии и амплитуде тока.

Для формулировки требований к защитным элементам необходимо оценить энергию, которая поглощается в них в случае самопроизвольного пробоя разрядника. Оценка выполнена для наиболее нагруженного резистора R20, через который протекает максимальный ток. Соответствующая осциллограмма тока представлена на Фиг. 7.

Как видно из представленной зависимости, амплитудное значение тока через резистор R20 (Фиг. 7) примерно вдвое меньше тока через разрядник (Фиг. 3). Это объясняется тем, что разрядка каскада, в котором находится сорвавшийся разрядник, самая быстрая и осуществляется, минуя рассматриваемый защитный резистор.

В результате интегрирования получена зависимость выделившейся на резисторе R20 энергии, график которой представлен на Фиг. 8.

Согласно представленному графику, для 4-х каскадного ГИН выделяющаяся в наиболее нагруженном защитном резисторе энергия равна 30 Дж, что составляет 30% от запасенной в ГИН энергии.

С практической точки зрения также необходимо оценить потери энергии при зарядке на защитных резисторах. С учетом величины зарядного тока каждого каскада на уровне 0,5 А, величины защитных резисторов в каскаде (2×30 Ом), длительности зарядки 4 мс и частоты следования импульсов 200 Гц потери на каскад оцениваются величиной 0,06 Дж/за импульс, 12 Дж за секунду (мощность 12 Вт). Относительно запасаемой в каскаде энергии потери ничтожно малы и не превышают 0,25%.

По результатам проведенных расчетов можно сделать следующие выводы:

- наибольшей нагрузке подвергается резистор, установленный под сорвавшимся разрядником;

- протекающий через данный резистор ток является током разрядки (n-1) количества каскадов. В рассматриваемом случае (n-1) - 3;

- суммарная энергия, выделившаяся в резисторе, составляет порядка 30% от запасенной в 4-х каскадном ГИН энергии;

- оптимальное значение защитных резисторов (на каскад) составляет величину близкую к величине нагрузки.

Таким образом, на основании расчетов защиты ключевых элементов 4-х каскадного ГИН модернизированная схема полного n-каскадного генератора кроме стандартных комплектующих должна включать в свой состав:

- четыре каскада ГИН с управляемыми разрядниками, оснащенных защитными элементами;

- (n-4) каскадов неуправляемых разрядников с повышенным напряжением самопробоя до величины в 1.5 раза больше зарядного напряжения.

Для определения требований к защитным элементам были проведены расчеты на примере 22-каскадного ГИН. Первые 4 каскада схемы остались без изменений за исключением номиналов защитных резисторов. Они были выбраны равными 50 Ом.

В ходе расчетов 22-х каскадного ГИН оценивался ток через защитный резистор и сорвавшийся разрядник.

На Фиг. 9 представлена расчетная осциллограмма тока через второй сорвавшийся разрядник. Видно, что ток носит осциллирующий характер, как и для случая с четырьмя каскадами, но более длинный по времени. При этом амплитуда тока достигает почти 1000 А, которая обеспечивается ближайшими к сорвавшемуся разряднику каскадами. Хвост импульса через разрядник обусловлен вышележащими каскадами, разряд которых осуществляется через зарядно-разрядные индуктивности величиной 200 мкГн и их активные сопротивления. Из-за этого вклад в разрядник от верхних каскадов невелик - энергия рассеивается в цепочках резисторов, имитирующих активное сопротивление индуктивностей.

На Фиг. 10 представлена расчетная кривая энерговыделения в сорвавшемся разряднике. Суммарно в нем выделяется порядка 9 Дж, что сопоставимо с выделением энергии в случае 4-х каскадного ГИН.

В качестве подтверждения реализуемости защиты в 22-х каскадном ГИН проведены расчеты тока и энерговыделения в разряднике при наличии защиты на первых нижних 4-х каскадах.

На Фиг. 11 представлен ток через сорвавшийся разрядник с защитными резисторами величиной 50 Ом, на Фиг. 12 - энерговыделение в нем при указанной величине сопротивления резисторов.

Установка защитных резисторов выдвигает дополнительные требования к системе управления и контроля за работой разрядников. Это связано с увеличивающимся в этом случае временем протекания тока через разрядник при его самопроизвольном пробое. При достаточно высокой частоте следования импульсов (~200 Гц) восстановление электропрочности после самопроизвольного пробоя к приходу следующего импульса зарядки может и не произойти. Расчеты показывают, что для случая отсутствия защиты ток при срыве падает до значений, близких к нулю, за время порядка 1,2 мс, с защитными резисторами 50 Ом это время возрастает до 1,8 мс, при 100 Ом - до 2,9 мс. При этом амплитуда тока составляет для 100 Ом - 220 А; для 50 Ом - 350 А, без защиты 1000 А.

Таким образом, для обеспечения работы с высокой частотой следования импульсов система управления многокаскадного ГИН должна отслеживать самопроизвольные пробои разрядников и запрещать появление штатного следующего импульса зарядки, что гарантированно обеспечит восстановление электропрочности.

Также проведена оценка энерговыделения в самом нагруженном резисторе R20. На Фиг. 13 представлена зависимость выделения энергии от времени.

Как видно из представленного графика, самопроизвольный пробой одного из нижних разрядников приводит к выделению в защитном резисторе энергии на уровне 175 Дж. Если количество срывов не превышает типичных значений, приведенных в ТУ (1 срыв на 200 импульсов), то при частоте 200 Гц мощность резистора не превысит 200 Вт.

На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:

• наибольшей нагрузке подвергается резистор, установленный под сорвавшимся разрядником;

• протекающий через данный резистор ток является током разрядки (n-1) количества каскадов. В рассматриваемом случае (n -1)=3;

• суммарная энергия, выделившаяся в резисторе, составляет порядка 30% от запасенной в 4-х каскадном ГИН энергии;

• оптимальное значение защитных резисторов (на каскад) составляет величину близкую к величине нагрузки.

В результате расчетов и моделирования схемы каскадов ГИН с защитными резисторами и без них были получены результаты, подтверждающие целесообразность использования защитных элементов, которые позволили стабилизировать работу генератора импульсных напряжений, повысив его надежность и ресурс.

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и предназначено для генерирования импульсов высокого напряжения с целью использования в ускорителях заряженных частиц. Технический результат - стабилизация работы генератора импульсных напряжений, повышение надежности и ресурса генератора импульсных напряжений. Для этого в отличие от известного генератора импульсных напряжений, собранного по каскадной схеме умножения Аркадьева-Маркса, состоящего из n каскадов, включающих зарядные цепи и искровые разрядники с генератором запуска, в предложенном генераторе импульсных напряжений по меньшей мере в первые четыре каскада последовательно искровым разрядникам установлены защитные элементы, снижающие токовую нагрузку на разрядник при самопроизвольном пробое и предотвращающие его разрушение. 1 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Генератор импульсных напряжений, собранный по каскадной схеме умножения Аркадьева-Маркса, состоящий из n каскадов, включающих зарядную цепь из комбинации индуктивностей и резисторов, подключенную к источнику питания, разрядную цепь из комбинации индуктивностей и резисторов, подключенную к шине заземления, и параллельно соединенные накопительные конденсаторы, включенные между зарядной и разрядной цепями и подключенные через коммутатор к нагрузке, причем между конденсаторами расположены искровые разрядники, каждый из которых подключен к резистору разрядника и генератору запуска, отличающийся тем, что по меньшей мере в первые четыре каскада последовательно искровым разрядникам установлены защитные резисторы таким образом, что первый защитный резистор в каскаде одним выводом подключен к точке соединения конденсатора и одного из выводов искрового разрядника, а другим выводом подключен к одному из выводов индуктивности зарядной цепи данного каскада, а второй защитный резистор одним из выводов подключен к точке соединения резистора разрядника и следующего каскада, а вторым выводом второй защитный резистор подключен к точке соединения каскадов разрядной цепи.

2. Генератор импульсных напряжений по п. 1, отличающийся тем, что в качестве защитных резисторов используют мощные резисторы с номиналом, соответствующим нагрузке каскада.