ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Советский патент 1996 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к высоковольтным импульсным источникам питания, и может быть использовано в сильноточных ускорителях прямого действия.

Целью изобретения является повышение КПД устройства.

На фиг.1 показана схематически конструкция устройства; на фиг.2 его электрическая схема; на фиг.3 распределение ЭДС по виткам вторичной обмотки; на фиг. 4 график изменения корректирующих индуктивностей по длине первичной обмотки.

Импульсный источник питания содержит импульсный трансформатор с первичной 1 и вторичной 2 обмотками и разомкнутым магнитопроводом 3, 4. Цепь первичного контура импульсного трансформатора образована первичной обмоткой 1, соединенной через коммутатор 5 с параллельно соединенными накопительной емкостью 6 и источником 7 постоянного или квазипостоянного напряжения. Цепь вторичного контура импульсного трансформатора образована вторичной конусной обмоткой 2 и конструктивной емкостью 8, образованной внешним и внутренним проводниками 9, 10 коаксиальной формирующей линии, разделенными электрическим изолятором 11. Первичная обмотка 1 импульсного трансформатора выполнена из нескольких отдельных витков, расположенных вдоль формирующей линии, и размещена внутри, в непосредственной близости от внутренней поверхности внешнего проводника 10 формирующей линии. Вторичная конусная обмотка 2, намотанная на полый усеченный диэлектрический конус 12, также размещена в зазоре формирующей линии и соединена электрически одним концом с внешним 10, а другим с внутренним 9 проводниками коаксиальной формирующей линии. Конструктивная емкость 8 формирующей линии является емкостью вторичного контура импульсного трансформатора. Его разомкнутый магнитопровод 3,4 является одновременно токоведущей частью формирующей линии. В первичную цепь импульсного трансформатора через общий коммутатор 5 последовательно с накопительной емкостью 6 между коммутатором 5 и отдельными витками первичной обмотки 1 включены отдельные корректирующие индуктивности 13, так что один из выводов отдельной корректирующей индуктивности связан электрически с остальными корректирующими индуктивностями 13, а другой только с соответствующим отдельным витком первичной обмотки 1, образуя несколько параллельно включенных контуров. Индуктивно связанные первичный и вторичный колебательные контуры имеют равные собственные частоты.

Эквивалентная электрическая схема импульсного источника питания (фиг.2) содержит источник 7 напряжения, первичную емкость 6, коммутатор 5, отдельные корректирующие индуктивности 13, импульсный трансформатор с обмотками 1,2 и емкость 8 вторичного контура, являющуюся емкостью формирующей линии.

Импульсный источник питания работает следующим образом.

От источника 7 постоянного или квазипостоянного напряжения заряжается емкость 6 первичного контура, зарядка происходит при разомкнутом коммутаторе 5 до напряжения U₁. При срабатывании коммутатора накопленная емкости 6 энергия перекачивается в емкость 8 формирующей линии с эффективностью
η 1- • 1+ где L_s, L_μ индуктивности рассеивания и намагничивания импульсного трансформатора при условии равенства собственных частот контуров, близкого к единице, что возможно для разомкнутого магнитопровода в случае, когда количество витков в первичной обмотке равно единице.

Через время
t₃= после срабатыавния коммутатора 5 напряжение на емкости 8 достигает своей максимальной величины U₂ n^. U₁, где n коэффициент трансформации; С₁- накопительная емкость.

В этот же момент времени напряжение на емкости С₁ близко к нулю и при наличии отдельных корректирующих индуктивностей L⁽ⁱ⁾к_ор в цепи первичного контура на I-м витке первичной обмотки импульсного трансформатора имеется напряжение
U_L(i) -L(i)кор

• , где I₁(i) разрядный ток в i-м отдельном витке первичной обмотки.

Величина и характер распределения этого напряжения по отдельным виткам первичной обмотки и задает скорость изменения и характер распределения напряжения по виткам вторичной обмотки, а поскольку напряжение на концах вторичной обмотки задано коэффициентом трансформации и эффективностью зарядки емкости 8 формирующей линии, то изменение распределения величин отдельных корректирующих индуктивностей L(i)кор

, подключенных к отдельным виткам первичной обмотки, дает возможность изменения распределения напряжения по виткам вторичной обмотки без изменения эффективности всего устройства. Это позволяет повысить энергозапас формирующей линии и в конечном счете мощность импульсивного источника питания.

Измерения распределения ЭДС по виткам вторичной обмотки при различном распределении величин корректирующих индуктивностей L(i)кор

, по отдельным виткам первичной обмотки для импульсного трансформатора с конусной вторичной обмоткой показывают, что для наилучшего распределения ЭДС по виткам вторичной обмотки величины отдельных корректирующих индуктивностей должны определяться выражением
L(i)кор 0,9• exp- +2•exp- + , где L_s индуктивность рассеяния;
R₁, R₂ внутренний и внешний радиусы формирующей линии;
D_k длина вторичной обмотки, i 1,2.N номер, соответствующий отдельной корректирующей индуктивности и отдельного витка первичной обмотки, N число отдельных витков первичной обмотки и соответствующих корректирующих индуктивностей.

Для сигнала β R₂/R₁ 2,2 D_k/R₂ 4, N 22, величина отношений L(i)кор

/L_s приведена в таблице.

Для этого же случая на фиг.3 представлен график зависимостей распределения ЭДС по виткам вторичной обмотки (ось ординаты в относительных единицах) от радиуса витка вторичной обмотки на усеченном конусе (ось абсциссы) для различных конструкций. Кривая 14 соответствует такому распределению ЭДС, при котором электрическое поле формирующей линии со встроенным трансформатором тождественно электрическому полю формирующей линии без встроенного в нее трансформатора.

Кривая 15 соответствует распределению ЭДС по виткам вторичной обмотки в случае без корректирующей индуктивности и без разделения витка первичной обмотки на отдельные витки. Кривая 16 соответствует распределению ЭДС по виткам вторичной обмотки в случае без разделения витка первичной обмотки и с корректирующей индуктивностью, рекомендуемой в прототипе. Кривая 17 соответствует распределению ЭДС по виткам вторичной обмотки в случае с разделением витка первичной обмотки на отдельные витки, соединенные с соответствующими корректирующими индуктивностями, величиной которых заданы выражением для L(i)кор

и приведены в таблице.

Из сравнения кривых 16 и 17 видно, что ЭДС, а следовательно, и напряженность поля на витках вторичной обмотки (с радиусом близким к R₁) в предлагаемом устройстве меньше в α1,2 раза, чем в прототипе. Соответственно предельный энергозапас увеличен в α² 1,4 раза при равенстве максимальных напряженностей поля.

График зависимости L(i)кор

по длине первичной обмотки показан на фиг.4 для случая β 2,2, D_k/R₂ 4, N 22 (кривая 18) и является результатом;
а) увеличения к краям первичной обмотки на характерной длине, равной межэлектродному зазору формирующей линии R₂-R₁ (кривые 19 и 20);
б) монотонного возрастания в сторону большего основания вторичной конической обмотки (кривая 21).

Характер изменения L(i)кор

по длине первичной обмотки является общей закономерностью для встроенных в формирующую линию импульсных трансформаторов с разомкнутым сердечником и с конусной вторичной обмоткой.

Наиболее значителен эффект коррекции распределения ЭДС по виткам вторичной обмотки посредством распределения тока по отдельным виткам первичной обмотки, проявляющийся для отношения радиусов внешнего и внутреннего проводников формирующих линий, близких к единице (низкоомные формирующие линии). Для случая β= 1,6 при различных D_k/R₂энергозапас увеличивается в 2 раза по сравнению с прототипом.

Использование отдельных витков в первичной обмотке в совокупности с распределенными по величине корректирующими индуктивностями позволяет при увеличении надежности электрического изолятора уменьшить габариты формирующей линии.

Важным следствием использования отдельных витков первичной обмотки в совокупности с распределенными по величине индуктивности коррекции является повышение надежности в условиях большой частоты следования импульсов и наличия ограничения на габариты всего устройства.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано при разработке высоковольтных источников питания ускорителей прямого действия. Целью изобретения является повышение КПД устройства. Первичная обработка импульсного трансформатора выполнена в виде нескольких отдельных витков 1, каждый из которых подключен к отдельной катушке 13 с общим коммутатором 5 на накопительную емкость 6. Катушки 13 имеют различную индуктивность, при этом самую минимальную индуктивность из всех имеет катушка, удаленная от места соединения вторичной обмотки 2 с внутренним проводником коаксиальной формирующей линии 3 на расстояние, равное зазору между проводниками 3 и 4. Выбранные величины индуктивностей катушек 13 обеспечивают оптимальное согласование и повышение КПД устройства. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, содержащий магнитопровод, выполненный в виде коаксиально формирующей химии с внутренним и внешним проводниками, и расположенные между ними первичную обмотку, подключенную к корректирующей индуктивности и коммутатору, и вторичную обмотку конической формы, соединенную с внутренним и внешним проводниками, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД устройства, первичная обмотка выполнена в виде нескольких отдельных витков, а корректирующая индуктивность выполнена в виде нескольких отдельных катушек, число которых равно числу этих витков и каждая из которых соединена одним концом с одним из витков, а другим концом с коммутатором, при этом минимальную индуктивность из всех катушек имеет катушка, расположенная от места соединения вторичной обмотки с внутренним проводником на расстоянии, равном зазору между внутренним и внешним проводниками. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество отдельных витков первичной обмотки и катушек корректирующей индуктивности, а также величины этих индуктивностей выбраны из условий


где N число витков и катушек;
D_к длина вторичной обмотки, м;
R₂ радиус внешнего проводника, м;
R₁ радиус внутреннего проводника, м;
i порядковый номер катушки, первая из которых расположена со стороны соединения вторичной обмотки с внешним проводником;
L_i индуктивность катушки с номером
L_S индуктивность рассеяния между первичной и вторичной обмотками, Гн.