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

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для питания различных потребит-елей импульсной электрической мощности. -.. .

Известен генератор импульсов тока, -который содержит мостовую схет«у, в два противоположных плеча которой включены нагрузочные катушки индуктивности, в два других плеча включены накопительные конденсаторы, в. од. ну из диагоналей моста включен пер-, вый тиристор, а в другую диагональ включены последовательно первый, диод и цепочка из последовательно соединенных второго диода и дросселя насыщения, паргшлельно которой присоединена цепочка из последовг|тельно соединенных второго тиристора и коммутирующего конденсатора, к которому через дроссель, згииунтированный третьим тиристором, присоединен выпрямитель С 13Однако известный генератор имеет низкий КПД за счет потерь в обмотке дросселя насыщения я невцсокую рабочую частоту за счет того, что к первому тиристору во время коммутации прикладывается не полное напряжение коммутирующего койденсатора.

а разность между напряжением на коммутирующем конденсаторе и напряжений на накопительных конденсаторах.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому является генератор импульсов тока, который содержит мостовую сх&лу,,в два противоположных плеча которой

10 включены нагрузочные катушки индуктивности, в два других плеча включены накопительные конденсаторы,в одну из диагоналей включен тиристор, а в другую диагональ включены парал15лельно первый диод и цепочка из последовательно соединенных второго диода, дросселя насыщения и коммутирующего конденсатора, к которому через :зарядну1р цепь подключен источник 20 постоянного тока С

Однако известный генератор также имеет невысокие КПД за счет потерь в обмотке дросселя насыщения иневы25 сокую рабочую частоту за счет того, что к тиристору во время коммутации при ладывается не полное напряжение коммутирующего конденсатора, а разность между напряжением на коммути30 рующем конденсаторе и суммой напряжений на накопительных конденсаторах. Цель изобретения - повйшение частоты и КПД генератора. Для достижения поставленной цели в 1генераторе импульсов тока, содержа тем источник .постоянного тока, подключенный иереэ зарядную цепь к мостовой схеме, в два противоположных плеча которой включены первый и второй конденсаторы, в два других плеча которой включены первая и вторая катушки индуктивности, причем в одну,.из диагоналей мостовой схемы включен диод в запиракщем направлении относительнр зарядно О напряжения на пер вом и втором конденсаторах, а во вто рую диагональ включен разрядный коммутатор, третий конденсатор, разрядный коммутатор выполнен в виде тирис торного мостового коммутатора, в диа гональ которого включен третий конденсатор. На фиг.1 представлена принципиаль ная электрическая схема генератора импульсов тока, когда источник постоянного тока включен в диагональ мостовой схемы, которая содержит ти|ристорный мостовой коммутатор, на 1ФИГ.2 - кривые токов и напряжений на отдельных элементах генератора, изоб раженного на фиг.1; на фиг.З - принципиальная электрическая схема генератора, когда источник постоянного тока включен в диагональ мостовой схемы генератора, которая содержит диод на фиг.4 и 5 - кривые токов и напряжений на отдельных элементах генератора, изображенного на фиг.З. Генератор импульсов тока содер|жит источник 1 постоянного тока, 3 рядную цепь 2, конденсатор 3 (тре-|тий), мостовую схему, в два противоположных плеча которой включены первый конденсатор 4 и второй конденсатор 5, в два других плеча - первая катушка б индуктивности и вторая катушка 7 индуктивности, в одну из диагоналей включен диод 8, а в другую диагональ включен тиристорный мостовой коммутатор на тиристорах 9-12 На фиг.2 обозначены: кривая 13 сумма напряжений .на конденсаторах 4 и 5, кривая 14 - напряжение на од|Ном из конденсаторов 4 или 5, кривая 15 - ток в одной из катушек 7 или б, кривая 16 - напряженке на конденсаторе 3. Генератор импульсов тока t фиг.1) работает следующим образом. В исходном состоянии от источника 1 течет ток Зо заряда конденсаторов 4 и 5 через нагруз очшде катушки 6 и 7. Принимгиот. направление его в этот момент в катушках 6 и 7 отрицатель-. ным. Конденсаторы 3 -. 5 заряжены до требуемого уровня напряжения. Конденсатор 3 может быть заряжен или от постороннего источника или путем предварительного отпирания тиристоров 9 и 12 также от источника 1 через зарядную цепь 2. В момент времени о(фиг.2) открываются тиристоры 9 и 10 и конденсаторы 4 и 5 подключаются к нагрузочным катушкам 6 и 7, соответственно. При этом ток в катушках 6 и 7 уменьшает1ся по абсолютной величине, а напряжение на конденсаторах 4 и 5 увеличивается. В момент- -1 ток в катушках б и 7 до нуля, а напряжение на конденсаторах 4 и 5 максимально, а затем после момента i напряжение на конденсаторах 4 и 5 уменьшается, а ток в катушках б и 7 увеличивается. В момент времени 2. когда конденса1торы 4 и 5 еще не разрядились, включается тиристор 11,. тиристор 9 при этом запирается, так как к нему в обратном направлении прикладывается напряжение на конденсаторе 3. При этом ток катушки б замыкается по цепи: катушка б - конденсатор 4 - тиристор 11 - конденсатор 3 - тиристор 10 - катушка б. Ток катушки 7 - по цепи: катушка 7 - тиристор 11 - конденсатор 3 - тиристор 10 - конденсатор 5 - катушка7. Конденсатор 3 разряжается суммарным током катушек б и 7. В момент-t, он полностью разряжается и к тиристору 9 прикладывается положительное напряжение перезаряжающегося конденсатора 3. При перезаряде конденсатора 3 напряжение на конденсаторах 4 и .5 продолжает уменьшаться. В момент конденсатор 3 перезаряжается до напряжения, равного сумме напряжений на конденсаторах 4 и 5. При этом открывается диод 8 и ток катушки б згииыкается по цепи: катушка б - диод 8 - конденсатор 5 - катушка б. Ток катушки 7 замыкается по цепи: катушка 7 - конденсатор 4 диод 8 - катушка 7. Энергия, запасенная в магнитных полях катушек б и 7, рекуперирует в конденсаторы 5 и 4, соответственно. Ток через тиристоры 10 и 11 прекращается и они запираются. Конденсатор 3 остается перезаряженным до следующего цикла формирования импульса тока в нагрузочных катушках б и 7 индуктизностей. В течение процесса рекуперации через диод 6 протекает ток, равный сумме токов в катушках индуктивностей и входного тока источника 1. В момент времени -fc 5 ток в катушках б и 7 меняет направление. В момент времени fc(,TOK в каждой катушке достигает половины входного тока и диод 8 запирается. До момента-t7 конденсаторы 3 я 4 заряжаются постоянным по величине током, равным половине входного тока йт источника 1. В момент -Ь-f схема возврсццается в исходное соетояние и снова открываются тиристор 9и 10. В этом цикле формирования импульса тока коммутация тиристора 10осуществляется п)И открывании ти ристора 12. В остальном схема работает аналогично. От момента включения тиристоров 11или 12 зависит степень разряда конденсаторов 4 и 5, т.е. величина вводимой в катушки 6 и 7 энергий в течение импульса тока исследователь но, выходная мощность генератора. Генератор импульсов тока СФиг.З) работает следующим образом. В исходном состоянии конденсатор 3-5 заряжены до требуемого уровня напряжения с полярностью, показанно на фиг.З, а через катушки 6 и 7 про текает ток заряда конденсатора 4 и величиной 3с/2, зависящей от потреб ляемой генератором мощности. В момент времени -fco (фиг.4 включаются тиристоры 9 и 10, и конденсаторы 4 и 5 начи-нают разряжаться на катушки 7 и 6, соответственно. При этом ток в катушках 6 и 7 увеличивается, а напряжение на конденсаторах 4 и 5 уменьшается. В момент -t , когда конденсаторы 4 и 5 еще не разрядились, включается тиристор 11, и тиристор 9 запирается, так как к нему в обратном направлении прикладывает напряжение на конденсаторе 3. При этом ток катушки б замыкается по цепи: катушка б - конденсатор 5 тиристор 11 - конденсатор 3 - тирис тор 10 - катушка б. Ток катушки 7 замыкается по цепи: катушка 7 - тиристор 11 - конденсатор 3 - тиристо 10 - конденсатор 4 - катушка 7. Кон денсатор 3 разряжается суммарным током катушек 6 и 7. В момент -t г напряжение на конденсаторе 3 становится равным нулю и к тиристору 9 начинает прикладываться положительное напряжение перезаряжакхцегося конденсатора 3. При перезаряде конденсатора.3 напряжение на конденсаторах 4 и 5 продолжает уменьшаться. .В момент t конденсатор 3 перезаряжается до напряжения, равного сумме напряжений на конденсаторах 4 и 5. При этом открывается диод 8 и ток . катушки б .замлкается по цепи: катуш ка б - диод 8 - конденсатор 4 .- катушка б. Ток катушки 7 замыкается по цепи: катушка 7 - конденсатор 5 диод 8 - катушка 7. Энергия, запасенная в магнитных полях катушек б и 7, рекуперирует в конденсаторы 4 и 5, соответственно. Ток через тиристоры .10 и 11 прекращается, и они запираются. Конденсатор 3 остается перезаряженным до момента коммутаци в следующем цикле ;формирования импульса тока в катушках б и 7, В течение процесса рекуперации через диод 8 протекает ток, равный разнос ти токов в нагрузке и входного тока Зо источника 1. В момент 4 эти то ки сравниваются по величине и конденсаторы 4 и 5 заряжаются постоянным током DO/2 через катушки б и 7, соответственно. Напряжение на конденсаторах 4 и 5 линейно возрастает до первоначального значения, и схема возвращается в исходное состояние. Для форми1рования следующего импульса тока в нагрузке открываются снова тиристоры 9 и 10, но коммутация тока производится путем запирания тиристора 10, отпиранием тиристора 12. В остальном схема работает аналогично. Предлагаемые схем СФиг.1 и 3 могут работать и в другом режиме, который характеризуется иным алгоритмом управления тиристорами генератора импульсов тока. . - В исходном состоянии конденсаторы 3-5 заряжены до требуемого уровня напряжения с полярностью, показанной на фиг. 3. Через катушки б и 7 протекает ток заряда конденсатора 3 и 4 величиной /2, зависящей от потребляемой генератором мощности. В момент времени -ЬоСФиг.5) включаются, тиристоры 10 и 11. При этом конденсатор 4 разряжается по цепи: конденсатор 4 - катушка 7 - тиристор 11 конденсатор 3 - тиристор 10 - | онденсатор 4. Конденсатор 5 разряжается по цепи: конденсатор 5 - тиристор 11 - конденсатор 3 - тиристор 10 катушка б - конденсатор 5. При этом ток в катушках б и 7 увеличивается, а напряжение на конденсаторах 4 и 5 уменьшается. Конденсатор 3 перезаряжается суммарным током катушек б и 7. В момент 4. напряжение на конденсаторе 3 становится отрицательным и в момент -t2. достигает напряжения, равного сумме напряжений на конден-г саторах 4 и 5. При этом открывается диод 8 и ток катушки б замыкается по цепи: катушка б - диод 8 - конденсатор 4 - катушка б. Ток катушки 7 замыкается по цепи: катушка 7 конденсатор 5 - диод 8 - катушка 7. Энергия, запасенная в магнитных полях катушек б и 7, рекуперирует в конденсаторы 4 и 5, соответственно. Ток через тиристоры 9 и 10 прекращается, и они запираются. Конденсатор 3 остается перезаряженным до момента t, начала формирования следующего и myльca тока. В течение процесса рекуперации через диод 8 .протекает ток, равный разности токов в нагрузке и входного тока 3 источника 1. В момент -fc эти токи сравниваются по величине, и конденсаторы 4 и 5 заряжаются постоянным током /2 через катушки б и 7, соответственно. Напряжение на конденсаторах 4 и 5 линейно возрастает, а 8цепи катушек 6 и 7 течет постоянН 1й по величине ток 13о/2. В момент k. напряжение на конденсаторах 4 и возрастает до первоначального значения, и схема возвращается в исходное состояние. Для формирования следующего импульса тока в нагрузке открываются тиристоры 9 и 12. В остальном схема работает аналогично. По сравнению с прототипом КПД у предлагаемого генератора выше, так как в нем нет потерь энергии на обмотке дросселя насыщения, обтекаемой суммарным током нагрузочных катушек индуктивности. Изменяя момент включения тиристоров 11 и 12, можно регулировать величину вводимой в нагрузочные катушки энергии, следова тельно, можно регулировать величину выходной мощности генератора, что выгодно отличает предлагаемый генератор от прототипа. Кроме этого, в момент запирания тиристоров 10 и 9к ним прикладывается полное нап,ряжение конденсатора 3, уменьшающее ся значительно медленнее по сравнени с напряжением на тиристоре прототип При этом время для восстановления управляемости тиристоров 9 и 10 существенно увеличивается, что позволяет повысить верхний предел рабо. чей частоты предлагаемого генератор импульсов тока по сравнению с прото типом. Во втором режиме работы время для восстановления управляемости тиристоров генератора еще больше увели чивается, так как к тиристорам прикладывается обратное напряжение конденсатора 3 в течение времени от начала рекуперации и до начала формирования следующего импульса тока в,нагрузочных катушках. В генераторе импульсов тока (.фиг входной ток источника 1 постоянного тока, заряжающий конденсаторы 4 и 5 для компенсации потерь в течение импульса тока протекает по катушкам б и 7 в направлении, обратном току разряда конденсаторов 4 и 5 во время нарастающей части импульса тока. Это приводит к тому, что постоянная составляющая тока в катушках б и 7 уменьшается на величину тока заряда конденсаторов 4 и 5, равного половине входного тока источника 1. Поэтому данный генератор наиболее целесообразно использовать для питания потребителей индукционного действия у которых выходной эффект определяе ся только величиной переменной соетавляющей. Примером таких потребите лей могут быть иидукционно-динамические преобразователи,индукторы установок индукционного нагрева и т.п. У них выходной эффект не зависит от величины постоянной составляющей в пределах линейности этих систем. В генераторе импульсов тока Хфиг.З) ток заряда конденсаторов 4 и 5, протекая в том же направлении, что и ток их разряда, при включении тиристоров 9 и 10 увеличивает амплитуду тока в нагрузочных катушках б и 7, Входной ток источника 1 питания при этом не изменяется. Это повышает эффективность использования данного генератора при питании потребителей импульсной мощности, у которых выходной эффект зависит от амплитуды тока, например тяговые электромагниты. При питании от предлагаемого генератора обмоток магнитострикционных излучателей также повышается эффективность использования. В этом случае отпадает надобность в дополнительном источнике постоянного тока, создающем дополнительную пойтоянную составляющую тока. В экспериментальном образце используются катушки индуктивностью 0,507-10 Гн, конденсаторы МБГП-1 50 - 300 В - МБГП - 1 - 30 - 300 В, тиристоры ТЧ40 - 5 Кл, диод ВЛ25 5 Кл, источник питания - неуправляемый однофазный двухполупериодный выпрямитель на диодах ВЛ50. Формула изобретения Генератор импульсов тока, содержащий источник постоянного тока, подключенный через зарядную цепь к мостовой схеме, в два противоположных плеча которой включены первый и второй конденсаторы, в два других плеча которой включены первая и вторая катушки индуктивности, причем в одну из диагоналей мостовой схемы включен диод в запирающем направлении относительно зарядного напряжения на первом и втором конденсаторах, а во вторую диагональ включен разрядный коммутатор, третий кс нденсатор, о тл и. чающийся тем, что, с целью повышения рабочей частоты и КПД разрядный коммутатор . выполнен в виде тиристорного мостового коммутатора, в диагональ которого включен третий конденсатор. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Луконин Е.И., Семенов В.Д., Фурман Э.Г. Импульсная схема возбуждения электромагнита ускорителя. Приборы и техника эксперименту, 1974, № б, с. 17-19. 2.Авторское свидетельство СССР № 693535, КЛ. Н 03 К 3/53, 1978.