Генератор высоковольтных импульсов Советский патент 1983 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относитсн к области импульсной техники, а именно, к уст ройствам коммутации цепей постоянно го тока с индуктивными накопителями энергии и может быть использовано для импульсного питания генераторов сильноточных электронных пучков бол шой длительности, находящих примене ние, например, для нагрева плазмы. Известно коммутирующее устройств содержащее последовательно соединен ные источник питания, индуктивный н копитель и вакуумный выключатель, шунтированный цепью из соединенных последовательно управляемого коммутатора и конденсатора ij . Недостатком этого устройства является малая крутизна переднего фро та импульса на нагрузке. Это обусловлено полярностью исходного напряжения на коммутирующем конденсаторе и. большим значением его емкости, необходимой для ограничения ско рости нарастания напряжения, устанавливающегося на выключателе, которая должна быть ниже скорости вос становления его электрической прочности, связанной с изменением плотности нейтральной паравакуумной дуги отключения. Известен также генератор высоковольтных импульсов, содержащий последовательно соединенные источник питания, индуктивный накопитель и вакуумный выключатель, шунтированный цепью из последовательно вклю- ченных первого управляемого разрядника и конденсатора. Параллельно ва куумному выключателю включена дополнительная цепь, содержащая после довательно соединенные дроссель насыщения, управляемый вентиль и конденсатор, шунтированный вторым упра ляемым разрядником 2 . . Однако в этом устройстве недостаточна крутизна переднего фронта, что обусловлено величиной емкости коммутирующего конденсатора и напря жением на нем. Целью изобретения, является увеличение крутизны переднего фронта импульса на нагрузке.. Поставленная цель достигается за счет того, что генератор высоковольтных импульсов, содержащий источ ник питания, индуктивный накопитель, дроссель насыщения, два управляемых разрядника, два конденсатора вакуумный выкл19чатель и нагрузку, выполнен в виде моста, два противоположных плеча которого образуют дополнительно введенные дроссели насыщения, а два других - цепочки, каждая из которых.состоит из последе вательно соединенных управляемого разрядника, дополнительно введенной атушки индуктивности и конденсатора параллельно которым подключен дополнительно введенный контактный выключатель . В одну диагональ моста включены последовательно соединенные источник питания, дополнительно введенный коммутатор и индуктивный накопит тель, а в другую - последовательно соединенные вакуумный выключатель и дроссель насыщения, параллельно которым подключена нагрузка. На чертеже показана функциональная схема генератора высоковольтных импульсов. Генератор высоковольтных импульсов содержит последовательно соединенные индуктивный накопитель 1, источник 2 питания и ксяимутатор 3, включенные в одну диагональ моста, который.содержит в своих противоположных плечах дроссели 4 и 5 насыщения и контактные выключатели 6 и 7. Один конденсатор шунтирован цепью из соединенных последовательно конденсатора В, катушки 9 индуктивности и управляемого разрядника 10, другой - цепью из соединенных последовательно конденсатора 11, катушки 12 индуктивности и управляемого разрядника 13. В другую диагональ моста включена нагрузка 14, шунтированная соединенными последовательно вакуумным выключателем 15 и дросселем 16 насыщения. Генератор работает следующим образом. В исходном состоянии коммутатор 3 разомкнут, а выключатели 6,7 и 15 замкнуты. Управляемые разрядники 10 и 13 находятся в непроводящем состоянии. Конденсаторы 8 и 11 предварительно заряжены с полярностью, показанной на чертеже. Затем замыкаются контакты коммутатора 3. При этом напряжение от низковольтного источника 2 прикладывается параллельно дросселям 4,5 и 16. Дроссели 4 и 5 насыщения выбраны такими, чтобы у них индуктивность в ненасыщенном состоянии была значительно больше, чем у дросселя 16. С этой целью дроссель 16 выполнен одновитковым |ia пермалоевом сердечнике. Поэтому дроссель 16 раньше, чем дроссели 4 и 5, переходит в состояние насыщения и резко уменьшает свою индуктивность на два-три порядка, в зависимости от типа железа сердечника. При этом начинается зарядка током индуктивного накопителя 1 от источника 2 питания через коммутатор 3, Зс1мкну,тый выключатель 7, насыщенный дроссель 16, вакуумный выключатель 15 и замкнутый выключатель 6. Дроссель 4 шунтирован при этом замкнутьми выключателями 7 и 1 и насыщенным дросселем 16 с очень малым значением омического сопротивления его обмотки, а дро сель 5 - выключателями 6 и 15 и насыщенным дросселем 16. При этом сердечники дросселей 4 и 5 остаются в ненасыщенном состоянии, т.е. дроссели 4 и 5 имеют большую индуктивность, препятствующую прохождению тока через них. В момент достижения током в накопителе 1 заданного значения разводятся контакты выключателей 6 и 7. Между кон тактами образуется дуга отклонении. После разведения контактов выключателей 6 и 7 на достаточное расстояние поджигаются синхронно уп равляемые разрядники 10 и 13,обеспе вающие колебательный разряд предвар .тельно заряженных конденсаторов 8 и 11 соответственно через катушки индуктйвности 9 и 12 и выключатели б и 7 в направлении, встречном относительно протекавшего в них тока. Постоянный ток в дуге выключателей 6 и 7 при этом доводится до нуля, что вызывает обрыв дуги в этот момент. Ток индуктивного накопителя начинает идти по цепи: конденса тор 11 - катушка индуктивности 12 - разрядник 13, насыщенный дроссель 1 вакуумный выключатель 15 - разрядник 10 - катушка индуктивности 9 - конденсатор Ь - источник питания 2 ксяимутатор 3 - индуктивный накопитель 1. При этом перезаряжаются конденсаторы 8 и 11 током индуктинного накопителя /полярность напряжения указана в скобках/ Величины индуктивностей катушек 9 и 12, а также емкостей конденсаторов 8 и И выбраны из следующих .условий. Скорость спада к нулю тока в выключаталях 6 и 7 должна быть не слишком высокой,чтобы не было затруднений при гашении дуги отключения в выключателях 6 и 7. С другой стороны необходимо стремиться к уменьшению значений L и С , чтобы выполнить уст ройство более компактным. Кроме того, емкость конденсаторов определяется тем, что при заданном значении тока индуктивного накопителя скорост нарастания -напряжения на конденсато ре должна быть меньше скорости восстановления электрической прочности шунтируемого им выключателя во избе жание повторного зажигания дуги в выключателе. Одновременно с разведением контактов выключаталей 6 и 7 или несколько позже (в зависимости от времени перезарядки конденсаторов 8 и 11) начинается разведение контактов вакуумного выключателя 15 между контактами которого также образуется дуга отключения. К моменту достижения напряжением на конденсаторах максимального значения переза рядки контакты выключателя 15 должны быть разведаны на расстояние, достаточное для предотвращения повторного зажигания дуги после ее отключения. Параметры дросселей насыщения 4 и 5 выбраны таким образом, что при достижении напряжением на конденсаторах 8 и 11 максимального значения заданной величины, сердечники дросселей 4 и 5 переходят в состояние насыщения и дроссели 4 и 5 резко уменьшают свою индуктивность (на два-три порядка), шунтируя цепи,состоящие соответственно из элементов 11,12,13,16,15 и 8,9,10,15,16. При этом конденсатор b начинает разряжаться через катушку индуктивности 9 разрядник 10, вакуумный выключатель 15, насыщенный дроссель 16 и насыщенный дроссель 5, а конденсатор 11 - через насыщенный дроссель 4, ваккумный выключатель 15, насыщенный дроссель 16, управляемый разрядник 13 и катушку индуктивности 12. Направление тока разряда конденсаторов 8 и 11 обратно по отношению к току, протекавшему первоначально, в вакуумном выключателе 15 и дросселе 16 насыщения. Параметры схемы выбраны так, что амплитуда суммарного тока разряда конденсаторов 8 и 11 превышает величину тока индуктивного накопителя, поэтому при подходе к нулю тока в ветви с дросселем 16 насыщения последний выходит из состояния насыщения, резко увеличивая свою индуктивность и формируя тем самым паузу почти нулевого тока в ветви с вакуумным выключателем 15. В результате этого дуга в вакуумном выключателе 15 гаснет. Большая индуктивность дросселя 16 препятствует увеличению тока в ветви с вакуумным выключателем и образованию повторной вакуумной дуги, способствуя тем самым восстановлению электрической прочности выключателя 15. С момента выхода сердечника дросселя 16 из состояния насыщения, ток индуктивного накопителя замыкается через насыщенный дроссель 4, нагрузку 14, насыщенный дроссель 5 (направление тока показано на чертеже пунктиром), формируя на нагрузке 14 импульс высокого напряжения. Конденсаторы 8 и 11, напряжение на которых равно напряжению на нагрузке 14, будучи подключенным параллельно нагрузке 14 через разрядники соответственно 10 и 13, .разряжаются на нагрузку 14 вместе с индуктивным накопителем 1. К концу импульса запасов энергии в накопительных элементах устройства не остается, и разрядники 10 и 13 гаснут. После .этого отключается коммутатор 3, и замыкаются контакты выключателей 6,

7,15, а также производится зарядка конденсаторов 8 и 11. После этого устройство приходит в исходное состояние ,

Скорость нарастания напряжения на нагрузке определяется в данном устройстве временем переключения сердечника дросселя 16 насыщения из насыщенного состояния в ненасыщенное (оно обычно не превышает 1 мкс) В известном устройстве кру- тизна переднего фронта импульса на нагрузке определяется временем наратания напряжения на коммутирующем конденсаторе,которое обычно составляет (при приемлеглых уровнях коммутируемой мощности) десятки мкс„

Следует также отметить, что импульс, формируемый на нагрузке, не

имеет отрицательного предимпульса, как это имеет место в аналогичных устройствах.

При сравнении с известным устройством, содержащим нелинейн дроссель последовательно с нагрузкой, нетрудно убедиться, -что длительность фронта формируемого им импульса в несколько раз больше,чем в. данном устройстве. Так, например,, при сопротивлении нагрузки ,25 Ом ( кВ, кА) и индуктивиосгти дросселя, в насыщенном состоянии .ц 0,5 10 F длительность фронта импульса составит ,2 ,410 с

4,4 МКС. Амплитуда предимпульса обратной полярности достигается при этом более 5 кВ.

ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ, содержащий источник питания, индуктивный накопитель, дроссель насыщения, два управляемых разрядника, два конденсатора, вакуумный выключатель и нагрузку, о тличающийся тем, что, с целью увеличения крутизны переднего фронта импульса на нагрузке, он выполнен в виде моста, два противоположных плеча которого образуют дополнительно введенные дроссели насыщения ,а два других - цепочки, каждая из которых состоит из последовате.шно соединенных управляемого разрядника, дополнительно введенной катушки индуктивности и конденсатора, параллельно которым подключен дополнительно введенный контактный выключатель, при этом в одну из диагоналей моста включены последовательно соединенные источник питания,дополнительно введенный коммутатор и индуктивный накопитель, а в другую последовательно соединенные вакуумi ный выключатель и дроссель насыщения, параллельно которым подключена (Л нагрузка.