Генератор высоковольтных импульсов напряжения



Генератор высоковольтных импульсов напряжения
Генератор высоковольтных импульсов напряжения
Генератор высоковольтных импульсов напряжения

 

H03K3/53 - Импульсная техника (измерение импульсных характеристик G01R; механические счетчики с электрическим входом G06M; устройства для накопления /хранения/ информации вообще G11; устройства хранения и выборки информации в электрических аналоговых запоминающих устройствах G11C 27/02; конструкция переключателей для генерации импульсов путем замыкания и размыкания контактов, например с использованием подвижных магнитов, H01H; статическое преобразование электрической энергии H02M;генерирование колебаний с помощью схем, содержащих активные элементы, работающие в некоммутационном режиме, H03B; импульсная модуляция колебаний синусоидальной формы H03C;H04L ; схемы дискриминаторов с подсчетом импульсов H03D;

Владельцы патента RU 2400928:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт импульсной техники" (ФГУП НИИИТ) (RU)

Изобретение относится к высоковольтной технике, использующей импульсные трансформаторы с номинальным выходным напряжением порядка сотен киловольт. Техническим результатом является расширение широкополосности трансформаторного устройства за счет снижения индуктивности рассеяния и исключения сосредоточенных емкостных накопителей, заменяемых распределенными формирующими линиями из элементов LC. Генератор содержит импульсный трансформатор с взаимосвязанными первичной и вторичной обмотками, коммутирующий ключ, резистивную (активная) нагрузку; m параллельно соединенных формирующих линий (m≥1), состоящих из цепочек k последовательно соединенных катушек индуктивности (k≥1) и k+1 параллельно соединенных емкостных конденсаторов, причем каждая формирующая линия подсоединена своей выходной цепочкой к началу первичной обмотки, а своей входной цепочкой - к источнику питания и коммутирующему ключу, второй контакт которого соединен с концом первичной обмотки, резистивная (активная) нагрузка подсоединяется ко вторичной обмотке, число витков которой должно быть уменьшено до такой степени, чтобы выполнялось соотношение: τ/С2>>RH,

где τ - длительности фронта прямоугольного выходного импульса, С2 - паразитная емкость вторичной обмотки, RH - сопротивление резистивной нагрузки. 3 ил.

 

Изобретение относится к высоковольтной технике, использующей импульсные трансформаторы с номинальным выходным напряжением порядка сотен киловольт.

Отличительной особенностью предлагаемых трансформаторов является их высокая мощность, а значит, широкополосность, позволяющая формировать на резистивной (омической) нагрузке «прямоугольные» (точнее квазипрямоугольные) всплески высокого напряжения.

Наиболее близким известным устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является генератор импульсов высокого напряжения (прототип), состоящий из импульсного трансформатора с двумя магнитосвязанными обмотками, к которым подключены первичный и вторичный емкостные накопители, коммутирующий ключ, резистивная нагрузка [1, 2]. На фиг.1 приведена схема генератора импульсов высокого напряжения на основе высоковольтного трансформатора.

Такое устройство получило широкое распространение и обычно называется «трансформатором Тесла», теория которого досконально разработана в [1]. Его выходное напряжение по форме представляет собой суперпозицию двух гармонических функций различных частот и по этой причине не является «прямоугольным». В качестве нагрузки импульсного трансформатора обычно используется активный импеданс, либо длинная передающая линия, либо пучок заряженных частиц (электронов, ионов), создаваемых в соответствующих электровакуумных приборах.

Принцип действия устройства, принятого за прототип, основан на передаче энергии из первичного контура во вторичный, осуществляемый при замыкании ключа К. При этом происходит разряд сосредоточенного емкостного накопителя C1, на первичную обмотку W1, в которой возбуждается электрический ток и сопутствующее синфазное магнитное поле, заключенное, главным образом, в ферромагнитном сердечнике или в пространстве, ограниченном двумя обмотками. Этим полем, пронизывающим вторичную обмотку W2, индуцируется импульсное высокое напряжение, одновременно воздействующее на вторичную емкость С2 и реактивную нагрузку R. Ток нагрузки, благодаря отбираемому от емкости C2 электрическому заряду, вызывает существенное обострение высокого напряжения, приобретающего квазитреугольный вид с заостренной вершиной, что является недостатком прототипа, обусловленным его недостаточной широкополосностью.

Квазитреугольная форма высоковольтного импульса неудобна из-за чрезмерного ограничения его длительности - сокращения времени воздействия высокого напряжения на активную нагрузку. По существу квазитреугольная форма импульса приводит к снижению кпд преобразования энергии «трансформатором Тесла». Ситуация усугубляется использованием сосредоточенной емкости C1, передающей энергию вторичному контуру, главным образом, в начальный период времени, а не равномерно в течение всего процесса формирования высокого напряжения.

Техническим результатом, обеспечиваемым предлагаемым изобретением, является расширение широкополосности трансформаторного устройства за счет снижения индуктивности рассеяния и исключения сосредоточенных емкостных накопителей, заменяемых распределенными формирующими линиями из элементов LC.

Формирующие линии в контуре первичной обмотки позволяют трансформировать прямоугольные - квазипрямоугольные импульсы высокого напряжения такой формы, у которых протяженность плоской вершины превалирует над длительностью переднего фронта. Характерный вид квазипрямоугольного импульса на выходе трансформатора, относящегося к стыку волнового сопротивления формирующей линии с приведенным к первичному контуру сопротивления нагрузки R/n2, где Т - длительность прямоугольного импульса, τ - фронт прямоугольного импульса, t - текущее время, показан на фиг.2.

В данном случае коэффициент отражения на стыке составляет β=0,75, благодаря чему через вторичную обмотку переходит до 90% напряжения. Пунктиром на фиг.3 показан формируемый импульс, который мог бы быть, если бы сердечник трансформатора не насыщался при сильных полях в соответствии с кривой намагничивания. Соотношение между длительностью Т плоской вершины импульса и фронтом τ обусловлено числом витков W2 вторичной обмотки, как это следует из формул индуктивности рассеяния Ls и временем ненасыщения сердечника, равного Т.

Фронт прямоугольного импульса логично оценивать отношением индуктивности рассеяния к резистивной нагрузке

где Ls - индуктивность рассеяния вторичной обмотки, причем µ0=4π×10-7 Гн/м; g - геометрический фактор, м [3], но есть и другое значение, указанное в [4]; RH=U2/JR - сопротивление нагрузки, Ом; U2 - вторичное напряжение (амплитуда) импульса, В; JR - ток нагрузки.

Длительность интервала времени Т, в течение которого сохраняются плоская вершина импульса, а сердечник пребывает в ненасыщенном состоянии, имеет такой вид:

,

где S - сечение сердечника, м2; ΔВ - приращение индукции, обычно определяемое из кривой намагничивания между двумя точками насыщения, причем максимальное значение практически соответствует удвоенной индукции насыщения ΔВмакс≈2BH, достигаемого при намагничивании сердечника встречным полем.

Условие прямоугольности импульса высокого напряжения может быть сформулировано в виде неравенства, связывающего две указанные выше характеристики:

,

из которого следуют такие заключения.

Согласно (1) и (2) фронт импульса τ пропорционален квадрату числа витков вторичной обмотки, а интервал времени Т - только первой степени W2. Поэтому условие прямоугольности (3) выполняется, как правило, при достаточно малом числе витков вторичной обмотки и, соответственно, при сравнительно больших сечениях S ферромагнитного сердечника, что характерно для импульсных трансформаторов большой мощности, обладающих, соответственно, высокой широкополосностью. Мощным трансформаторам наряду с малым числом витков вторичной обмотки, как следствие, характерен низкий коэффициент трансформации (n=W2/W1), благодаря чему, во-первых, упрощаются возможности согласования импедансов обоих контуров, а, во-вторых, существенно ослабляется влияние вторичной емкости С2 в сравнении с превалирующей резистивной нагрузкой.

При этом должно выполняться необходимое условие:

,

где RH - резистивное (омическое) сопротивление нагрузки. Ом; τ - фронт прямоугольного импульса, с; C2 - емкость вторичной обмотки относительно сердечника трансформатора.

Соблюдение этого условия гарантирует передачу из первичного контура во вторичный любого импульса напряжения без искажения формы. Это относится и к прямоугольным импульсам, которые формируются линиями, состоящими из сосредоточенных элементов емкостей С0 и индуктивностей L0.

Эффективным средством понижения коэффициента трансформации является параллельное включение нескольких первичных обмоток, питаемых собственными формирующими линиями. В этом случае коэффициент трансформации (n) определяется по формуле, устанавливающей обратнопропорциональную зависимость от числа первичных обмоток (m)

,

где U1, U2 - первичное и вторичное напряжение трансформатора; m - число первичных обмоток, W1, W2 - число витков первичной и вторичной обмоток.

Технический результат достигается тем, что генератор высоковольтных импульсов напряжения, содержащий импульсный трансформатор с взаимосвязанными первичной и вторичной обмотками, коммутирующий ключ, резистивную (активную) нагрузку, содержит m параллельно соединенных формирующих линий (m≥1), состоящих из цепочек k последовательно соединенных катушек индуктивности (k≥1) и k+1 параллельно соединенных емкостных конденсаторов, причем каждая формирующая линия подсоединена своей выходной цепочкой к началу первичной обмотки, а своей входной цепочкой к источнику питания и коммутирующему ключу, второй контакт которого соединен с концом первичной обмотки, резистивная (активная) нагрузка подсоединяется ко вторичной обмотке, при этом должно выполняться соотношение (4).

На фиг.3 изображена схема генератора прямоугольных импульсов высокого напряжения на основе импульсного трансформатора, используемого в режиме бегущей волны при разряде формирующих линий на первичные обмотки. U1, U2 - первичные и вторичные напряжения, W1, W2 - число витков первичной и вторичной обмоток, К - коммутационный ключ, RH - резистивная (омическая) нагрузка. С0 - емкость отдельных звеньев формирующей линии, C2 - вторичная (паразитная) емкость трансформатора, L0 - индуктивность катушки звена формирующей линии.

Генератор высоковольтных импульсов напряжения содержит импульсный трансформатор 1 с взаимосвязанными первичной 2 и вторичной обмотками 3, вторичный (паразитный) сосредоточенный емкостной накопитель 4, резистивную (омическую) нагрузку 5; m≥1 параллельно соединенных формирующих линий 6, состоящих из цепочек k (k≥1) последовательно соединенных катушек индуктивности 7 и k+1 параллельно соединенных емкостных конденсаторов 8, причем каждая формирующая линия подсоединена своей выходной цепочкой к началу первичной обмотки 2, а своей входной цепочкой к источнику питания и коммутирующему ключу 9, второй контакт которого соединен с концом первичной обмотки 2. Резистивная (активная) нагрузка 5 подсоединяется ко вторичной обмотке 3.

Устройство работает следующим образом.

В генераторе вместо сосредоточенных первичных емкостных накопителей используются распределенные формирующие линии, состоящие из цепочек последовательно соединенных катушек индуктивности 7 и параллельно соединенных емкостных конденсаторов 8. Формирующим линиям характерны достаточно низкое волновое сопротивление (≤10 Ом) и широкополосность, допускающая прохождение импульсов с крутым фронтом (~0,1 мкс). Все формирующие линии, число которых определяется по приведенным ниже формулам, заряжаются от источника напряжения U1 и коммутируются одновременно общим ключом 9 каждая на подключенную к ней первичную обмотку 2. Начиная с этого момента времени (момента коммутации), на первичных обмотках 2 формируются прямоугольные импульсы высокого напряжения, которые передаются посредством взаимоиндукции во вторичную обмотку 3 импульсного трансформатора 1. Благодаря резистивной нагрузке 5 вторичной обмотки 3 трансформация происходит без искажения формы транзитного импульса, то есть с сохранением прямоугольности при допустимом переднем фронте. При этом прямоугольная форма импульса на нагрузке, то есть на вторичной обмотке, сохраняется неизменной, благодаря режиму бегущей волны, до момента насыщения ферромагнитного сердечника. При наступлении насыщения нарушается сильная связь между обмотками и происходит спад высокого напряжения, свидетельствующий о завершении процесса формирования прямоугольного импульса.

Источники информации

1. Heisl W. Tesla-transformatoren fur hohe spanhugen // AEG-Mitteilung 1962. Bd 52, N-Z, 8 H 354-361.

2. К.А.Желтов. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители, М.: Энергоатомиздат, 1991 г., стр.62, рис.3.1.

3 К.А.Желтов. Пикосекундная субмегавольтная техника. М. 2007, Институт стратегической стабильности, стр.146, 151.

4 Под ред. Л.А.Меяровича. Магнитные генераторы импульсов, «Сов. радио», Москва, 1968 г., стр.83.

Генератор высоковольтных импульсов напряжения, содержащий импульсный трансформатор с взаимосвязанными первичной и вторичной обмотками, коммутирующий ключ, резистивную (активная) нагрузку, отличающийся тем, что он содержит m параллельно соединенных формирующих линий (m≥1), состоящих из цепочек k последовательно соединенных катушек индуктивности (k≥1) и k+1 параллельно соединенных емкостных конденсаторов, причем каждая формирующая линия подсоединена своей выходной цепочкой к началу первичной обмотки, а своей входной цепочкой к источнику питания и коммутирующему ключу, второй контакт которого соединен с концом первичной обмотки, резистивная (активная) нагрузка подсоединяется ко вторичной обмотке, при этом должно выполняться соотношение
τ/С2>>RH,
где τ - длительности фронта прямоугольного выходного импульса, С2 - паразитная емкость вторичной обмотки, RH - сопротивление резистивной нагрузки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано для интенсификации технологических процессов обработки металлов за счет воздействия мощных токовых импульсов.

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к устройствам, работающим на повышенной частоте и предназначенным для возбуждения лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов, в частности лазеров на парах меди, а также для питания озонаторов, электрофильтров и других нелинейных импульсных нагрузок.

Изобретение относится к области аналого-цифровой вычислительной техники и может быть использовано для настройки и поверки приборов измерения мощности и реактивности ядерных реакторов и оперативной проверки их работоспособности.

Изобретение относится к импульсной и вычислительной технике и может использоваться при построении самосинхронных триггерных, регистровых и вычислительных устройств, систем цифровой обработки информации.

Изобретение относится к импульсной и вычислительной технике, является базовым элементом цифровой техники и может использоваться при построении самосинхронных триггерных, регистровых и других вычислительных устройств, систем цифровой обработки информации.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может использоваться в стандартах частоты и времени, системах единого времени и другой время-частотной аппаратуре.

Изобретение относится к импульсной и вычислительной технике и может использоваться при построении самосинхронных триггерных, регистровых и вычислительных устройств, систем цифровой обработки информации.

Изобретение относится к импульсной и вычислительной технике и может использоваться при построении самосинхронных триггерных, регистровых и вычислительных устройств, систем цифровой обработки информации.

Изобретение относится к импульсной и вычислительной технике и может использоваться при построении самосинхронных триггерных, регистровых и вычислительных устройств, систем цифровой обработки информации.

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в электроразрядных технологиях, таких как дезинтеграция горных пород, снятия поверхностного слоя железобетонных конструкций, дробления мелкодисперсных частиц в растворах и т.п

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрофизических установках с высоковольтными емкостными накопителями энергии

Изобретение относится к импульсной и вычислительной технике и может использоваться при построении самосинхронных триггерных, регистровых и вычислительных устройств

Изобретение относится к вычислительной технике, информационно-измерительной радиотехнике и может быть использовано в качестве источника подкачки энтропии в систему генерирования случайных чисел для различных устройств информационной безопасности

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в радиолокационных станциях для питания СВЧ-генераторов передатчиков, для питания мощных лазеров, ускорителей заряженных частиц, а также устройств дезинфекции жидких пищевых продуктов и т.п

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах электроснабжения стационарных и мобильных потребителей электроэнергии

Изобретение относится к контактному и дистанционному оружию с электрическим средством поражения цели (электрошокерам), а также к технике получения электрических импульсов высокого напряжения при большой силе тока, например, в устройствах электрогидравлического разряда, устройствах электротермического метания, в других устройствах, где необходим электрический разряд с большим пробивным расстоянием в газах и материалах при большой силе тока в цепи

Изобретение относится к устройствам получения озона в электрическом разряде и может быть использовано для создания генераторов озона

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводах постоянного тока с обратной связью по скорости

Изобретение относится к преобразовательной технике
Наверх