Генератор импульсов напряжения

 

Использование: в мощной импульсной технике для периодического заряда емкостного накопителя в ускорителях заряженных частиц и другой электрофизической аппаратуре. Сущность изобретения: генератор содержит два источника 5, 10 питания разной полярности, через управляемые тиристоры 6 и 9 подключенные к конденсатору 1, который через управляемые тиристоры 2 и 7 включен параллельно первичным обмоткам 3, 8 импульсного трансформатора 4. С управляющими выводами указанных тиристоров соединены выходы блока 18 синхронизации, обеспечивающего поочередное открывание тиристоров. Параллельно вторичной обмотке 11 импульсного трансформатора включены конденсатор 12 и нагрузка 13. 3 ил.

Изобретение относится к мощной импульсной технике, а именно к генераторам высоковольтных импульсов с емкостным накопителем энергии, и может быть использовано в сильноточных импульсно-периодических ускорителях электронов и другой электрофизической аппаратуры.

Известно устройство для зарядки емкостного накопителя, включающее параллельно соединенные первичную обмотку трансформатора, первый конденсатор и источник переменного напряжения, а также вторичную обмотку трансформатора, через выпрямитель включенную параллельно второму конденсатору [1].

Недостаток известного устройства обусловлен тем, что выпрямитель включен в цепь вторичной обмотки трансформатора, где действует повышенное напряжение. Это ограничивает область использования устройства сравнительно низкими напряжениями, в частности не более 100-200 кВ.

Наиболее близким к предложенному является генератор импульсов напряжения, включающий последовательно соединенные в кольцевую цепь первый емкостный накопитель, тиристор (основной управляемый ключ) и первичную обмотку импульсного трансформатора, причем параллельно первому емкостному накопителю включен источник питания положительной полярности, и параллельно включенные вторичную обмотку импульсного трансформатора, второй емкостный накопитель и вакуумный диод в качестве нагрузки [2].

Указанное устройство обеспечивает получение мощных высоковольтных импульсов напряжения, но имеет потери мощности вследствие перезаряда первого емкостного накопителя в каждом такте работы.

Изобретение направлено на повышение КПД генератора путем исключения потерь при перезаряде емкостного накопителя.

Для этого в генератор импульсов, содержащий последовательно соединенные в кольцевую цепь первый емкостный накопитель, основной управляемый ключ и основную первичную обмотку импульсного трансформатора, причем параллельно указанному накопителю включен основной источник питания, например, положительной полярности, и параллельно включенные вторичную обмотку импульсного трансформатора, второй емкостный накопитель и нагрузку, введены дополнительный источник питания противоположной основному, например, отрицательной полярности, включенный через первый дополнительный управляемый ключ параллельно первому емкостному накопителю, последовательно соединенные, подключенные также параллельно первому емкостному накопителю второй дополнительный управляемый ключ и дополнительная первичная обмотка импульсного трансформатора, включенная встречно основной первичной обмотке, и третий дополнительный управляемый ключ, включенный между основным источником питания и первым емкостным накопителем.

В предлагаемый генератор введены известные элементы (источник питания, управляемые ключи, обмотка трансформатора), но по результатам патентных исследований не выявлена известноcть предложенного их соединения. Введение новых признаков обеспечивает появление нового технического результата. Это обусловлено следующим.

В известном генераторе заряд первого емкостного накопителя производится во всех тактах от основного источника питания одной полярности, а так как в каждом такте происходит смена знака заряда на первом накопителе, то часть энергии источника тратится на обратный заряд накопителя. В предложенном генераторе в каждом следующем такте обеспечивается дозаряд первого накопителя от источника питания с другой полярностью, соответствующей знаку заряда накопителя в этом такте. При этом не тратится энергия на перезаряд емкостного накопителя, что является новым техническим результатом изобретения. Повышается КПД генеpатора.

На фиг. 1 изображена схема генератор импульсов напряжения; на фиг.2 - схема блока синхронизации; на фиг.3 - эпюры напряжений на элементах схем, где t - время; U_х - напряжение на элементе схемы с номером Х.

Генератор импульсов напряжения содержит (фиг.1) последовательно соединенные в кольцевую цепь первый емкостный накопитель - конденсатор 1, основной управляемый ключ - тиристор 2 и основную первичную обмотку 3 импульсного трансформатора 4. При этом точка соединения конденсатора 1 с концом первичной обмотки 4 находится на корпусе генератора. Параллельно конденсатору 1 включен основной источник 5 питания положительной полярности, между выходом которого и конденсатором 1 включен дополнительный управляемый тиристор 6. Тиристоры 2 и 6 включены положительными выводами в сторону выхода источника 5 питания. Параллельно конденсатору 1 также включены последовательно соединенные дополнительный управляемый тиристор 7 и дополнительная первичная обмотка 8 импульсного трансформатора 4. Кроме того, параллельно конденсатору 1 включены последовательно соединенные дополнительный управляемый тиристор 9 и источник 10 питания отрицательной полярности. Тиристоры 7 и 9 включены отрицательными выводами в сторону выхода источника 10 питания. Обмотки 3 и 8 трансформатора 4 включены встречно друг другу. Параллельно вторичной обмотке 11 импульсного трансформатора 4 включены второй емкостный накопитель - конденсатор 12 и нагрузка - разрядник 13. С управляющими выводами тиристоров 6, 2, 9 и 7 соединены соответственно выходы 14, 15, 16 и 17 блока 18 синхронизации. Входы источников 5 и 10 питания соединены, например, с трехфазной сетью питания переменного напряжения.

Блок 18 синхронизации (фиг.2) содержит источник 19 импульсов синхронизации, делители 20 и 21 частоты на два, схемы НЕ (инверторы) 22 и 23 и четыре трехвходовые схемы И (схемы совпадения) 24, 25, 26 и 27. Выход источника 19 импульсов синхронизации соединен с входом первого делителя 20 частоты на два и с первыми входами 28-31 схем 24-27 совпадения. Выход первого делителя 20 частоты на два соединен с входом второго делителя 21 частоты на два, с вторыми входами 32 и 33 схем 24 и 25 совпадения и непосредственно с вторыми входами 34 и 35 схем 26 и 27 совпадения через инвертор 22. Выход второго делителя 21 частоты на два соединен с третьими входами 37 и 39 схем 25 и 27 совпадения непосредственно и с третьими входами 36 и 38 схем 24 и 26 совпадения через инвертор 23.

Генератор импульсов напряжения работает следующим образом.

До момента времени t₁ (фиг.3) напряжение U₁ на конденсаторе 1 равно некоторому положительному значению + U₀, например, составляющему 20-30% от максимального напряжения на этом конденсаторе, что имеет место при коэффициенте связи обмотки 11 трансформатора 4, равном 0,7-0,8. Тиристоры 6, 2, 9 и 7 закрыты. Напряжение на конденсаторе 12 равно нулю.

В момент времени t₁ импульс напряжения U₁₄ с выхода 14 блока 18 синхронизации открывает тиристор 6 (работа блока 18 синхронизации описана ниже). Начинается заряд конденсатора 1 от источника 5 питания до максимального напряжения + U_m. По окончании заряда конденсатора 1 тиристор 6 закрывается, напряжение + U_m действует до момента времени t₂, в который импульсом напряжения U₁₅ с выхода 15 блока 18 синхронизации открывается тиристор 2. При этом начинаютcя разряд конденсатора 1 на первичную обмотку 3 импульсного трансформатора 4 и заряд конденсатора 12, включенного параллельно вторичной обмотке 11 того же трансформатора. Конденсатор 1 разряжается до нуля и перезаряжается до отрицательного напряжения -U_о, равного по абсолютной величине напряжения +U_о. По окончании перезаряда конденсатора 1 тиристор 2 закрывается и напряжение на нем сохраняется до момента времени t₃. С началом заряда в момент времени t₂ конденсатора 12 напряжение на нем U₁₂ нарастает до требуемого положительного значения U_р, при котором происходит пробой разрядника 13, являющегося нагрузкой генератора. При этом конденсатор 12 за требуемое короткое время разряжается на нагрузку, напряжение на нем падает до нуля.

В момент времени t₃, непосредственно перед которым напряжение на конденсаторе 1 равно -U_о, напряжение на конденсаторе 12 равно нулю, а тиристоры 6, 2, 9 и 7 закрыты, импульсом напряжения U₁₆ с выхода 16 блока 18 синхронизации открывается тиристор 9. Начинается заряд конденсатора 1 до отрицательного напряжения -U_m от источника 10 отрицательного напряжения. По окончании заряда тиристор 9 закрывается, напряжение -U_m на конденсаторе 1 действует до момента времени t₄.

В момент t₄ импульс напряжения U₁₇ с выхода 17 блока 18 синхронизации открывает тиристор 7, начинаются разряд конденсатора 1 на первичную обмотку 8 импульсного трансформатора 4 и заряд конденсатора 12 в цепи вторичной обмотки 11 трансформатора. Конденсатор 1 разряжается до нуля и перезаряжается до положительного напряжения +U_о, тиристор 7 закрывается, и это напряжение сохраняется до момента времени t₁₁, соответствующего в циклической работе генератора ранее описанному моменту времени t₁.

С началом в момент времени t₄ заряда конденсатора 12 напряжение на нем U₁₂, как и в ранее рассмотренный период времени t₂-t₃, растет до требуемого положительного значения U_р, так как первичная обмотка 8 трансформатора 4 включена встречно первичной обмотке 3. Таким образом, хотя направление тока разряда конденсатора 1 в периоды времени t₂-t₃ (от + U_m до нуля) и t₄-t₁ (от -U_m до нуля) в первичных обмотках 3 и 8 трансформатора 4 разные, ток во вторичной обмотке 11 и соответственно знак напряжения U₁₂ на конденсаторе 12 одни и те же. По достижении напряжением U₁₂ значения U_р происходит пробой разрядника 13, конденсатор 12 разряжается на нагрузку. Цикл работы генератора импульсов напряжения закончен. С момента времени t₁¹ после появления на выходе 14 блока 18 синхронизации следующего импульса напряжения U₁₄ работа генератора повторяется.

Блок 18 синхронизации работает следующим образом.

На выходе источника 19 импульсов синхронизации действует импульсное напряжение U₁₉ (фиг.3) с заданным периодом повторения. На выходе делителя 20 частоты на два импульсное напряжение U₂₀ имеет период повторения в два раза больший, чем напряжение с выхода источника 19 импульсов синхронизации, а на выходе делителя 21 частоты на два импульсное напряжение U₂₁ имеет период повторения в четыре раза больший, чем у источника 19 импульсов синхронизации. Указанные импульсы напряжений попадают на входы схем 24 и 27 совпадения как непосредственно, так и через инверторы 22 и 23. Это обеспечивает соответствующее появление импульсов напряжения U₁₄ - U₁₇ на выходах инверторов.

Например, импульс напряжения U₁₄ на выходе 14 схемы 25 совпадения появляется, когда на ее входах 29, 33 и 37 действуют положительной полярности импульсы напряжений U₁₉, U₂₀, U₂₁ непосредственно с выходов источника 19 и делителей 20, 21. Импульс напряжения U₁₅ на выходе 15 схемы 27 совпадения появляется при появлении на входах 31 и 39 этой схемы импульсов положительной полярности U₁₉, U₂₁ c выходов источника 19 и делителя 21 непосредственно, а на входе 35 инвертированного импульса напряжения U₂₀, попадающего на этот вход с выхода делителя 20 через инвертор 22. Аналогично вырабатываются импульсы напряжений U₁₆ и U₁₇ на выходах 16 и 17 схем 24 и 26 совпадения.

Использование предложенного генератора импульсов напряжения обеспечивает повышение КПД на 10-30%.

Формула изобретения

ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий последовательно соединенные в кольцевую цепь первый емкостный накопитель, основной управляемый ключ и основную первичную обмотку импульсного трансформатора, причем параллельно первому емкостному накопителю включен основной источник питания, например, положительной полярности, и параллельно включенные вторичную обмотку импульсного трансформатора, второй емкостный накопитель и цепь нагрузки, отличающийся тем, что в него введены дополнительный источник питания противоположный основному, например, отрицательной полярности, подключенный параллельно первому емкостному накопителю через первый дополнительный управляемый ключ, последовательно соединенные и подключенные также параллельно первому накопителю второй дополнительный управляемый ключ и дополнительная первичная обмотка импульсного трансформатора, включенная встречно основной первичной обмотке, и третий дополнительный управляемый ключ, включенный между основным источником питания и первым емкостным накопителем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3