Магнитный импульсный генератор

 

(19) Я (П) (51) 5 НОЗКЗ 53

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ -:. аэ

1 ,(, 1 т ю

К ПАТЕНТУ

{21) 5013931/21 (22) 28.11.91 (46) 15.11.93 Бюл Нв 41-42 (75) Васильев В.В„Фурман Э.Г. (73) Научно-исследовательский институт при Томском политехническом университете (54) МАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР (57) Использование: в наносекундной иьвульсной технике для зарядки формирующей пинии ускорителей, а также для возбуждения импульсно-периодических газовых лазеров и других устройств с нелинейными характеристиками. Сущность изобретения: генератор включает корпус, накопитель 2, коммутатор 3, импульсный трансформатор 4, конденсаты 5- 8, дроссели 9- 11, индуктивность 12, источник 13. Особенностью изобретения является введение конденсатора 6 и подключение к нему индуктивности и источника 15, что позволило повысить надежность и упростить конструкцию. 4 ил.

О

ЬЭ

CO с (,М

ЬЭ ©

2003219

Предлагаемое изобретение относится к наносекундной импульсной технике и предназначено для зарядки формирующих линий ускорителей, а также для возбуждения импульсно-периодических газовых лазеров и других устройств с нелинейными характеристиками.

Известны генераторы мощных высоковольтных наносекундных импульсов на основе магнитных звеньев сжатия, емкости которых выполняются из блоков стандартных конденсаторов, Например, генератор для возбуждения мощных импульсно-периодических газовых лазеров формирует на емкостной нагрузке импульсы амплитудной

20 кВ, длительностью фронта 300 нс, следующие с частотой 3000 Гц. Получение импульсов с более короткими фронтами в десятки наносекунд ограничено иэ-за большой паразитной индуктивности звеньев генератора, складывающейся в основном из индуктивности монтажа конденсаторных блоков и существенной собственной индуктивности конденсаторов. Вследствие этого

КПД таких генераторов не превышает

5060 .

При формировании на нагрузке однополярных импульсов напряжения к началу каждого последующего импульса. все ферромагнитные сердечники генератора должны быть возвращены в исходное магнитное состояние в области их отрицательного насыщения.

Известны генераторы наносекундных импульсов на основе магнитных звеньев сжатия, в которых предварительное размагничивание ферромагнитных сердечников звеньев осуществляется с помощью дополнительных обмоток размагничивания, уложенных на сердечниках и эапитываемых последовательно от одного. или параллельно от нескольких источников тока.

Недостатком таких генераторов является их сложность и снижение надежности из-за большого количества дополнительных обмоток и источников питания, Известны также генераторы, в которых предварительное размагничивание. ферромагнитных сердечников звеньев сжатия . осуществляется через основные рабочие обмотки этих сердечников током заряда емкости входного звена генератора от импульсного источника питания. Однако применение таких генераторов ограничено. так как этот ток заряда замыкается также через нагрузку. В случае нагрузки с ярко выраженной нелинейной характеристикой, какой, например, является электродная система газового лазера, применение таких генераторов без использования специальных дополнительных цепей, шунтирующих нагрузку, невозможно.

Наиболее близким из известных технических решений к данному предложению

5 является магнитный импульсный генератор, содержащий импульсный источник питания, входное звено, состоящее иэ зарядной LCцепи. коммутатора, звенья сжатия, включающие дроссели насыщения, выполненные в виде тороидальных ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к которым подключены конденсаторы. Генератор содержит также размагничивающую систему с источником 5 тока, Выходное звено генератора подключается к нагрузке.

К виткам намагничивания первого звена сжатия через входное LC-звено подключается импульсный источник питания и один

20 вывод системы размагничивания, расположенной по внутренней поверхности дросселей насыщения и вторым свободным выводом подключенной к источнику тока., Особенностью генератора является то, 25 что в нем вместо стандартных используются специальные полосковые конденсаторы.

При этом обкладки конденсаторов каждого звена сжатия выполнены по ширине равными высоте набора сердечников дросселей

30 насыщения, разделены на частей и уложены по спирали Архимеда поверх дросселей.

В свою очередь обмотки дросселей насыщения разделены на 2п витков, кроме обмотки дросселя выходного звена, выполненной в

35 виде сплошного витка, К внешним выводам витков подключены потенциальные обкладки конденсаторов, а другие обкладки, "заземленные", соединены с корпусом.

Выводами, расположенными на внутренней

"0 поверхности дросселей, обмотки соединены между собой. При этом конструктивно все ступени сжатия помещены s общем цилиндрическом корпусе.

При таком выполнении генератора в процессе работы обкладки конденсатора с витками намагничивания образуют коаксиальную или симметричную полосковую линию, которая подключается к нагрузке. Это

50 позволяет исключить согласующие передающие линии, снизить до минимума параэитную индуктивность монтажа, а также эа счет существенного уменьшения собственной индуктивности конденсаторов улучшить соБб отношение индуктивностей витков дросселей насыщения ступеней сжатия и индуктивностей конденсаторов, Следствием этого является увеличение КПД генератора и воэможность формирования на нагрузке наносекундных импульсов с круты. 2003219 ми фронтами, порядка нескольких десятков наносекунд.

Недостатками этого устройства я вляются: во-первых, сложность получения в нагрузке мощных высоковольтных импульсов с амплитудой порядка 100 кВ и более, поскольку все основные элементы генератора от импульсного источника питания до выходного звена сжатия должны быть выполнены практически на полное напряжение нагрузки, во-вторых, осуществление размагничивания всдх ферромагнитных сердечников ступеней сжатия общим витком, проходящим через центральную часть корпуса и запитываем от низковольтного источника, существенно усложняет конструкцию генератора и затрудняет согласование выходного звена-сжатия с нагрузкой, поскольку между ними нарушается однородность коаксиального высоковольтного .перехода, который должен быть весьма малоиндуктивным.

Все это существенно уменьшает надежность генератора и ограничивает возможность его применения.

Целью изобретения является повышение надежности работы генератора и обеспечение воэможности его работы на нелинейную нагрузку, а также упрощение его конструкции и эксплуатации.

Эта цель достигается тем, что в предлагаемом магнитном импульсном генераторе, как и в прототипе, содержащем импульсный источник питания, включающий емкостной накопитель энергии, коммутатор и повышающий импульсный трансформатор входное звено, размагничивающую систему, включающую емкостной накопитель энергии. коммутатор и повышающий импульсный трансформатор входное звено, размагничивающую систему, включающую балластную индуктивность и источник тока, а также расположенные в общем цилиндрическом корпусе звенья сжатия, включающие дроссели насыщения, выполненные в виде тороидальных ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к которым подключены конденсаторы, выполненные в виде полосковых линий, уложенных по спирали Архимеда поверх дросселей насыщения, в отличие от прототипа входное звено генератора выполнено из двух последовательноо соединенных конденсаторов, где параллельно первому конденсатору подключена вторичная обмотка импульсного трансформатора импульсного источника питания, а параллельно второму конденсатору подключена размагничивающая система, при этом балластная индуктивность системы подключена к общей точке соеди5

50 нения конденсаторов. а выходное звено сжатия подключено к импульсным одновитковым трансформаторам коаксиального исполнения, обмотки которых выполнены из ряда параллельных витков, охватывающих сердечник трансформатора и радиально распределенных между корпусом и центральным выходным электродом генератора.

При этом и звенья сжатия, и одновитковые трансформаторы расположены в общем цилиндрическом корпусе.

Существенность отличия предлагаемого устройства заключается в том, что помимо сжатия во времени получаемого при разряде емкостного накопителя энергии импульсного источника питания относительно низковольтного импульса осуществляется увеличение его амплитуды в 1,6 1,9 раза во входном звене и в 2 4 раза на выходе генератора непосредственно перед нагрузкой.

Это позволяет использовать для импульсного источника и входного звена низковольтные стандартные элементы, в том числе мощные, частотные полупроводниковые коммутирующие приборы, а на элементах звеньев сжатия иметь напряжение в 2 — 4 раза меньше, чем формируемое в нагрузке. В результате существенно повышается надежность работы генератора, а также упрощается его конструкция и эксплуатация.

Кроме того, подключение системы размагничивания к общей точке последовательно соединенных конденсаторов входного звена и использование на выходе генератора одновитковых трансформаторов коаксиального исполнения позволяет, практически не ухудшая временных и энергетических характеристик импульсов в нагрузке размагничивать все ферромагнитные сердечники генератора, не замыкая ток размагничивания через нагрузку и не применяя дополнительных обмоток размагничивания. Это позволяет обеспечить возможность надежной работы генератора как на линейную, так и нелинейную нагрузку, включая межэлектродный промежуток газового импульсного лазера, На фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемого генератора: на фиг. 2 — эпюры токов и напряжений в элементах генератора; на фиг. 3-4 — схемы, поясняющие его работу.

На фигурах обозначено: I, ll — одновитковые импульсные трансформаторы, 1 корпус генератора, 2 — емкостной накопитель энергии. 3 — коммутатор, 4 — повышающий импульсный трансформатор, 5, б— конденсаторы входного звена, 7, 8- конденсаторы звеньев сжатия, 9 — дроссель насыщения входного звена, 10. 1, — дроссели 7

2003219

55 насыщения звеньев сжатия, 12 — балластная индуктивность, 13 — источник постоянного тока, 14 — намагничивающие витки импульсных трансформаторов, 1, И, 15 — ферромагнитные тороидальные сердечники импульсных трансформаторов I, И, 16- резистор нагрузки, 17 — межэлектродный зазор нагрузки, 17 — межэлектродный зазор нагрузки, 18 — центральный выходной электрод, 19 — напряжение на емкостном накопителе 2, 20- напряжение на конденсаторе

5, 21 — напряжение на конденсаторе 6, 22— напряжение на конденсаторе 7, 23 — напряжение на конденсаторе 8; 24 — напряжение в токах е, f на выходе импульсного трансформатора I, 25 — напряжение в точках, К пт на выходе генератора. 26 — ток заряда конденсаторов 5, 6, 27 - ток дросселя насыщения 9. 28 — ток дросселя насыщения 10, 29ток дросселя насыщения 11. 30 — ток на выходе импульсного трансформатора I на участке d-f, 31 — ток в резисторе 16 (на участке f-в).

Магнитный импульсный генератор содержит импульсный источник питания, включающий емкостной накопитель энергии 2, разряжаемый через коммутатор 3, например, тиристор, на первичную обмотку повышающего импульсного трансформатора 4. Параллельно вторичной обмотке этого трансформатора подключен конденсатор 5, образующий с последовательно подключенными к нему конденсатором 6 и дросселем насыщения 9 входное звено генератора. К общей точке соединения конденсаторов 5. 6 и вторичной обмотке импульсного транс- форматора 4 подключена балластная индуктивность 12 системы размагничивания, запитываемая током размагничивания от источника постоянного тока 13. Величина балластной индуктивности 12 выбирается из расчета, чтобы она существенно не шунтировала конденсатор 6 во время его зарядки, Магнитный импульсный генератор содержит несколько звеньев сжатия, каждое из которых имеет дроссель насыщения 10, 11, которые кзк и дроссель насыщения 9 входного звена выполнены s виде тороидальных ферромагнитных сердечников, охваченных намагничивающими витками. К внешним выводам этих витков подключены потенциальные обкладки соответствующих конденсаторов 7, 8, другие обкладки которых, "заземленные", подключены к корпусу

1. Конструктивно конденсаторы 7, 8 ступени сжатия выполнены в виде полосковых линий, уложенных по спирали Архимеда вокруг соответствующих им дросселей насыщения {см, фиг. 3).

Последнее, выходное звено сжатия подключено к импульсным одновитковым трансформаторам t u It коаксизльного исполнения, первичные обмотки 14 которых с целью наиболее малоиндуктивного исполнения выполнены из ряда параллельных витков, охватывающих тороидальный ферромагнитный сердечник 15 соответствующего трансформатора и радиально распределены между корпусом и центральным выходным электродом 18 генератора.

Конструктивно дроссель 9 входного звена, звенья сжатия и импульсные трансформаторы t и И размещены в общем цилиндрическом корпусе 1. При этом внутренние выводы обмоток дросселя выходного звена сжатия и импульсных трансформаторов I u

И соединены между собой и образуют центральный выходной электрод 18 генератора, который выполняется в виде цилиндра и образует с корпусом 1 коаксиал (см. фиг. 3), к которому подключается нагрузка 18, Данный генератор способен возбуждать практически любой тип нагрузки. В данном случае рассматривается нелинейная нагрузка типа межэлектродного промежутка импульсного газового лазера, на фиг. показанная в виде последовательно соединенных резистора 16 и зазора 17.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии (c < t>) конденсаторы 5-8 входного звена и звеньев сжатия разряжены. а емкостной накопитель 2 заряжен с указанной на фиг, 1 полярностью. От источника постоянного тока 13 через индуктивность 12 протекает ток размагничивания

1, замыкающийся по цепи вторичной обмотки импульсного трансформатора 4, обмотка дросселей насыщения 9-11 и параллельно соединенным обмоткам 14 импульсных трансформаторов 1 и И. Этим током размагничиваются полностью до состояния отрицательного насыщения — BSсердечники трансформатора 4 и дросселя 9 входного звена, поскольку их обмотки имеют значительное число витков и одновитковых трансформаторов и II размагничиваются частично, При включении в момент времени т1 коммутатора 3 нзчинается разряд емкостного накопителя 2 через первичную обмотку импульсного трансформатора 4. Наводимое на его вторичной обмотке напряжение через конденсатор 6 и насыщенный дроссель 9 прикладывается к обмоткам дросселей 10, 11 и трансформаторов l, I t, дораэмагничивая их сердечники также полностью до магнитного состояния — BS. В результате конденсаторы 5, 6 входного звена по отношению ко вторичной обмотке трансформатора 4 окз2003219

10 эываются подключенными параллельно и в течение времени t2-t< заря>каются до требуемого максимального значения напряжения

Up импульсного источника питания фиг. 2, эпюры 20, 21, соответственно. В момент времени tz процесс зарядки заканчивается, коммутатор 3 выключается. Под действием напряжения конденсатора 5 через его вторичную обмотку. Начиная с момента времени tz сердечник дросселя 9 выходит из отрицательного насыщения и начинает перемагничиваться, так как к его обмотке начинает прикладываться возрастающее напряжение, равное сумме 0 напряжений конденсаторов 5, 6 перестающих уравновешивать друг друга. В момент времени тз, когда процесс перезаряда конденсатора 5 близок к завершению и 0=(1,6 -1,9)Uo сердечник дросселя 9 вновь насыщается, но уже при индукции + SS. Его индуктивность уменьшается в -p раз, где р — относительная магнитная проницаемость материала сердечника и начинается процесс разряда последовательно соединенных конденсаторов 5, 6 через обмотку насыщенного дросселя 9 на конденсатор 7 последующего звена сжатия. Под действием напряжения конденсатора 5 по вторичной обмотке трансформатора 4 протекает ток, переводящий его сердечник в ненасыщенное состояние, которое препятствует обратному перезаряду конденсатора 5 через обмотку трансформатора.

В момент времени tn конденсатор 7 заряжается до напряжения U, а конденсаторы

5, 6 разряжаются до нуля.

Процесс разряда конденсатора 7 на конденсатор 8 аналогичен процессу, описанному выше, однако длительность разряда конденсатора 7 на конденсатор 8 намного меньше(промежуток времени t6-ts, эп ары 22, 23 на фиг. 2). По мере передачи импульса ат звена к звену длительность его уменьшается, достигая на последнем звене требуемой величины. При этом амплитуда напряжения ос:ается примерно постоянной, а амплитуда импульса тока увеличивается пропорционально, уменьшению его длительности.

После выхода в насыщение сердечника дросселя 11 последнего звена сжатия начинается разряд емкости 8 последнего звена нэ аднавиткавую обмотку 14 импульсного трансформатора 1, Направление намотки витков 14 трансформаторов 1, И определяется назначением генератора. При формировании весьма высоковольтных импульсов на высокаимпедансной нагрузке витки 14 выполняются таким образом, чтобы индуцируемая трансформаторами I, ll ЭДС на центральном выходном электроде 18 совпадала по направлению с ЭДС конденсатора 8 последнего звена сжатия. В этом случае (см.

5 фиг, 3) трансформаторы и II оказываются включенными по автотрансформаторной повышающей схеме, где первичным витком, подключенным к выходному звену, является виток а, Ь, d, с, а, а двумя вторичными вит10 ками — Ь, е, f, Ь, Ь для трансформатора 1 и е, k, m, f, е, для трансформатора !I, Для уменьшения потоков рассеяния, а, следовательно, и минимальной собственной индуктивности, трансформаторы еыполня15 ются с витком 14 практически полностью закрывающим сердечник 15. В результате напряжение с выхода последнего звена сжатия повышается каждым трансформатором в (1,6 1.9) раза при соответственном

20 уменьшении тока, с учетом тока намагничивания сердечников lac, не передаваемого в нагрузку. Следует отметить, что величина тока намагничивания (сотни ампер — единицы килоампер) много меньше величины тока

25 нагрузки (десятки — сотни килоампер). Сечение трансформатора I определяется величиной напряжения 0 на выходе последнего звена сжатия и длительностью t импульса в нагрузке

30 U 1„

4BsKcт где Bs — индукция насыщения материала сердечника трансформатора, Кст — коэффициент заполнения сталью, Сечение сердеч35

3> ника каждого последующего трансформатора удваивается, При работе генератора на малоимпеданскую нагрузку, когда основным является получение относительно низковольтных им40 пульсов с весьма большим токам, витки 14 трансформаторов I u II выполняются противоположноо вышеописанному, чтобы индуцируемая на оси ЭДС трансформатора имела направление встречное направление

45 ЭДС конденсатора последнего звена сжатия (cM. фиг. 4). Здесь трансформаторы оказываются включенными по автотрансформаторной понижающей схеме, где первичными двумя витками, нэпри50 мер, для трансформатора! является контур

a, b, Ь, с, а вторичным витком контур Ь, е, f, d. В результате получаемый с последней ступени сжатия ток увеличивается нэ каж. дом трансформаторе в - (1.6- 1,9) раза, но при соответственном уменьшении напряжения. Как и в предыдущем случае, обмотки 14 выполняются максимально закрывающими сердечники 15: иэ ряда параллельных витков, охватывающих сердечники трэнсфор12

2003219

Формула изобретения

МАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий импульсный источник

35 питания, включающий емкостный накопитель энергии, коммутатор и повышающий импульсный трансформатор. клеммы вторичной обмотки которого являются первой и второй выходными клеммами импульсного источника питания, входное звено сжатия, N звеньев сжатия, которые расположены в общем корпусе, выходное щие дроссели Насе 45 . щения, выполненные в виде охваченных намагничивающими витками тароидальных ферромагнитных сердечников, и конденсаторы, выполненные в виде полосковых линий, уложенных по cwpaw Архимеда 50 поверх дросселей насыщения, нагрузку и размагничивающую систему, включающую соединенные последовательно балластную индуктивность и источник тока, отличающийся тем, что конденсатор входного зве- 55 маторав и радиально распределенных между корпусом и центральным выходным электродом, а сечение трансформатора определяется величиной напряжения на выходе последнего звена сжатия и длительностью импульса в нагрузке. Далее сечение сердечника каждого последующего трансформатора, примерно, вдвое уменьшается.

Таким образом, в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, помимо сжатия во времени получаемого при разряде емкостного накопителя энергии относительно низковольтного импульса осуществляется увеличение его амплитуда в 1,6-1,9 раза во входном звене и в 2 — 4 раза на выходе генератора непосредственно перед нагрузкой. Это позволяет на элементах звеньев сжатия иметь напряжение в 2-4 раза меньшее, чем формируемое в нагрузке, и использовать для импульсного источника и входного звена низковольтные стандартные элементы, что существенно повышает надежность работы генератора, упрощает его конструкцию и эксплуатацию. Подключение системы размагничивания к общей тачке соединения конденсаторов входного звена и использование на выходе генератора одновитковых трансформаторов, практически не ухудшая временных и

30 энергетических характеристик импульсов в нагрузке, позволяет размагничивать все ферромагнитные сердечники генератора, не замыкая ток размагничивания через нагрузку и не применяя дополнительных обмоток размагничивания, Это позволяет без дополнительного усложнения перехода генератор — нагрузка и без применения дополнительных устройств обеспечивать возможность надежной работы генератора как на линейную, так и нелинейную нагрузку типа межэлектродного зазора.

В предлагаемом устройстве, с целью упрощения конструкции и эксплуатации генератора. при его работе в длительном непрерывном импульсно-периодическом режиме с постоянной частотой следования импульсов в десятки — сотни импульсов в секунду возможно исключение источника постоянного тока в системе размагничивания. В этом случае она выполняется в виде цепи из последовательно соединенных балластной индуктивности 12 и резистора, где индуктивность подключается к общей точке соединения конденсаторов 5, 6 входного звена. а резистор — к корпусу 1. (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1521224, кл, H 03 К М53, 1987. на генератора выполнен иэ двух последовательно соединенных конденсаторов, причем первый конденсатор соединен параллельно с первой и второй выходными клеммами импульсного источника питания, а в арой конденсатор соединен параллельно с размагничиваю щей системой, причем балластная индуктивность системы подключена к общей точке соединения первого и второго конденсаторов, выходные клеммы выходного звена сжатия подключены к входным клеммам импульсных одновитковых трансформаторов. которые выполнены коаксиальными и обмотки которых образованы рядом параллельных витков, охватывающих сердечники трансформатора и радиально распределенных между корпусом и центральным выходным электродом генератора.

2003219

2003219

Составитель 8.Васильев

Техред М. Моргентал Корректор O. Ãóñòè

Редактор И.Семенова

Заказ 3237

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101