Генератор мощных импульсов тока

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

<и 884092 (6! ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 26.03.80(2l ) 2897995/18-21 с присоединением заявки РЙ (23) Приоритет

Опубликовано 23.1 ).81. Бюллетень Рй 43 (5 I ) М. Кд.

Н 03 К 3/53

Гпсудврствсммый каимтет по пепаи мзобретеммй и открытий (53) УД3(821 . 373(088.8) Дата опубликования описания 25. 11.81 (72) Авторы изобретения

В. А. Кузнецов, В, Е, Громов и B. П (7! ) Заявитель

Сибирский металлургический институ (54) ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для исследования электропластического эффекта в области физики металлов и металл ведения и его применения в обработке

5 металлов давлением.

Известны генераторы импульсов, принцип действия которых основан на периодическом разряде предварительно заряженного конденсатора через индуктивность.

Для подключения заряженного конденсатора к нагрузке используется включающее уст ройство, например, тиратрон, разрядник, тиристор и т.д. (1) .

Наиболее близким по технической суш15 ности к изобретению является генератор мощных импульсов, имеющий зарядное устройство, конденсатор, подключенный к зарядному устройству, включающее устройство и нагрузку, включенные последовательно с конденсатором, систему управления включающим устройством. В качестве включающего устройства применен тиристор, имеющий значительны преимушества перед ключами другого типа: малые габариты и вес, механическая прочность, несложное устройство управления, незначительная мощность управления тнристором и т.д. (2)

Однако при использовании в качестве ключа только одного тиристора не удается получить в нагрузке с сопротивлением

10 Ом импульс значительной мощности (порядка 200 кВт), который необходим для исследований электропластического эффекта.

Бель изобретения — увеличение мощности импульсов генератора.

Указанная цель достигается тем, что в схему генератора импульсов тока, содержащую зарядное устройство, конденсатор, подключенный к зарядному устройству через коммутирующее устройство, включающее устройство, нагрузку, coerce«« ненную последовательно с конденсатором.

Включаюшее устройство выполнено в виде g параллельно соединенных тиристоров, с катодами которых соединена на884092 грузка. Параллельно с тиристорами включены уравнительные дроссепи с первичными, вторичными и вспомогательными обмотками, дополнительно вве цены блок зашиты, содержащий И элементов памяти, подключенных через И поорговых .элементов ко вспомогательным обмоткам уравнительных просселей включающего устройства, у индикиторов об исчезновении тока в ветви, соединенных с выходами И элементов памяти, логическое суммирующее устройство, импульсный усилитель с трансформаторным выходом, запоминающий элемент, транзисторный ключ, усилитель, элемент памяти о коротком замыкании, репейный элемент, индикатор о коротком замык анни, последовательно соединенные делитель напряжения, потенциальный разделитель, пороговое устройство и элемент

Г выдержки времени. При этом выходы элементов памяти подключены к И входам логического суммирующего устройства, выход которого соединен со входами импульсного уипителя и усилителя, выход импульсного усилителя соединен с запоминак шим эжментом, выход которого попключен к входу транзисторного ключа, выход усили теля соединен с одним из входов релейного элемента, другой вход которого подсоединен к выходу элемента памяти о коротком замыкании, а выход релейного элемента подключен ко входу коммутирующего устройства, вход делителя напряжения присоединен к конденсатору, индикатор о коротком замыкании соединен с выходом элемента памяти о коротком замыкании, вход которого подключен к выходу элемен-. та выдержки времени.

На чертеже представлена схема пред- лагаемого генератора мощных импульсов. 4О

Генератор содержит зарядное устройство 1, конденсатор 2, подключенный к зарядному устройству 1 через коммутирующее устройство 3, включающее yew» ройство 4, нагрузку 5, включенную последовательно с конденсатором 2, генератор 6 управляющих импульсов, усилитель

7 мощности импульсов и блок защиты 8, соединенный с включающим устройством

4, усилителем мощности 7 и коммутиру- 50 ющим устройством 3.

Блок зашиты 8 содержит И элементов памяти 9, И индикаторов об исчезновении тока в ветви 10, логическое суммирующее устройство 11, импульсный усилитель 55

12 с трансформаторным выходом, запоминающий элемент 13, транзисторный ключ 14, усилитель 15, элемент памяти

16 о коротком замыкании, репейный элемент 17, индикатор 18 короткого замыкания, последовательно соединенные делитель напряжения 19, потенциальный разделитель 20, пороговое устройство 21, элемент выдержки времени 22.

Включающее устройство 4 выполнено в виде параллельных ветвей, в каждую из которых включен тиристор 23 и уравнительный дроссель, соаержаший три обмотки: первичную 24, вторичную 25 и вспомогательную 26. Отличительной особенностью применяемых дросселей является наличие вспомогательных обмоток

26, необходимых для действия зашиты от исчезновения тока в параллельной ветви силового тиристора включающего устройства 4, и наличие воздушного зазора в сердечнике, что позволяет снизить динамические потери, а также потери от гистерезиса и вихревых токов.

Входы И элементов памяти 9 подключены через И пороговых эжментов 27 и тиристора 23 к вспомогательным обмотким уравнительных дроссепей включающего устройства 4, Ко входам И логических суммирующих устройств 14 подключены выходы И элементов памяти 9, а выходы лбгических суммирующих устройств 11 соединены с входом импульсного усилителя 12, выход которого связан с запоминающим элементом 13. Выход запоминающего элемента 13 подключен к входу транзисторного ключа 14, Вход усилителя 15 соединен с выходом суммирующего устройства 11, а выход усилителя связан с одним из входов релейного элемента 17, на второй вход которого подключен элемент памяти 16, а выход соединен с входом коммутирующего устройства 3. Индикатор 18 подключен к выходу элемента памяти 16, И . индикаторов об исчезновении тока в ветви 10 соединены с выхс дами элементов памяти 9. Вход делителя напряжения 19 соединен с конденсатором

2, а выход элемента выдержки времени

22 - с входом индикатора 18.

Генератор работает следующим образом.

Тиристоры 23 включающего устройства

4 открываются управляющими импульсами, вырабатываемыми генератором 6 управляющих импульсов и усиленными усилителем мощности 7. Предварительно заряженный конденсатор 2 начинает разряжаться через низкоомное активное сопротивление и эквиважнтную индуктив ность нагрузки 5, состоящую из собственной индуктивности конденсатора 2, 884092 индуктивности уравнительных дросселей включающего устройства 4 и индуктивности нагрузки 5. Известно, что разряд емкости на индуктивность носит колебательный характер, но при использовании 3 в качестве включающего устройства тиристоров через нагрузку пройдет только положительный импульс тока, так как в процессе перезарядки конденсатора 2 происходит выключение тиристоров 23 включающего устройства 4 при подаче на них напряжения отрицательной полярностии.

В промежутках между импульсами тока конденсатор 2 заряжается от зарядного устройства 1. Подобрать тиристоры с одинаковым падением напряжения и временем включения практически невозможно, поэтому в схему введены уравнительные дроссели включаюшего устройства 4, Если 2р токи, проходящие. через обмотки уравнительных дросселей включаюшего устройства 4 одинаковы, т.е. одинаковы токи в параллельных ветвях, то ни в одной из обмоток дополнительной ЭДС не возника- гз ет. Если же токи в ветвях не равны, то в обмотках уравнительного дросселя включаюшего устройства 4 возникают ЭДС разной полярности: в ветви с наименьшим током ЭДС обмотки складываются с на- 3Q пряжением конденсатора 2, а в ветви с большим током - вычитаются. Таким образом, выравниваются токи в параллельных ветвях.

Блок зашиты 8 выполняет такие функ-. ции: отключение зарядного устройства 1 от конденсатора 2 коммутирующим устройством 3 и снятие управляпоших импульсов с тиристоров 23 включаюшего устройства 4 при исчезновении или значительном снижении тока через один или несколько тиристоров; отключение зарядного устройства 1 от конденсатора 2 коммутируюшим устройством 3 при коротком замыкании в силовой цепи (сгорание одного или нескольких тиристоров 23 включаюшего устройства 4); сигнализация о вышеперечисленных аварийных режимах.

При исчезновении или значительном снижении тока через любой из тиристоров

23 в соответствуюшей вспомогательной обмотке уравнительных дросселей включаюшего устройства 4 наводится ЭДС, значительно перевышаюшая ЭДС, наводимую в той же обмотке в HopMBJlbHoM рабочем режиме. При этом на выходе од55 ного из h пороговых элементов 27 блока защиты 8 появляется логическая "1", которая запоминается соответствуюшим элементом памяти 9. При исчезновении или недопустимом снижении тока через несколько тиристоров 23, логическая 1 появится на соответствуюших выходах элементов памяти 9 блока зашиты З. При этом на выходе логического суммирующего устройства 11 также появится логическая 1 . В момент изменения потенциала на выходе логического суммируюшего устройства 11, импульсный усилитель 12 с трансформаторным выхоаом формирует импульс, который поступает на запоминаюший элемент 13. Импульсный трансформатор в усилителе 12 необходим для потенциального разделения блока защиты

8 от цепей управления тиристорами 23;

Запоминаюший элемент 13 воздействует на транзисторный ключ 14 так, что ключ закрывается, и импульсы от генератора

6 управляюших импульсов к усилителю мощности 7 блокируются. С выхода логического суммируюшего устройства 11 логическая единица поступает также и на релейный элемент 17 через усилитель 15, Сигнал с выхода релейного элемента 17 поступает на вход коммутирующего устройства 3, которое отключает конденсатор 2 от зарядного устройства 1.

Таким образом, при исчезновении тока в одной или нескольких параллельных веьвях тиристоров23 включающего устройства 4 происходит с одной стороны блокировка управляюших импульсов от генератора 6 к усилителю мошности 7, а с другой стороны — отключение конденсатора

2 от зарядного устройства 1. При появлении на любом из И элементов памяти 9 логической единицы включается соответ» ствуюший индикатор об исчезновении тока в ветви 10, сигнализируя, в какой именно ветви включаюшегб устройства 4 исчез или недопустимо снизился ток, что позво ляет быстро найти и устранить непсправ ности в силовой цепи.

При коротком замыкании в силовой цепи (сгорание тиристора 23 включающего устройства 4) напряжение на конденсаторе 2 будет близко к нулю, а в нормальном рабочем режиме среднее за период значение напряжения на конденсаторе всегда больше О. На этом принципе основана зашита от короткого замыкания, которая действует следующим образом.

При снижении напряжения на конденсаторе до 0 (замыкание в силовой цепи) на выходе порогового устройства 21, появляется логическая единица, которая запоминается элементом памяти 16. С выхоан элемента памяти 16 сигнал поступает

884092

lHB релейный эгмонт 17, последний, срабатывая, возцействует на коммутирующее устройство 3, которос отключает конденсатор 2 от зарядного устройства 1, Индикатор 13 сигнализирует о неисправ5 ности в генераторе 6. Делитель,напряжения 19 необходим для согласования напряжения HB KDHlKHcBTopo 2 с допустимым по условиям эксплуатации напряженнем на входе порогового устройства 2 1. Потен- >0 циальный разделитель 20 служит для потенциал.ного разделения силовых цепей и цепей блока защиты 8. Элемент выдержки времени 22 исключает ложное срабатывание защиты при переходе напряжения >5 на конденсаторе через 0 в процессе его перезаряда при прохождении импульса т ка через нагрузку 5.

Для подготовки генератора 6 к повторному включению после устранения неис- tO правности, необходимо на короткое время обеспечить цепи питания всех элементов памяти. При этом на выходах всех элементов появляются логические нули, Без блока защиты надежность устройства рез- 25 ко снижается, имеет место выход из строя

1 значительного числа элементов (в частности, тиристоров 23), обнаружение и устранение неисправности требует значительных затрат и времени, кроме того, зо оператор не может фиксировать исчезновение или значительное снижение тока в ветви тиристора 23, поэтому генератор 6 может длительное время работать с неисправностью во включающем устройстве

4„Так как в нормальном режиме тиристоры включающего устройства 4 значительно загружены (восьмикратная рабочая перегрузка), ro неконтролируемый выход из строя одного тиристора приводит к недопустимой перегрузке остальных тиристо--ров, следствием чего явился бы выход из строя одного или нескольких из оставшихся тиристоров. Невозможность коитроля состояния тиристора приводила бгя к большим затратам труда для регулярных проверок, исправности тиристорного включающего устройства. Предохранители, используемые обычно для отключений при перегрузке тиристоров, не нашли в этой схеме применения из-за широкого диапазона частот воспроизведения импульсов, амплитуды и длительности импульса.

Защита от короткого замыкания позво. ляет быстрее отключать зарядное устрой- 55 ство от конденсаторов, чем если бы сработала тепловая зашита вводного автомата. Время отключения зашиты от короткого

8 замыкания 300 мс. Быстродействующая ( защита оч;нь эффективна при выходе из стр оя блок а ти рис торов вк люч ающе го устройства (нацример, при исчезновении управляющего импульса на нескольких ( тиристорах). В этом случае с момента поступления сигнала о выходе тиристора из строя и до отключения зарядного устройства от силовых конденсаторов через включающее устройство прошло бы в самом благоприятном случае не менее 200 импульсов из-за инерционности релейного элемента и комутационного устройства, что приведо бы к выходу из строя значительной части тиристоров включающего устройства. Сохранение информации об аварийном режиме после отключения генератора позволяет быстро найти и устранить неисправность, Устройство позволяет повысить мощность генератора импульсов за счет введения И параллельно соединенных тиристоров во включающее устройство. Равномерная загрузка тиристоров по току обеспечивается уравнительными дросселями, а защита генератора от аварийных режимов и сигнализации — блоком зашиты.

Формула изобретения

Генератор мощных импульсов тока, содержащий зарядное устройство, конденсатор, подключенный к зарядному устройству через коммутирующее устройство, включающее устройство, нагрузку, соединенную последовательно с конденсатором, от личаюшийс ятем, что, с целью увеличения мощности импульсов генератора, включающее устройство выполнено в виде И параллельно соединенных тиристоров, с катодами которых соединена нагрузка, параллельно с тиристорами включены уравнительные дроссели с первичными, вторичными и вспомогательными обмотками, и дополнительно введен блок защиты, содержащий ц элементов памяти, подключенных через И пороговых. элементов ко вспомогательным обмоткам уравнительных цросселей включающего устройства, И инцикаторов об исчезновении тока в ветви, соединенных с выходами g элементов памяти, логическое суммирующее устройство, импульсный усилитель с трансформаторным выходом, запоминающий элемент, транзисторный ключ, усилитель, элемент памяти о коротком замыкании, репейный о Источники информаиии, принятые во внимание при экспертизе

1. Фрюнкель ф. Импульсная техника. . М., "Знергия, 1965, с. 98-115.

2. Приборы и техника эксперимента, 1В 1968, ¹ 1, с. 6, рис. 1.

9 884092 1О элемент, индикатор о коротком замыка- памяти о коротком замыкании, а выход нии, последовательно соединенные дели релейного элемента подключен ко входу тель напряжения, потенциальный раздели- коммутирующего устройства, вход целитель, пороговое устройство и элемент вы- теля напряжения присоединен к кондендержки времени, при этом выходы эле- g сатору, индикатор о коротком замыкании ментов памяти подключены к yl входам соединен с выходом элемента памяти о логического суммирующего устройства, коротком замыкании, вход которого подвыход которого соединен со входами им- ключен к выходу элемента выдержки врепульсного усилителя и усилителя, выход мени. импульсного усилителя соединен с запоминающим элементом, выход которого подключен к входу транзисторного ключа, выход усилителя соединен с одним из входов релейного элемента, другой вход которого подсоединен к выходу элемента