Генератор импульсных напряжений



Генератор импульсных напряжений
Генератор импульсных напряжений
Генератор импульсных напряжений
Генератор импульсных напряжений

 

H03K3 - 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 2403676:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) (RU)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрофизических установках с высоковольтными емкостными накопителями энергии. В генератор импульсных напряжений, содержащий зарядное устройство и последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку, между накопительным конденсатором и коммутатором введен тиристорный регулятор напряжения, содержащий звенья, каждое из которых включает в себя тиристор, дополнительный накопительный конденсатор и диоды, а также дополнительное зарядное устройство. Введение тиристорного регулятора напряжения позволяет значительно уменьшить величины емкости и энергии накопительного конденсатора, а также его массу и габариты при заданной величине пульсаций выходного напряжения на вершине импульса. Кроме того, снижение энергоемкости накопительного конденсатора уменьшает негативные последствия аварийных режимов полного разряда накопительного конденсатора на нагрузку. 2 ил.

 

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

Известен генератор импульсных напряжений [1], содержащий ряд накопительных конденсаторов, тиристорных коммутаторов, токоограничивающих дросселей, вспомогательный генератор импульсов и активную нагрузку.

Недостатком известного устройства является сложность силовой схемы, увеличенные его масса и габариты.

В качестве прототипа выбран известный генератор импульсных напряжений [2], содержащий последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор и активную нагрузку.

Общим недостатком известных устройств является значительная энергоемкость накопительного конденсатора, его масса и габариты при формировании в активной нагрузке прямоугольных импульсов из-за снижения напряжения в силовом контуре, подводимого к активной нагрузке, в процессе разряда накопительного конденсатора.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения энергоемкости, массы и габаритов накопительных конденсаторов генераторов импульсных напряжений.

Технический результат от использования изобретения состоит в постепенном увеличении напряжения в силовом контуре и поддержании величины тока и напряжения в активной нагрузке в пределах заданной нестабильности.

Указанный технический результат достигается с помощью генератора импульсных напряжений, содержащего зарядное устройство и последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку и тиристорный регулятор напряжения, включенный между накопительным конденсатором и коммутатором, содержащий N последовательно соединенных звеньев, каждое из которых содержит тиристор, к катоду которого присоединена отрицательная обкладка дополнительного накопительного конденсатора, а положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора присоединена аноду тиристора смежного звена, причем анод тиристора первого звена подключен к положительному выводу дополнительного зарядного устройства, а катод тиристора последнего звена присоединен к отрицательному выводу дополнительного зарядного устройства, а анод тиристора и положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора каждого звена соединены диодом, анод которого присоединен к аноду тиристора, катоды тиристоров смежных звеньев также соединены диодами, причем аноды диодов присоединены к электродам тиристоров предыдущих, а катоды к электродам тиристоров последующих звеньев, считая от точки подключения положительного вывода дополнительного зарядного устройства.

Введение тиристорного регулятора, включенного последовательно с накопительным конденсатором и нагрузкой, позволяет поддерживать величину тока и напряжения нагрузки в пределах заданной нестабильности путем постепенного увеличения его напряжения при разряде накопительного конденсатора на интервале формирования импульса. Это дает возможность, по сравнению с прототипом, уменьшить энергоемкость, массу и габариты накопительного конденсатора при заданной нестабильности вершины импульсов выходного напряжения.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема генератора импульсных напряжений, где 1 - зарядное устройство, 2 - накопительный конденсатор, 3 - транзисторный высоковольтный коммутатор, 4 - активная нагрузка, 5 - тиристорный регулятор с числом звеньев N=4, 6, 7, 8, 9 - тиристоры регулятора, 10, 11, 12, 13 - дополнительные накопительные конденсаторы, 14 - дополнительное зарядное устройство, 15, 16, 17, 18,19, 20, 21 - диоды звеньев тиристорного регулятора.

На фиг.2 приведены диаграммы работы генератора импульсных напряжений. На диаграммах буквами обозначены: а - ток нагрузки 4; б - напряжение нагрузки 4; в - сигнал управления транзисторным высоковольтным коммутатором 3; г, д, е, ж - сигналы управления 6, 7, 8, 9 тиристорами регулятора 5 соответственно.

Устройство содержит зарядное устройство 1 и последовательно соединенные накопительный конденсатор 2, транзисторный высоковольтный коммутатор 3 и активную нагрузку 4. Между положительной обкладкой накопительного конденсатора 2 и транзисторным высоковольтным коммутатором 3 включен тиристорный регулятор напряжения 5, содержащий N=4 последовательно соединенных звеньев, каждое из которых содержит тиристор 6, 7, 8, 9, к катоду которого присоединена отрицательная обкладка дополнительного накопительного конденсатора 10, 11, 12, 13, а положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора присоединена аноду тиристора смежного звена, причем анод тиристора 6 первого звена подключен к положительному выводу дополнительного зарядного устройства 14, а катод тиристора 9 последнего звена присоединен к отрицательному выводу дополнительного зарядного устройства 14, а анод тиристора и положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора каждого звена соединены диодом 15, 16, 17, 18, анод которого присоединен к аноду тиристора. Катоды тиристоров смежных звеньев соединены диодами 19, 20, 21, причем аноды диодов присоединены к электродам тиристоров предыдущих, а катоды к электродам тиристоров последующих звеньев, считая от точки подключения положительного вывода дополнительного зарядного устройства 14.

Принцип работы предлагаемого устройства поясняется диаграммами, приведенными на фиг.2, и заключается в следующем.

На интервале формирования импульса напряжения в нагрузке в работе устройства можно выделить N+1 интервалов непрерывности, соответствующих включенному состоянию транзисторного коммутатора 3 и тиристоров 6, 7, 8, 9.

После зарядки накопительного конденсатора 2 от зарядного устройства 1 до заданного начального уровня напряжения U01 и дополнительных накопительных конденсаторов 10, 11, 12, 13 до заданного начального уровня напряжения U02 от дополнительного зарядного устройства 14 через открытые диоды 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 тиристорного регулятора 5, система управления отпирает транзисторный коммутатор 3 и далее поочередно с заданной временной задержкой включает тиристоры 6, 7, 8, 9.

На первом интервале тиристоры 6, 7, 8, 9 заперты и накопительный конденсатор 2 разряжается на нагрузку 4 через последовательно соединенные диоды 15, 16, 17, 18. На втором и последующих интервалах при поочередном отпирании тиристоров 6, 7, 8, 9 к диодам 15, 16, 17, 18 прикладывается обратное напряжение конденсаторов 10, 11, 12, 13, вызывая их запирание. При этом последовательно с накопительным конденсатором 2 поочередно подключаются: дополнительный накопительный конденсатор 10, затем последовательно соединенные дополнительные накопительные конденсаторы 10, 11, затем последовательно соединенные конденсаторы 10, 11, 12, затем последовательно соединенные конденсаторы 10, 11, 12, 13. В результате, при снижающемся при разряде напряжении накопительного конденсатора 2, напряжение тиристорного регулятора 5 увеличивается за счет увеличения числа последовательно соединяемых дополнительных накопительных конденсаторов, что компенсирует снижение напряжения накопительного конденсатора 2, а также изменение напряжения и тока в нагрузке. При этом кривые тока и напряжения нагрузки изменяются между максимальными и минимальными значениями и имеют вид, представленный кривыми а, б на фиг.2.

На произвольном j-м интервале работы генератора, когда происходит разрядка дополнительных накопительных конденсаторов 1-го, 2-го, 3-го,…j-1-го звеньев регулятора 5, напряжение k-го дополнительного накопительного конденсатора (j>k) при малых пульсациях тока нагрузки i=I=const определяется из формулы

Напряжение накопительного конденсатора 2 при тех же условиях определяется из формулы

В формулах (1) и (2) τ1, τ2, τ3,… τj-1 - длительности соответствующих интервалов работы генератора; U01, U02 - начальные значения напряжений накопительного конденсатора 2 и дополнительных накопительных конденсаторов 10, 11, 12, 13 соответственно, предшествующие началу формирования импульса в нагрузке.

Напряжения k-го дополнительного накопительного конденсатора в начале и конце j-го интервала формирования импульса в нагрузке будут иметь значения

Напряжения накопительного конденсатора 2 в начале и конце j-го интервала формирования импульса в нагрузке будут иметь значения

Напряжение на нагрузке uнj, на j-м интервале равно сумме напряжений накопительного конденсатора 2 и напряжений (j-1) дополнительных накопительных конденсаторов тиристорного регулятора 5 и в общем случае определяется из формулы

Напряжение на нагрузке в начале j-го интервала в соответствии с (3), (5) и (7) будет

Аналогично из выражений (4), (6) и (8) определяется напряжение на нагрузке в конце j-го интервала

Из формул (8) и (9) находим выражение снижения напряжения на нагрузке на j-м интервале формирования импульса напряжения в нагрузке 4, обусловленное разрядом конденсаторов силового контура на нагрузку

В начале очередного (j+1)-го интервала формирования импульса напряжения за счет включения очередного дополнительного накопительного конденсатора напряжение на нагрузке скачком возрастает на величину, равную напряжению U02

При постоянной величине пульсаций напряжения нагрузки в процессе формирования импульса выполняется равенство

а длительность произвольного у-го интервала в соответствии с выражением (10) будет

где - относительная величина пульсации напряжения нагрузки и относительная величина начального напряжения дополнительных накопительных конденсаторов соответственно; - среднее значение напряжения нагрузки на интервале и периоде формирования импульса; - относительная величина емкости накопительного конденсатора 2.

Задержка отпирания k-го тиристора регулятора 5 относительно момента начала формирования выходного импульса с учетом выражения (13) определяется из формулы

где k=1…N.

Длительность формируемого импульса равна

В известном генераторе импульсных напряжений, содержащем только один накопительный конденсатор, как следует из выражения (15), длительность формируемого импульса будет

где C0 - величина емкости накопительного конденсатора известного устройства.

Из выражений (15) и (16) определяем соотношение между емкостями накопительных конденсаторов известного и предлагаемого генератора при формировании импульса с одинаковыми параметрами и при одном и том же сопротивлении нагрузки

При выполнении условия (если выбрать ) выражение (17) после преобразований примет вид

При формировании импульса в нагрузке напряжения дополнительных накопительных конденсаторов снижаются, причем наибольшее снижение имеет место в конденсаторе 1-го звена, который разряжается на протяжении интервала времени, равного (Tи - τ1). Величина этого снижения ΔUдк при сделанных ранее допущениях определяется из равенства

Решая совместно (12), (13), (15) и (19), получаем выражение для определения относительной величины емкости накопительного конденсатора 2

где - относительная величина пульсации напряжения дополнительных накопительных конденсаторов.

При условии выражение (20) преобразуется к виду

Энергоемкость накопительного конденсатора известного устройства с учетом (12) равна

Суммарная энергоемкость накопительного конденсатора 2 и дополнительных накопительных конденсаторов предлагаемого генератора импульсных напряжений с учетом выражений (12), (21) и (22) будет равна

Из выражений (21…23) находим соотношение энергоемкостей накопительных конденсаторов предлагаемого и известного устройств

Из формул (18) и (24) следует, что в предлагаемом устройстве, например, при значениях и N=10 требуемое значение емкости накопительного конденсатора равно С1≈0,091C0 при формировании импульса с одинаковыми параметрами (длительность, среднее значение, величина пульсаций выходного напряжения на вершине импульса) и одном и том же сопротивлении нагрузки. При этом суммарная энергоемкость накопительного конденсатора и дополнительных накопительных конденсаторов будет равна WΣ≈0,1·WC0.

Из приведенного описания и выражений для расчета следует, что применение предлагаемого устройства позволяет значительно уменьшить величину емкости и энергии, накопительного конденсатора, снизить его массу и габариты при заданной величине пульсаций выходного напряжения на вершине импульса. Кроме того, уменьшение энергоемкости накопительного конденсатора в предлагаемом устройстве позволяет уменьшить негативные последствия аварийных режимов, связанных с полным разрядом накопительного конденсатора на нагрузку при выходе из строя высоковольтного транзисторного ключа.

Источники информации

1. А.с. 1003310 СССР, Н03К 3/53, Генератор высоковольтных импульсов. / Кириенко В.П., Ваняев В.В. // Опубл. 07.03.83.

2. M.P.J.Gaudreau, J.A.Casey, T.P.Hawkey, J.M.Mulvaney, M.A.Kempkes, P.Ver Planck. Solid state modulator application in linear accelerators // Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999, p.1491-1493.

Генератор импульсных напряжений, содержащий зарядное устройство и последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку, отличающийся тем, что между накопительным конденсатором и коммутатором включен тиристорный регулятор напряжения, содержащий последовательно соединенные звенья, каждое из которых содержит тиристор, к катоду которого присоединена отрицательная обкладка дополнительного накопительного конденсатора, а положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора присоединена к аноду тиристора смежного звена, причем анод тиристора первого звена подключен к положительному выводу дополнительного зарядного устройства, а катод тиристора последнего звена присоединен к отрицательному выводу дополнительного зарядного устройства, а анод тиристора и положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора каждого звена соединены диодом, анод которого присоединен к аноду тиристора, катоды тиристоров смежных звеньев также соединены диодами, причем аноды диодов присоединены к электродам тиристоров предыдущих, а катоды - к электродам тиристоров последующих звеньев, считая от точки подключения положительного вывода дополнительного зарядного устройства.



 

Похожие патенты:

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

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

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

Изобретение относится к устройствам генерирования прямоугольных импульсов и может быть использовано в области импульсной электротехники для запуска управляемых разрядников

Изобретение относится к импульсной технике и может использоваться в вычислительной технике при моделировании случайных процессов, тестировании каналов связи и аппаратуры
Наверх