Генератор мощных импульсов тока Советский патент 1981 года по МПК H03K3/53 

(54) геНЕРАТОР МОЩНЫХ ИЛШУЛЬСОВ ТОКА

Изобретение относится к импульсной технике, и быть использовано для исследования злектропластического эффекта в области физики металлов и металловедения и его применения в обработке металлов давлением. Известны генераторы импульсов, принцип действия которых основан на периодическом разряде предварительно заряженного конденсатора через индуктивность. Для подключения заряженного конденсатор К нагрузке используется включающее усрройство, например, тиратрон, разрядник, тиристор и т.д. 1 . Наиболее близким по технической сущ- ности к изобретению является генератор мощных импульсов, имеющий зарядное устройство, конденсатор, подключенный к зарядному устройству, включающее устройство и нагрузку, включенные последо- вательно с конденсатором, систему управления включающим устройством. В качестве включающего устройства применен тиристор, имеющий значительные преимущества перед ключами другого типа: малые габариты и вес, механическая прочность, несложное устройство управления, незначительная мощность управления тиристором и т.д. 2 . Однако при использовании в качестве ключа только ошюго тиристора не yoaei ся получить в нагрузке с сопротивлением Ю Ом импульс значительной мощности (порядка 200 кВт), который необходим для исследований электропластического эффекта. Цель изобретения - увеличение мощности импульсов генератора. Указанная цель достигается тем, что в схему генератсра импульсов тока, со держащую зарядное устройство, конденсатор, подключенный к зарядному устройству через коммутирующее устройство, включающее устройство, нагрузку, соединенную последовательно с конденсатором. Включающее устройство выполнено в виде у параллельно соединенных тиристоров, с катодами которых соединена нагрузка. Параллельно с тиристорами включены уравнительные дроссели с первичными, вторичными и вспомогательными обмотками, дополнительно введены блок защиты, содержащий Ул элементов памяти, подключенных через И поорговых .элементов Ко вспомогательным обмоткам уравнительных дросселей включающего устройства, VI индикиторов об исчезновении тока в ветви, соединенных с выходами И элементов памяти, логическое суммирующее устройство, импульсный усилитель с трансформаторным выходом, запоминающи элемент, транзисторный ключ, усилитель, элемент -памяти о коротком замыкании, релейный элемент, индикатор о коротком замыкании, последовательно соединенные целитель напряжения, потенциальный разделитель, пороговое устройство и элемент выдержки времени. При этом выходы элементов памяти подключены к ц входам логического суммирующего устройства, выход которого соединен со входами импульсного уилителя Иусилителя, выход импульсного усилителя соединен с запоминающим элементом, выход которого подключен к входу транзисторноро ключа, выход усили теля соединен с одним из входов ре;юйного элемента, другой, вход которого подсоединен к выходу элемента памяти о коротком замыкании, а выход релейного элемента пошслючен ко входу коммутирующего устройства, вход делителя напряжения присоединен к конденсатору, индикатор о коротком замыкании соединен с выходом элемента памяти о коротком замыкании, вход Которого подключен к выходу элемен та выдержки времени. На чертеже представлена схема предглагаемого генератора мощных импульсов. Генератор соцержиг зарядное устройство 1, конденсатор 2, подключенный к зарядаому устройству 1 через коммутирующее устройство 3, включающее ус рройство 4, нагрузку 5, включенную последовательно с Конденсатором 2, генера тор 6 управляющих импульсов, усилитель 7 мощности импульсов и блок защиты 8, соединенный с включающим устройством 4, усишттелем мощности 7 и коммутируЮщим устройством 3. Блок защиты 8 содержит Vi элементов памяти 9, Vi индикаторов об исчезновении тока в ветви Ю, логическое суммирующее устройство 11, импульсный усилител 12. с трансформаторным выходом, запоминающий элемент 13, транзисторный ключ 14, усилитель 15, элемент памяти 16 о коротком замыкании, ре;кйный элемент 17, индикатор 18 короткого за- мыКания, последовательно соединенные делитель напряжения 19, потенциальный разделитель 20, пороговое устройство 21, элемент выдержки времени 22. Включающее устройство 4 выполнено в виде параллельных ветвей, в каждую из которых включен тиристор 23 и уравнительный цроссель, соиержащий три обмотки: первичную 24, вторичную 25 и вспомогательную 26. Отличительной особенностью применяемых дросселей является наличие вспомогательных обмоток 26, необходимых для действия зашиты от исчезновения тока в параллельной ветви силового тиристора включающего устройства 4, и наличие воздушного зазора в сердечнике, что позволяет снизить динамические потери, а также потери от гистерезиса и вихревых токов. Входы И элементов памяти 9 подключены через У пороговых э юментов 27 и тиристора 23 к вспомогательным обмотким уравнительных дросселей включающего устройства 4. Ко входам И логических суммирующих устройств 14 подключены выходы VI элементов памяти 9, а выходы логических суммирующих устройств 11 соединены с входом импульсного усилителя 12, выход которого связан с запоминающим элементом 13. Выход запоминающего элемента 13 подключен к входу транзисторного ключа 14. Вход усилителя 15 соединен с выходом сумм1фующего устройства 11, а выход усилителя связан с одним из входов релейного элемента 17, на второй вход которого подключен элемент памяти 16, а выход соединен с входом коммутирующего устройства 3. Индикатор 18 подключен к выходу элемента памяти 16, VI. индикаторов об исчезновении тока в ветви 10 соединены с выходами элеменгов памяти 9. Вход делителя напряжения 19 соединен с конденсатором 2, а выход элемента выдержки времени 22 - с входом индикатора 18. Генератор работает следующим образом. Тиристоры 23 включающего устройства 4 открываются управляющими импульсами, вырабатываемыми генератором 6 управляющих импульсов и усиленными усилителем мощности 7. Предварительно зар51женный конденсатор 2 начинает разряжаться через низкоомное активное сопротивление и эквивалентную индукти&ность нагрузки 5, состоящую из собственной индуктивности ксжденсатора 2, инцуктивности уравнигельных дросселей включающего устройства 4 и индуктивности нагрузки 5. Известно, что разряд емкости на индуктивность носит колебательный характер, но гсри использовании R качестве включающего устройства ти ристоров через нагрузку пройдет только положительный импульс тока, так как в процессе перезарядки конденсатора 2 происходит выключение тиристоров 23 включающего устройства 4 при подаче на них напряжения отрицательной полярности, В промежутках между импульсами ток конденсатор 2 заряжается от зарядного устройства 1. Подобрать тиристоры с оди наковым падением напряжения и временем включения практически невозможно, поэтому в схему введены уравнительные дроссели включающего устройства 4. Есл токи, проходящие через обмотки уравнительных дросселей включающего устройст ва 4 одинаковы, т.е. одинаковы токи в параллельных ветвях, то ни в одной из обмоток дополнительной ЭДС не возникает. Если же токи в ветвях не равны, то в обмотках уравнительного дросселя вклк чаюшего устройства 4 возникают ЭДС разной полярности: в ветви с наименьшим током ЭДС обмотки складываются с напряжением конденсатора 2, а в ветви с большим током - вычитаются. Таким образом, выравниваются -токи в параллельных ветвях. Блок защиты 8 выполняет такие функ- ции: отключение зарядного устройства 1 от конденсатора 2 коммутирующим yci ройством 3 и снятие управлшощих импудъ сов с тиристоров 23 включающего устро ства 4 при исчезновении или значительном снижении тока через один или несколько тиристоров; отключение зарядного устройства 1 от конденсатора 2 коммутирующим устройством 3 при коротком замыкании в силовой цепи (сгорание одного или нескольких тиристоров 23 вклю чающего устройства 4);сигнализация о вышеперечисленных аварийных режимах. При исчезновении или значительном снижении тока через любой из тиристоро 23 в соответствующей вспомогательной обмотке уравнительных дросселей включающего устройства 4 наводится ЭДС, значительно перевышающая ЭДС, наводимую в той же обмотке в нормальном рабочем режиме. При этом на выходе оВгного из Vi пороговых э;кментов 27 блока защиты 8 появляется логическая 1, ко торая запоминается соответствующим элементом памяти 9. При исчезновении или недопустимом снижении гока через несколько тиристоров 23, логическая I появится на соответствующих BE ixoaax элементов памяти 9 блока защиты 8. При этом на выходе логического суммирующего устройства 11 также появится логическая 1. В момент изменения потенциала на выходе логического суммирующего устройства 11, импульсный усилитель 12 с трансформаторным выходом формирует импульс, который поступает на запоминающий элемент 13. Импульсный трансфор- . матор в усилителе 12 необходим для по- тенциального разделения блока защиты 8 от цепей управления тиристорами 23; Запоминающий элемент 13 воздействует на транзисторный ключ 14 так, что ключ закрывается, и импульсы от генератора 6 управляющих импульсов к усилителю мощности 7 блокируются. С выхода логического суммирующего устройства 11 логическая единица поступает также и иа релейный элемент 17 через усилитеш 15. Сигнал с выхода релейного эшмента 17 поступает на вход коммутирующего устройства 3, которое отключает конденсатор 2 от зарядного устройства 1. Таким образом, при исчезновении тока в одной Или нескольких параллельньсх Т1фисторо 23 включающего устройства 4 происходит с одной стороны блокировка управляющих импульсов от генератора 6 к усилителю мощности 7, а с другой стороны - отключение кондансатора 2 от заряшюго устройства 1. При появлеНИИ на любом из И эшментов памяти 9 логической единицы включается соответ ствующий индикатор об исчезновении тока в ветви 10, сигнализируя, в какой именно ветви включающего устройства 4 исчез или недопустимо снизился ток, что позволяет быстро найти и устранить неисправности в силовой цепи. При коротком замыкании в силовой цепи (сгорание Т1фистора 23 включающего устройства 4) напряжение на конденсаторе 2 будет близко к нулю, а в нормальном рабочем режиме среднее за период зна- ченйе напряжения на конденсаторе всегда больше О. На эт.ом принципе основана защита от короткого замыкания, которая скйствуенг следующим образом. При снижении напряжения на концеи- саторе до О (замыкание в силовой цепи) на выходе порогового устройства 21, появляется логическая единица, которая запоминается элементом памяти 16. С выхода элемента памяти 16 сигнал поступает на релейный элемент 1.7, последний, срабатывая, возпействует на комл{утирующее устройство 3, которое отключает конденсатор 2 от заряиюго устройства 1, Индикатор 13 сигнплизирует о неисправности в генераторе 6. Делмтел1 лапряжения 19 необходим для согласования напряжения на Конденсаторе 2 с допустимым по условиям эксплуатации напря 1сением на входе порогового устройства 2 1, Потенциальный разделитель 20 служит для потенциального разделения силовых цепей и цепей блока защиты 8. Элемент вы1Крж Ки времени 22 исключает ложное срабатывание защиты при переходе напряжения на Конденсаторе через О в процессе его перезаряда при прохождении импульса тока через нагрузку 5, Для ПОДГОТОВКИ генератора 6 к повтор ному включению после устранения неисправности, необходимо на короткое время обеспечить цепи питания всех.элементов памяти. При этом на выходах всех элементов появляются логические нули. Без блока защиты надежность устройства резко снижается, имеет место выход из стро значительного числа элементов (в частности, тиристоров 23)j обнаружение и устранение неисправности требует значительных затрат и времени, кроме того, оператор не может фиксировать исчезновение или значительное снижение тока в ветви тиристора 23, поэтому генератор 6 может длительное время работать с неисправностью во вклзочаюшем устройстве 4, Так как в нормальном режиме тиристоры включающего устройства 4 значительно загружены (восьмикратная рабочая перегрузка), то неконтролируемый выход из строя одного тиристора приводит к недопустимой перегрузке остальных тиристо ров, следствием чего явился бы выход из строя одного шш нескольких из оставшихс тиристоров. Невозможность контроля состояния тиристора приводила бы к большим .затратам труда для регул5фных проверок, исправности тиристорного включающего устройства. Предохранители, используемы .обычно для отключений при перегрузке тиристоров, не нашли в этой схеме применения из-за широкого диапазона частот воспроизведения импульсов, амплитуды и длительности импульса. Защита от короткого замыкания по.зво. ляет быстрее отключать зарядное устрой- ство от конденсаторов, чем если бы сра ботала тепловая защита вводного автомата. Время откшочепия защиты от коротко аамыкацня ЗОО мс. Быстродействующая ащита очень эффективна при выходе из троя блока тиристоров включающего устройства (например, при исчезновении управляющего импульса на нескольких тиристорах). В этом случае с момента поступления сигнала о выхода тиристора из строя и до отключения зарядного уст- ройства от силовых конденсаторов через включающее устройство прошло бы в самом благоприятном случае не менее 20О импульсов из-за инерционности релейного элемента и комутационного устройтва, что приведо бы к выходу из строя начительной части тиристоров включающего устройства. Сохранение информации об аварийном режиме после отключения генератора позволяет быстро найти и устранить неисправность. Устройство позволяет повысить мощность генератора импульсов за счет введения И параллельно соединенных тиристоров во включающее устройство. Равномерная загрузка тиристоров по току обеспечивается уравнительными дросселями, а защита генератора от аварийных режимов и сигнализации - блоком защиты. Формула изобретения Генератор мощных импульсов тока, содержащий зарядное устройство, конденсатор, подключенный к зарясиому устройству через коммутирующее устройство, включающее устройство, нагрузку, соединенную последовательно с конденсатором, отличающийся тем, что, с целью увеличения мощности импульсов генерагфа, включающее устройство выполнено в виде Уп параллельно соединенных тирисгфов, с катодами которых соединена нагрузка, парал/кльно с тиристорами включены уравнительные дроссели с первичными, вторичными и вспомогательными обмотками, и дополнительно введен блок защиты, содержащий h элементов памяги, подключенньк через Vi пороговых.э/юментов ко вспомога-тельным обмоткам уравнительныгс дросселей включающего устройства, И индикаторов об исчезновений тока в ветви, соединенных с выходами Vi элементов памяти, логическое суммирующее устройство, импульсный усилитель с трансформаторным вьгходом, запоминающий элемент, транзисторный ключ, усилитель, элемент памяги о коротком замыкании, релейный элемент, индикатор о коротком замыкании, последовательно соединенные делитель напряжения, потенциальный разделитель, пороговое устройство и элемент вы держки времени, при этом выходы элементов памяти подключены к yi входам логического суммирующего устройства, выход которого соединен со входами импульсного усилителя и усилителя, выход импульсного усилителя соединен с запоми нающим элементов}, выход которого подключен к входу транзисторного ключа, выход усилителя соединен с одним из входов релейного эшмента, {фугой вход которого подсоединен к выходу элемента 21О памяти о коротком замыкании, а выход решиного элемента подключен ко входу коммутирующего устройства, вход делителя напряжения присоединен к коиденсатору, индикатор о коротком замыкаави соединен с выходом элемента памяти о коротком замыкании, вход которого ПО1И ключей к выходу элемента выдержки времени. Источники информации, принятые во внимание при 1.Фрюнкель Ф. Импульсная техника. М., Энергия, 1965, с. 98-115, 2,Т1риборы и техника эксперимевта. 1968, № 1., с. 6, рис. 1.