КАСКАДНЫЙ ГЕНЕРАТОР Советский патент 1995 года по МПК H05H5/00 

Изобретение относится к технике высоких напряжений, в частности к источникам высокого постоянного напряжения, и может быть использовано в ускорителях заряженных частиц, электронных микроскопах, масс-спектрографах и в других электрофизических устройствах, нуждающихся в источниках высокого напряжения, и является усовершенствованием основного изобретения по авт.св. N 1097172.

Целью изобретения является упрощение настройки каскадного генератора.

На фиг. 1 приведен вариант исполнения каскадного генератора с регулировкой немагнитных зазоров магнитопровода компенсирующей катушки с помощью конуса; на фиг. 2 показан вариант исполнения генератора с регулировкой немагнитных зазоров магнитопровода компенсирующей катушки с помощью рычага.

Каскадный генератор по первому варианту (см.фиг.1) содержит емкостную однофазную двухполупериодную схему 1 умножения напряжения, согласующий трансформатор 2 и компенсирующую катушку индуктивности 3, разбитую на две части 4 и 5. Каждая из частей компенсирующей катушки 3 содержит ферромагнитный магнитопровод, состоящий из неподвижной 6, 7 и подвижной 8, 9 частей, и обмотку 10, 11, намотанную на неподвижную 6, 7 часть магнитопровода, которая закреплена на основании 12. Части обмотки 10, 11 соединены последовательно, общая точка этих обмоток подключена к нагрузке, другие выводы обмоток подключены к выходному каскаду схемы умножения напряжения каскадного генератора 1.

Подвижные части 8, 9 магнитопроводов объединены в единый блок 13. Блок 13 состоит из обоймы 14, толкателей 15, 16, конуса 17 и фиксирующих 18 конус 17 в обойме 14 устройства. Толкатели 15, 16 могут поступательно перемещаться в обойме 14 при помощи конуса 17. Фиксация положения толкателей 15, 16 и связанных с ними подвижных частей 8, 9 магнитопроводов выполняется пружинами 19, 20.

При перемещении конуса 17 с помощью устройства 18 в отверстии 21 оба толкателя 15, 16 будут перемещаться на одинаковую величину, уменьшая или увеличивая немагнитные зазоры 22, 23 магнитопроводов. При вращении конуса 17 вокруг оси 24, которая эксцентрична оси конуса 17, перемещение толкателей 15, 16, а значит, и подвижных частей 8, 9 магнитопровода будет осуществляться в одном направлении, что вызывает уменьшение немагнитного зазора 22 в одном магнитопроводе и увеличение немагнитного зазора 23 в другом магнитопроводе при равенстве их абсолютных значений.

На фиг. 2 представлен вариант исполнения каскадного генератора, где регулировка немагнитного зазора магнитопровода компенсирующей катушки 3 выполнена с помощью рычажного устройства. Хотя конструктивная схема механизма регулирования немагнитного зазора магнитопровода в этом варианте и отличается от предыдущей схемы, его основные элементы, относящиеся к основным признакам изобретения, выполняют одинаковые функции.

Отличие состоит в механизме регулирования немагнитного зазора в магнитопроводе. Как видно из фиг.2, подвижная 8, 9 часть магнитопровода установлена в направляющие 25 и имеет возможность перемещаться за счет перемещения каретки 28, на которой закреплена ось 27 рычага 26, в направляющих 29. При повороте рычага 26 в одном из магнитопроводов зазор 23 при этом будет увеличиваться при одновременном уменьшении немагнитного зазора 22 в другом магнитопроводе. Перемещая каретка 28 с осью 27, на которой закреплен рычаг 26, возможно одновременное увеличение или уменьшение зазоров 22, 23.

Каскадный генератор работает следующим образом. При прохождении переменного тока по первичной обмотке согласующего трансформатора 2 в его вторичной высоковольтной обмотке индуцируется переменное напряжение, которое подается на входной каскад емкостной однофазной двухполупериодной циклической схемы умножения напряжения. Высоковольтная обмотка согласующего трансформатора 2 имеет заземленную среднюю точку 30. При этом помимо реактивного тока, проходящего через паразитные конструктивные емкости генератора, появляется и реактивный ток, проходящий через компенсирующую катушку 3 индуктивности, представляющую собой переменную индуктивность, состоящую из двух частей 4, 5. В зависимости от величины немагнитных зазоров 22, 23 в магнитопроводах частей 4, 5 компенсирующей катушки индуктивности 3 суммарное значение индуктивности компенсирующей катушки 3 может изменяться. Следовательно, изменится и величина проходящего через обмотки 10, 11 катушки 3 тока. Величина зазоров 22, 23 поддается плавной регулировке путем поворота конуса 17 или рычаг 26, чем и достигается точная настройка каскадного генератора в резонанс на частоту питающей сети.

Отличием вариантов исполнения каскадного генератора является способ достижения необходимых для изменения величины индуктивности катушки 3 одновременных перемещений подвижных 8, 9 частей магнитопроводов относительно неподвижных ее частей 6, 7. Так, при повороте конуса 17 вокруг оси 24 размеры немагнитных зазоров 22, 23 изменяются таким образом, что увеличение зазора 23 в одном магнитопроводе сопровождается уменьшением немагнитного зазора 23 в другом магнитопроводе на такую же величину. При перемещении оси 27 (второй вариант исполнения) происходит одновременное и одинаковое изменение величины немагнитных зазоров 22, 23.

В обоих вариантах исполнения предлагаемого каскадного генератора достигаются взаимосвязанные одновременные как одинаковые по направлению, так и одинаковые по абсолютному значению, но различные по направлению, изменения величины немагнитных зазоров 22, 23. При этом математические соотношения, описывающие изменения индуктивности компенсирующей катушки 3 для этих случаев, одинаковы независимо от варианта исполнения генератора.

Возможность достижения точного симметрирования предлагаемых каскадных генераторов и одновременно с этим достижение их настройки в резонанс на частоту напряжения согласующего трансформатора вытекает из следующих рассуждений.

Известно, что индуктивность катушки, содержащей N витков, размещенных на ферромагнитном сердечнике, имеющем немагнитный зазор вдоль магнитной силовой линии, определяется выражением
L
(1) где n число витков;
S сечение сердечника;
Δ- суммарный немагнитный зазор;
K N² x S x μ_о;
μ_о 4 xπx 10^-7 магнитная проницаемость вакуума.

Приведенное выражение с высокой точностью дает значение индуктивности при выполнении условия
μxΔ>> D, где μ- относительная магнитная проницаемость материала сердечника;
D средняя длина силовой магнитной линии.

Для компенсирующей катушки индуктивности каскадного генератора данное условие легко выполнимо.

При наладке каскадного генератора его высоковольтная структура должна быть отсимметрирована и настроена в резонанс на частоту напряжения, питающего генератор. Обе операции осуществляются путем изменения величины немагнитных зазоров в ферромагнитных сердечниках магнитопровода компенсирующей катушки индуктивности. Индуктивность компенсирующей катушки, устраняющей влияние паразитных емкостей каскадного генератора, с учетом того, что она разбита на две части, будет равна
L +
(2)
В этом выражении, а также и в дальнейших выражениях все физические величины, относящиеся к одной части компенсирующей катушки индуктивности, снабжены индексом 1, те же величины, относящиеся ко второй части катушки, снабжены индексом 2. Если физическая величина не зависит от части компенсирующей катушки индуктивности, то индексы отсутствуют.

Симметрирование схемы каскадного генератора осуществляется за счет изменения соотношения индуктивностей отдельных частей компенсирующей катушки.

L +
(3)
Возможность независимого изменения немагнитных зазоров компенсирующей катушки индуктивности в устройстве-прототипе позволяет достичь одновременной настройки обоих параметров высоковольтной структуры каскадного генератора. Однако, как видно из соотношений (2,3), изменение любого немагнитного зазора влечет за собой изменения как всей индуктивности компенсирующей катушки L, так и соотношения L₁/L₂ между индуктивностями отдельных ее частей. Т.е. процесс настройки каскадного генератора, выполненного в рамках действия отличительных признаков основного авторского свидетельства, оказывается сложным и трудоемким.

Наличие жесткой механической связи подвижных частей 8 и 9 ферромагнитных сердечников магнитопровода компенсирующей катушки индуктивности 3 накладывает однозначную связь между изменениями размеров немагнитных зазоров Δ₁ и Δ₂. В силу равенства длин плеч рычага 26 при его повороте (а также при одновременном перемещении толкателей 15, 16) при помощи конуса 17 осуществляется взаимосвязанное изменение немагнитных зазоров 22, 23 и соответствующих индуктивностей.

Индуктивность компенсирующей катушки 3 при этом не остается постоянной. Действительно, изменение размеров немагнитных зазоров в сердечниках магнитопровода на значение, равное X, приведет к новому значению индуктивности, равному
L′= +
Рассмотрим для простоты чаще всего используемый на практике вариант полностью идентичных частей компенсирующей катушки индуктивности, для которых К К₁= К₂ и Δ= Δ₁ Δ₂. Не трудно показать, что
L′= + L1+
Из этого выражения следует, что изменение индуктивности компенсирующей катушки целиком определено величиной перемещения Х подвижных частей 8, 9. Конечная цель перемещения, обусловленного поворотом в одном случае конуса 17, в другом случае рычага 26 симметрирование схемы умножения каскадного генератора, которая в основном определяется несимметричностью обмоток согласующего трансформатора.

Действительно, что в силу несовершенства технологии изготовления высоковольтной обмотки согласующего трансформатора 2 ее части 31, 32 электрически всегда отличаются друг от друга. Несимметричность частей обмоток 31, 32 согласующего трансформатора удобно характеризовать безразмерным параметром λ, который, в частности, может быть введен как отношение эффективности разницы количества витков в обмотках к их номинальному значению. При таком определении параметра λ требуемое соотношение между индуктивностями отдельных частей компенсирующей катушки 3 для достижения симметричности схемы умножения напряжения каскадного генератора может быть связано с параметром λ следующим простым аналитическим соотношением
1+λ
(4)
Из этого выражения определяется связь необходимого относительного отличия размеров немагнитных зазоров сердечников Х/Δ со степенью несимметричности схемы умножения напряжения, а именно
λ
(5)
Учитывая это, окончательное выражение для определения значения индуктивности компенсирующей катушки, при условии точной компенсации несимметричности схемы умножения напряжения генератора, будет следующим
L′= L1+
(6)
Соответственно, уход резонансной частоты, то есть расстройка схемы умножения напряжения от частоты точной компенсации паразитных емкостей высоковольтной структуры генератора при точном симметрировании будет определяться соотношением
εF _
(7)
Степень несимметричности схемы умножения напряжения, исходя из практики, не превышает нескольких процентов (λ=0,01-0,1). Следовательно, возникающая при симметрировании расстройка каскадного генератора, равная εF 10^-3 10^-3, пренебрежимо мала по сравнению с полосой рабочих частот, определяемой добротностью элементов каскадного генератора (10-30). Но это означает, что процесс симметрирования схемы умножения напряжения каскадного генератора при предлагаемой конструкции компенсирующей катушки индуктивности не влияет на имеющуюся компенсацию генератора, то есть является независимым.

Все изменения в величине немагнитных зазоров происходят синхронно. Индуктивности всех частей компенсирующей катушки при этом меняются пропорционально изменению размеров немагнитных зазоров. Т.е. соотношение между индуктивностями отдельных частей компенсирующей катушки при таком пеpемещении не меняется, меняется только общая индуктивность катушки. Следовательно, процесс настройки схемы умножения напряжения каскадного генератора в резонанс на частоту напряжения питающего генератора, не затрагивает достигнутой степени симметричности высоковольтной структуры и является независимым.

В случае использования компенсирующей катушки индуктивности, отдельные части которой в силу каких-либо причин конструктивно отличны, взаимное влияние друг на друга операций настройки резонанса и симметрирование выражено сильнее, чем в описанном выше случае. Однако и в таких компенсирующих катушках при предлагаемом зависимом изменении размеров немагнитных зазоров в сердечниках возникающее изменение частоты настройки высоковольтной структуры каскадного генератора существенно (не менее, чем на порядок) меньше диапазона частот, определяемых добротностью используемых элементов, т.е. конечный вывод о независимости рассматриваемых регулировок друг на друга и в этом случае остается верным.

Таким образом, с учетом вышеизложенного процесс наладки предлагаемого каскадного генератора заключается в настройке его высоковольтной структуры в резонанс на частоту питающего напряжения и последующего симметрирования схемы умножения напряжения.

Первая операция настройки осуществляется для первого варианта исполнения генератора путем перемещения конуса 17 в обойме 14 с помощью устройства 18 в отверстии 21, для второго варианта исполнения путем перемещения каретки 28 в направляющих 29.

Вторая операция настройки осуществляется поворотом конуса 17 в первом варианте и поворотом рычага 26 вокруг оси 27 во втором варианте исполнения.

Независимость процесса симметрирования и настройки в резонанс на частоту питающего генератора напряжения высоковольтной структуры обуславливает достигаемый эффект упрощение настройки каскадного генератора в целом. Тем самым достигается поставленная цель. Связанное с этим снижение трудоемкости наладки и улучшение технических характеристик в результате повышения точности настройки обеспечивает экономический эффект.

Предлагаемое техническое решение, сохраняя свойственные прототипу возможности обеспечить симметричность высоковольтной структуры и компенсацию влияния ее паразитных емкостей, позволяет достичь конечного результата с меньшими затратами сил и времени при более высоком качестве настройки.

Использование: относится к технике высоких напряжений, ускорители заряженных частиц. Сущность изобретения заключается в объединении в единый блок подвижных частей фееромагнитных сердечников компенсирующей катушки индуктивности, при этом немагнитные зазоры в сердечниках изменяются одновременно и зависимо, так что увеличение зазоров в одном сердечнике сопровождается уменьшением зазоров в другом сердечнике на такую же величину, либо зазоры в обоих сердечниках могут быть изменены одновременно на одну и ту же величину. Указанные изменения немагнитных зазоров необходимо выполнять для компенсации паразитных емкостей каскадного генератора, эти изменения зазоров могут быть осуществлены с помощью рычажного устройства, либо с помощью конуса, у которого ось вращения эксцентрично оси конуса. 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. КАСКАДНЫЙ ГЕНЕРАТОР по авт.св.N 1097172, отличающийся тем, что, с целью упрощения настройки, ферромагнитные сердечники компенсирующей катушки индуктивности выполнены в виде двух идентичных магнитопроводов, неподвижные сердечники которых закреплены на основании генератора, а подвижные части сердечников конструктивно соединены с механизмом равного по абсолютной величине изменения немагнитных зазоров магнитопроводов. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что механизм равного по абсолютной величине изменения немагнитных зазоров магнитопроводов выполнен в виде закрепленной на основании генератора обоймы, в которой размещены два толкателя подвижных частей магнитопровода, между свободными торцами которых размещен конус, закрепленный в обойме эксцентрично с возможностью аксиального перемещения и поворота. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что механизм равного по абсолютной величине изменения немагнитных зазоров магнитопроводов выполнен в виде равноплечего рычага, концы которого закреплены на неподвижных частях магнитопровода, а ось поворота закреплена на основании генератора с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной плоскости немагнитного зазора магнитопровода.