Генератор импульсного напряжения

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к многоступенчатым генераторам высоковольтных импульсов, выполненных по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса. Генератор может использоваться в качестве источника электропитания различных электрофизических установок. Техническим результатом является увеличение выходного напряжения, уменьшение габаритов, увеличение надежности и стабильности срабатывания, как конструктивных элементов, так и генератора в целом. Генератор содержит корпус с диэлектрической средой, в которой расположены конденсаторы, разрядники и резисторы, соединенные по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса. Элементы расположены в трех параллельных осях. Конденсаторы и разрядники собраны в пакеты. В пакете разрядников выполнен сплошной осевой канал, а, по меньшей мере, первые два разрядника выполнены с управляющими электродами. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к многоступенчатым генераторам высоковольтных импульсов, выполненных по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса. Генератор может использоваться в качестве импульсного источника электропитания различных электрофизических установок.

Известен генератор импульсного напряжения ГИН, см. европейский патент №-0750396, кл. МПК Н03К 3/537, с приоритетом Великобритании от 20.06.1995 г. Генератор содержит n-каскадов, соединенных по схеме Аркадьева-Маркса, каждый из которых включает в себя переключатель в виде искрового промежутка, источник зарядки и устройство задержки. Ширина искрового промежутка в переключателе первого каскада меньше, чем у остальных переключателей. Недостатками известного ГИН являются ограничения по выходному напряжению, по степени стабильности и надежности из-за того, что отсутствует управляющий импульс в переключателях (разрядниках), что увеличивает разброс по времени срабатывания генератора. Кроме того, возникают сложности при эксплуатации, связанные с водородной рабочей средой в разрядниках, сжатой до высокого давления, и отсутствием взаимозаменяемости разрядников.

Известен также «Генератор импульсов высокого напряжения», патент РФ №-2063103, Кл. Н03К 3/53, с приоритетом от 29.03.1993 г., опубликован в БИ № 18 от 27.06.1996 г. Данный ГИН используется для питания сильноточных наносекундных ускорителей заряженных частиц, мощных импульсных газовых лазеров и генераторов импульсного рентгеновского излучения. ГИН выполнен по схеме Аркадьева-Маркса и содержит накопительные конденсаторы, разрядники, нагрузку, зарядные ветви из резисторов, цепочку из диодов и индуктивности каскадов. Недостатками данного генератора являются большие габариты, недостаточная степень надежности, которую вносит диодная цепь, и сложности при эксплуатации из-за большого количества элементов в диодной цепи и при подборе каскадных индуктивностей.

Наиболее близким к заявляемому генератору является ГИН, описанный в статье А.И.Герасимова и др., «Надежный экранированный генератор Аркадьева-Маркса на 500 кВ и 6.25 кДж со стабильным временем задержки срабатывания», ж. «Приборы и техника эксперимента», №1, 1998 г., с.96-101. Генератор импульсного напряжения по прототипу содержит корпус с диэлектрической средой, в котором расположены конденсаторы, разрядники и резисторы, соединенные по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса. В компоновке данного пятикаскадного ГИН конденсаторы плотно упакованы в один пакет, а над ним расположены 5 разрядников-тригатронов. В зарядно-разрядных и пусковых цепях использованы резисторы в полиэтиленовых корпусах, заполненных водным раствором медного купороса. Недостатками прототипа являются ограничения по выходному напряжению до 500 кВ в заданных габаритах и недостаточная степень надежности конструктивных элементов генератора.

При создании данного изобретения решалась задача создания транспортабельного, стабильно работающего в условиях экспериментальных площадок генератора.

Техническим результатом при решении данной задачи является увеличение выходного напряжения, уменьшение габаритов, увеличение надежности и стабильности срабатывания конструктивных элементов и генератора в целом.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с прототипом, который содержит корпус с диэлектрической средой, в котором расположены конденсаторы, разрядники и резисторы, соединенные по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса, новым в заявляемом генераторе является то, что его элементы расположены в трех параллельных друг другу осях. Конденсаторы собраны в два пакета, а разрядники собраны в другой пакет, расположенный над пакетом конденсаторов. Каждый предыдущий конденсатор в пакете расположен через зазор с каждым последующим. Первый пакет конденсаторов установлен со смещением по отношению ко второму пакету конденсаторов. Каждые соседние разрядники соединены с конденсаторами из разных пакетов. В пакете разрядников выполнен сплошной осевой канал, а, по меньшей мере, первые два разрядника в пакете выполнены с управляющими электродами.

Пакет разрядников выполнен путем герметичной стыковки всех корпусов разрядников с общей рабочей средой из смеси элегаза и азота и образованием сплошного осевого канала между электродами всех соседних разрядников в пакете. Зазор между соседними конденсаторами в пакете выполнен равным осевому размеру разрядника. Резисторы выполнены твердотельными. Элементы генератора закреплены в корпусе на диэлектрическом основании.

Расположение элементов генератора в трех параллельных друг другу осях, когда конденсаторы собраны в два пакета, а разрядники собраны в другой пакет, расположенный над пакетами конденсаторов, позволяет осуществить оптимальную компоновку конструктивных элементов генератора. Расположение каждого предыдущего конденсатора в пакете через зазор с каждым последующим и установка со смещением первого пакета конденсаторов по отношению ко второму пакету конденсаторов, когда каждые соседние разрядники соединены с конденсаторами из разных пакетов, и с зазором между соседними конденсаторами в пакете, выбранным равным осевому размеру разрядника, позволяет уменьшить габариты генератора и, как следствие, добиться увеличения выходного напряжения, не увеличивая внешних размеров генератора. Наличие в пакете разрядников сплошного осевого канала, заполненного рабочей средой из смеси элегаза и азота, а, по меньшей мере, у первых двух разрядников в пакете наличие управляющих электродов позволяет улучшить надежность срабатывания разрядников и временные характеристики, а именно уменьшает время задержки срабатывания разрядников и уменьшает разброс по времени срабатывания. Использование в генераторе твердотельных резисторов улучшает надежность генератора, а расположение элементов генератора на диэлектрическом основании увеличивает электрическую прочность конструктивных элементов и генератора в целом.

На фиг.1 изображен внешний вид заявляемого генератора.

На фиг.2 изображен заявляемый генератор.

На фиг.3 изображен пакет разрядников.

На фиг.4 изображена электрическая схема заявляемого генератора.

На фиг.1, 2, 3, 4 изображено:

1 - конденсаторы в пакетах;

2 - зазор между конденсаторами;

3 - разрядники в пакете;

4 - основные электроды разрядника;

5 - управляющие электроды;

6 - корпус разрядника;

7 - подвод газа в осевой канал пакета разрядников;

8 - резисторы;

9 - корпус генератора;

10 - электроды конденсаторов;

11 - диэлектрические стяжки;

12 - диэлектрическое основание;

13 - соленоид;

14 - разъемное соединение;

15 - высоковольтный ввод;

16 - эл. ввод для управляющих электродов;

17 - компенсатор;

18 - пояс Роговского.

Заявляемый ГИН содержит корпус 9 с диэлектрической средой, в которой расположены конденсаторы 1, разрядники 3, и резисторы 8, соединенные по схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса. Элементы генератора расположены в трех параллельных друг другу осях. Конденсаторы 1 собраны в два пакета, а разрядники 3 собраны в другой пакет, расположенный над пакетами конденсаторов. Каждый предыдущий конденсатор в пакете расположен через зазор с каждым последующим. Первый пакет конденсаторов установлен со смещением по отношению ко второму пакету конденсаторов. Каждые соседние разрядники соединены с конденсаторами из разных пакетов. В пакете разрядников выполнен сплошной осевой канал, а, по меньшей мере, первые два разрядника в пакете выполнены с управляющими электродами 5. Пакет разрядников выполнен путем герметичной стыковки всех корпусов 6 разрядников 3 с общей рабочей средой из смеси элегаза и азота и образованием сплошного осевого канала между основными электродами 4 всех соседних разрядников в пакете. Зазор 2 между соседними конденсаторами 1 в пакете выбран равным осевому размеру разрядника 3. Резисторы 8 выполнены твердотельными. Элементы генератора закреплены в корпусе 9 на диэлектрическом основании 12.

В примере реализации заявляемый генератор содержит двенадцать каскадов, разделенных на два параллельных пакета из шести конденсаторов 1 типа КМК 100-0,017 в каждом. В качестве коммутаторов используются разрядники 3 тригатронного типа, заполненные газом под давлением, превышающим атмосферное. Разрядники жестко собраны в один пакет и размещены над пакетами конденсаторов параллельно вдоль центральной оси ГИН. Внутренние полости разрядников представляют собой единый объем, что, во-первых, упрощает газовое наполнение разрядников, а во-вторых, при каскадном срабатывании разрядников позволяет осуществлять подсветку последующих разрядников. Данная конструкция обеспечивает наименьшие габариты, индуктивность и время задержки срабатывания генератора. Подвод газа 7 к разрядникам 3 осуществляется по фторопластовой трубке от буферного баллона, закрепленного на корпусе 9 генератора, где происходит предварительное смешивание газов - элегаза и азота. В качестве зарядных резисторов 8 в генераторе используются резисторы типа ТВО-20-1 кОм. ГИН собран в прямоугольном металлическом герметизированном корпусе 9. Каждый конденсатор жестко закреплен между двумя металлическими пластинами, являющимися электродами 10 конденсатора, к которым крепится пакет разрядников и зарядные резисторы 8 с помощью разрезных колец, напаянных на концы резисторов. Такие конденсаторные пакеты стянуты друг с другом по шесть штук в две линейки (четные и нечетные каскады) капролоновыми стяжками 11. Конденсаторные блоки расположены на диэлектрическом основании 12 из оргстекла, прикрепленном к дну корпуса 9 генератора. Последний каскад ГИН соединен с нагрузкой - двойной формирующей линией (ДФЛ) соленоидом 13 через разъемное соединение 14. Конденсаторы ГИН-1200 заряжаются от выпрямителя через высоковольтный ввод 15 и зарядный резистор. Высоковольтный ввод установлен на боковой стенке корпуса ГИН. На этой же стенке крепится специальный ввод 16 для подачи поджигного высоковольтного импульса на управляющие электроды 5 разрядников 3 первых четырех каскадов. Объем корпуса 9 генератора заполняется трансформаторным маслом с электропрочностью не менее 20 кВ/мм. Корпус ГИН сверху герметично закрывается крышкой с помощью винтов М10. На крышке располагается компенсатор - прозрачный расширительный бачок 17, позволяющий визуально контролировать уровень масла в корпусе. В нижней части корпуса ГИН располагается вентиль для слива или заполнения объема маслом. Все уплотняющие прокладки генератора изготовлены из маслостойкой резины. ГИН снабжен механическими приспособлениями для юстировки генератора в 3-х измерениях при стыковке его с ДФЛ. Для контроля выходного напряжения в пазу переходного узла расположен пояс Роговского 18. Кабельный разъем типа СР-75 с вакуумным уплотнением размещается на внешней стороне переходного узла. Данный узел заполняется автономно трансформаторным маслом, для чего в верхней его части предусмотрен расширительный бачок из органического стекла с отверстием в верхней части для заливки масла. В нижней части переходного узла предусмотрен вентиль для слива масла.

Основные параметры заявляемого ГИН-1200:

- номинальное выходное напряжение-1.2 MB;

- емкость в «ударе» - 1,4 нФ;

- максимальная запасаемая энергия -1 кДж;

- габариты корпуса - 1750×770×770 мм³;

- вес генератора в сборе около 1000 кг;

- объем масла около 500 л.

Работает заявляемый ГИН следующим образом. В соответствии с заданными характеристиками была выбрана электрическая схема по фиг.4. Постоянным током отрицательной полярности осуществляется зарядка двенадцати конденсаторов 1 типа КМК 100-0,017, включенных параллельно, до напряжения 80-100 кВ через цепочки зарядных резисторов 8 R2-R25 типа ТВО - 1 к - 20 Вт, расположенных попарно со стороны высокого и низкого потенциала. В качестве коммутаторов генератора используются газонаполненные разрядники 3 тригатронного типа F1-F12, включенные таким образом, что основной электрод 4 разрядников находится под высоким потенциалом во время заряда конденсаторов, а катод - под низким потенциалом. Разрядники первых четырех каскадов F1-F4 имеют управляющий (поджигной) электрод 5, а остальные - без управления. Рабочее избыточное давление в разрядниках около 4 ати, а состав смеси газа - 20% SF₆ и 80% N₂. После окончания зарядки по команде с пульта управления на управляющие электроды 5 первых четырех разрядников от импульсного генератора приходит поджигной импульс положительной полярности амплитудой 60 кВ. Резисторы R26-R29, стоящие в цепи поджига F1-F4, необходимы для защиты цепи управления от разрядного тока. Эти разрядники поджигаются, искровой промежуток между электродами разрядников замыкается. Искровой промежуток каждых последующих разрядников, начиная со второго, замыкается ввиду наличия импульсной разности потенциалов между электродами и искровой подсветки, возникающих при срабатывании разрядника предыдущего каскада. Такая подсветка инициирует пробой искрового промежутка разрядников наряду с перенапряжением и управляющим импульсом первых каскадов, что улучшает надежность срабатывания разрядников и временные характеристики, а именно уменьшает время задержки срабатывания разрядников и уменьшает разброс по времени срабатывания. С возрастанием номера разрядников импульсная разность потенциалов между электродами и яркость подсветки возрастают. Цепочка параллельно включенных во время зарядки конденсаторов в момент срабатывания разрядников перестраивается в цепочку последовательно включенных конденсаторов общей емкостью 1,4 нФ, называемой емкостью в «ударе» Су, и импульсным напряжением положительной полярности на выходе генератора величиной 1-1,2 MB.

Таким образом, по сравнению с прототипом в заявляемом генераторе удалось увеличить выходное напряжение более чем в 2 раза в тех же габаритах, добиться стабильности срабатывания и увеличить электрическую прочность, как конструктивных элементов, так и генератора в целом.

1. Генератор импульсного напряжения, содержащий корпус с диэлектрической средой, в котором расположены конденсаторы, разрядники и резисторы, соединенные по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса, отличающийся тем, что элементы генератора расположены в трех параллельных друг другу осях, конденсаторы собраны в два пакета, а разрядники собраны в другой пакет, расположенный над пакетами конденсаторов, при этом каждый предыдущий конденсатор в пакете расположен через зазор с каждым последующим, первый пакет конденсаторов установлен со смещением по отношению ко второму пакету конденсаторов, а каждые соседние разрядники соединены с конденсаторами из разных пакетов, кроме того, в пакете разрядников выполнен сплошной осевой канал, а, по меньшей мере, первые два разрядника в пакете выполнены с управляющими электродами.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что пакет разрядников выполнен путем герметичной стыковки всех корпусов разрядников с общей рабочей средой из смеси элегаза и азота и образованием сплошного осевого канала между электродами всех соседних разрядников в пакете.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что зазор между соседними конденсаторами в пакете выбран по осевому размеру разрядника.

4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что резисторы выполнены твердотельными.

5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что его элементы закреплены в корпусе на диэлектрическом основании.