RU2003219C1 - Магнитный импульсный генератор - Google Patents

Description

Предлагаемое изобретение относитс  к наносекундной импульсной технике и предназначено дл  зар дки формирующих линий ускорителей, а также дл  возбуждени  импульсно-периодических газовых лазеров и других устройств с нелинейными характеристиками .

Известны генераторы мощных высоковольтных наносекундных импульсов на основе магнитных звеньев сжати , емкости которых выполн ютс  из блоков стандартных конденсаторов. Например, генератор дл  возбуждени  мощных импульсно-периодических газовых лазеров формирует на емкостной нагрузке импульсы амплитудной 20 кВ, длительностью фронта 300 не, следующие с частотой 3000 Гц. Получение импульсов с более короткими фронтами в дес тки наносекунд ограничено из-за большой паразитной индуктивности звеньев генератора , складывающейс  в основном из индуктивности монтажа конденсаторных блоков и существенной собственной индуктивности конденсаторов. Вследствие этого КПД таких генераторов не превышает 50+60%.

При формировании на нагрузке однопо- л рных импульсов напр жени  к началу каждого последующего импульса все ферромагнитные сердечники генератора должны быть возвращены в исходное магнитное состо ние в области их отрицательного насыщени .

Известны генераторы наносекундных импульсов на основе магнитных звеньев сжати , в которых предварительное размагничивание ферромагнитных сердечников звеньев осуществл етс  с помощью дополнительных обмоток размагничивани , уложенных на сердечниках и запитываемых последовательно от одного или параллельно от нескольких источников тока.

Недостатком таких генераторов  вл етс  их сложность и снижение надежности из-за большого количества дополнительных обмоток и источников питаний.

Известны также генераторы, в которых предварительное размагничивание ферромагнитных сердечников звеньев сжати  осуществл етс  через основные рабочие обмотки этих сердечников током зар да емкости входного звена генератора от импульсного источника питани . Однако применение таких генераторов ограничено, так как этот ток зар да замыкаетс  также через нагрузку. В случае нагрузки с  рко выраженной нелинейной характеристикой, какой, например,  вл етс  электродна  система газового лазера, применение таких генераторов без использовани  специальных дополнительных цепей, шунтирующих нагрузку, невозможно.

Наиболее близким из известных технических решений к данному предложению

 вл етс  магнитный импульсный генератор, содержащий импульсный источник питани , входное звено, состо щее из зар дной LC- цепи, коммутатора, звень  сжати , включающие дроссели насыщени , выполненные в

виде тороидальных ферромагнитных сердечников , охваченных витками намагничивани , к которым подключены конденсаторы. Генератор содержит также размагничивающую систему с источником

тока. Выходное звено генератора подключаетс  к нагрузке.

К виткам намагничивани  первого звена сжати  через входное LC-звено подключаетс  импульсный источник питани  и один

вывод системы размагничивани , расположенной по внутренней поверхности дросселей насыщени  и вторым свободным выводом подключенной к источнику тока. Особенностью генератора  вл етс  то,

что в нем вместо стандартных используютс  специальные полосковые конденсаторы. При этом обкладки конденсаторов каждого звена сжати  выполнены по ширине равными высоте набора сердечников дросселей

насыщени , разделены на частей и уложены по спирали Архимеда поверх дросселей. В свою очередь обмотки дросселей насыщени  разделены на 2л витков, кроме обмотки дроссел  выходного звена, выполненной в

виде сплошного витка. К внешним выводам витков подключены потенциальные обкладки конденсаторов, а другие обкладки, заземленные , соединены с корпусом. Выводами, расположенными на внутренней

поверхности дросселей, обмотки соединены между собой. При этом конструктивно все ступени сжати  помещены в общем цилиндрическом корпусе.

При таком выполнении генератора в процессе работы обкладки конденсатора с витками намагничивани  образуют коаксиальную или симметричную полоскрвую линию , котора  подключаетс  к нагрузке. Это

позвол ет исключить согласующие передающие линии, снизить до минимума паразитную индуктивность монтажа, а также за счет существенного уменьшени  собственной индуктивности конденсаторов улучшить соотношение индуктивностей витков дросселей насыщени  ступеней сжати  и индуктивностей конденсаторов. Следствием этого  вл етс  увеличение КПД генератора и возможность формировани  на нагрузке наносекундных импульсов с крутыми фронтами, пор дка нескольких дес тков наносекунд.

Недостатками этого устройства  вл ютс : во-первых, сложность получени  в нагрузке мощных высоковольтных импульсов с амплитудой пор дка 100 кВ и более, поскольку все основные элементы генератора от импульсного источника питани  до выходного звена сжати  должны быть выполнены практически на полное напр жение нагрузки, во-вторых, осуществление размагничивани  всех ферромагнитных сердечников ступеней сжати  общим витком, проход щим через центральную часть корпуса и запитываем от низковольтного источника , существенно усложн ет конструкцию генератора и затрудн ет согласование выходного звена-сжати  с нагрузкой, поскольку между ними нарушаетс  однородность коаксиального высоковольтного перехода, который должен быть весьма малоиндуктивным .

Все это существенно уменьшает надежность генератора и ограничивает возможность его применени .

Целью изобретени   вл етс  повышение надежности работы генератора и обеспечение возможности его работы на нелинейную нагрузку, а также упрощение его конструкции и эксплуатации.

Эта цель достигаетс  тем, что в предлагаемом магнитном импульсном генераторе, как и в прототипе, содержащем импульсный источник питани , включающий емкостной накопитель энергии, коммутатор и повышающий импульсный трансформатор входное звено, размагничивающую систему, включающую емкостной накопитель энергии, коммутатор и повышающий импульсный трансформатор входное звено, размагничивающую систему, включающую балластную индуктивность и источник тока, а также расположенные в общем цилиндрическом корпусе звень  сжати , включающие дроссели насыщени , выполненные в виде тороидальных ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивани , к которым подключены конденсаторы, выполненные в виде полосковых линий, уложенных по спирали Архимеда поверх дросселей насыщени , в отличие от прототипа входное звено генератора выполнено из двух последовательно соединенных конденсаторов, где параллельно первому конденсатору подключена вторична  обмотка импульсного трансформатора импульсного источника питани , а параллельно второму конденсатору подключена размагничивающа  система , при этом балластна  индуктивность системы подключена к общей точке соединени  конденсаторов, а выходное звено сжати  подключено к импульсным одновит- ковым трансформаторам коаксиального исполнени , обмотки которых выполнены из р да параллельных витков, охватывающих сердечник трансформатора и радиально распределенных между корпусом и центральным выходным электродом генератора. При этом и звень  сжати , и одновитковые

0 трансформаторы расположены в общем цилиндрическом корпусе.

Существенность отличи  предлагаемого устройства заключаетс  в том, что помимо сжати  во времени получаемого при

5 разр де емкостного накопител  энергии импульсного источника питани  относительно низковольтного импульса осуществл етс  увеличение его амплитуды в 1 .б-И ,9 раза во входном звене и в 2+4 раза на выходе гене0 ратора непосредственно перед нагрузкой. Это позвол ет использовать дл  импульсного источника и входного звена низковольтные стандартные элементы, в том числе мощные; частотные полупроводниковые

5 коммутирующие приборы, а на элементах звеньев сжати  иметь напр жение в 2-4 раза меньше, чем формируемое в нагрузке. В результате существенно повышаетс  надежность работы генератора, а также упро0 щаетс  его конструкци  и эксплуатаци . Кроме того, подключение системы размагничивани  к общей точке последовательно соединенных конденсаторов входного звена и использование на выходе генератора

5 одновитковых трансформаторов коаксиального исполнени  позвол ет, практически не ухудша  временных и энергетических характеристик импульсов в нагрузке размагничивать все ферромагнитные сердечники

0 генератора, не замыка  ток размагничивани  через нагрузку и не примен   дополнительных обмоток размагничивани . Это позвол ет обеспечить возможность надежной работы генератора как на линейную, так

5 и нелинейную нагрузку, включа  межэлектродный промежуток газового импульсного лазера.

На фиг. 1 показана принципиальна  схема предлагаемого генератора; на фиг. 2

0 - эпюры токов и напр жений в элементах генератора: на фиг. 3-4 - схемы, по сн ющие его работу.

На фигурах обозначено: I, II - одновитковые импульсные трансформаторы, 1 5 корпус генератора, 2 - емкостной накопитель энергии. 3 - коммутатор, 4 - повышающий импульсный трансформатор, 5, 6 - конденсаторы входного звена, 7,8- конденсаторы звеньев сжати , 9 - дроссель насыщени  входного звена, 10, 11 - дроссели

насыщени  звеньев сжати , 12 - балластна  индуктивность, 13 - источник посто нного тока, 14 - намагничивающие витки импульсных трансформаторов, I, И, 15 - ферромагнитные тороидальные сердечники импульсных трансформаторов I, Н, 16 - резистор нагрузки, 17 - межэлектродный зазор нагрузки, 17 - межэлектродный зазор нагрузки, 18 - центральный выходной электрод , 19 - напр жение на емкостном накопителе 2, 20 - напр жение на конденсаторе 5, 21 - напр жение на конденсаторе 6, 22 - напр жение на конденсаторе 7, 23 - напр жение на конденсаторе 8: 24 - напр жение в токах е, f на выходе импульсного трансформатора 1,25 - напр жение в точках, k, m на выходе генератора. 26 - ток зар да конденсаторов 5, 6, 27 - ток дроссел  насыщени  9, 28 - ток дроссел  насыщени  10,29 - ток дроссел  насыщени  11, 30 - ток на выходе импульсного трансформатора на участке d-f, 31 - ток в резисторе 16 (на участке f-m).

Магнитный импульсный генератор содержит импульсный источник питани , включающий емкостной накопитель энергии 2, разр жаемый через коммутатор 3, например , тиристор, на первичную обмотку повышающего импульсного трансформатора 4. Параллельно вторичной обмотке этого трансформатора подключен конденсатор 5, образующий с последовательно подключенными к нему конденсатором 6 и дросселем насыщени  9 входное звено генератора. К общей точке соединени  конденсаторов 5.6 и вторичной- обмотке импульсного трансформатора 4 подключена балластна  индуктивность 12 системы размагничивани , запитываема  током размагничивани  от источника посто нного тока 13. Величина балластной индуктивности 12 выбираетс  из расчета, чтобы она существенно не шунтировала конденсатор 6 во врем  его зар дки .

Магнитный импульсный генератор содержит несколько звеньев сжати , каждое из которых имеет дроссель насыщени  Ш, 11, которые как и дроссель насыщени  9 входного звена выполнены в виде тороидальных ферромагнитных сердечников, охваченных намагничивающими витками. К внешним выводам этих витков подключены потенциальные обкладки соответствующих конденсаторов 7, 8, другие обкладки которых , заземленные, подключены к корпусу 1. Конструктивно конденсаторы 7,8 ступени сжати  выполнены в виде полосковых линий , уложенных по спирали Архимеда вокруг соответствующих им дросселей насыщени  {см. фиг. 3).

Последнее, выходное звено сжати  под- ключено к импульсным одновитковым трансформаторам I и II коаксиального исполнени , первичные обмотки 14 которых с

целью наиболее малоиндуктивного исполнени  выполнены из р да параллельных витков, охватывающих тороидальный ферромагнитный сердечник 15 соответствующего трансформатора и радиально

0 распределены между корпусом и центральным выходным электродом 18 генератора. Конструктивно дроссель 9 входного звена, звень  сжати  и импульсные трансформаторы I и tl размещены в общем цилиндриче5 ском корпусе 1. При этом внутренние выводы обмоток дроссел  выходного звена сжати  и импульсных трансформаторов I и Н соединены между собой и образуют центральный выходной электрод 18 генератора,

0 который выполн етс  в виде цилиндра и образует с корпусом 1 коаксизл (см. фиг. 3), к которому подключаетс  нагрузка 18. Данный генератор способен возбуждать практически любой тип нагрузки. В данном

5 случае рассматриваетс  нелинейна  нагрузка типа межэлектродного промежутка импульсного газового лазера, на фиг. 1 показанна  в виде последовательно соединенных резистора 16 и зазора 17.

0 Устройство работает следующим образом . В исходном состо нии (t ti) конденсаторы 5-8 входного звена и звеньев сжати  разр жены, а емкостной накопитель 2 зар жен с указанной на фиг. Ч пол рностью. От

5 источника посто нного тока 13 через индуктивность 12 протекает ток размагничивани  1р, замыкающийс  по цепи вторичной обмотки импульсного трансформатора 4, обмотка дросселей насыщени  9-11 и

0 параллельно соединенным обмоткам 14 импульсных трансформаторов { и II. Этим током размагничиваютс  полностью до состо ни  отрицательного насыщени  - BS- сердечниш трансформатора 4 и дроссел  9

5 входного звена, поскольку их обмотки имеют значительное число витков и одновитко- вых трансформаторов I и II размагничиваютс  частично. При включении в момент времени ц коммутатора 3 нз0 чинаетс  разр д емкостного накопител  2 через первичную обмотку импульсного трансформатора 4. Наводимое на его вторичной обмотке напр жение через конденсатор б и насыщенный дроссель 9

5 прикладываетс  к обмоткам дросселей 10, 11 и трансформаторов, И.доразмагничива  их сердечники также полностью до магнитного состо ни  - BS. В результате конденсаторы 5,6 входного звена по отношению ко вторичной обмотке трансформатора 4 оказываютс  подключенными параллельно и в течение времени зар жаютс  до требуемого максимального значени  напр жени  Uo импульсного источника питани  фиг. 2, эпюры 20, 21, соответственно. В момент времени т.2 процесс зар дки заканчиваетс , коммутатор 3 выключаетс . Под действием напр жени  конденсатора 5 через его вторичную обмотку. Начина  с момента времени t2 сердечник дроссел  9 выходит из отрицательного насыщени  и начинает пе- ремагничиватьс , так как к его обмотке начинает прикладыватьс  возрастающее напр жение, равное сумме U напр жений конденсаторов 5, 6 перестающих уравновешивать друг друга. В момент времени тз, когда процесс перезар да конденсатора 5 близок к завершению и U (1,,9)Uo сердечник дроссел  9 вновь насыщаетс , но уже при индукции + BS. Его индуктивность уменьшаетс  в i раз, где /г- относи- тельна  магнитна  проницаемость материала сердечника и начинаетс  процесс разр да последовательно соединенных конденсаторов 5, 6 через обмотку насыщенного дроссел  9 на конденсатор 7 последующего звена сжати . Под действием напр жени  конденсатора 5 по вторичной обмотке трансформатора А протекает ток, перевод щий его сердечник в ненасыщенное состо ние, которое преп тствует обратному перезар ду конденсатора 5 через обмотку трансформатора.

В момент времени т.4 конденсатор 7 за- р жаетс  до напр жени  U, а конденсаторы 5, G разр жаютс  до нул .

Процесс разр да конденсатора 7 на конденсатор 8 аналогичен процессу, описанному выше, однако длительность разр да конденсатора 7 на конденсатор 8 намного меньше(промежуток времени te-ts, эпюры 22, 23 на фиг. 2). По мере передачи импульса от звена к звену длительность его уменьшаетс , достига  на последнем звене требуемой величины. При этом амплитуда напр жени  остаетс  примерно посто нной , а амплитуда импульса тока увеличиваетс  пропорционально уменьшению его длительности.

После выхода в насыщение сердечника дроссел  11 последнего звена сжати -нэчи- наетс  разр д емкости 8 последнего звена на одноеитковую обмотку 14 импульсного трансформатора I. Направление намотки витков 14 трансформаторов I. H определ етс  назначением генератора. При формировании весьма высоковольтных импульсов на высокоимпедансной нагрузке витки 14 выполн ютс  таким образом, чтобы индуцируема  трансформаторами I, II ЭДС на центральном выходном электроде 18 совпадала по направлению с ЭДС конденсатора 8 последнего звена сжати . В этом случае (см.

фиг. 3) трансформаторы I и II оказываютс  включенными по автотрансформаторной повышающей схеме, где первичным витком, подключенным к выходному звену,  вл етс  виток a, b, d. с, а, а двум  вторичными витками - b, e, f, d. b дл  трансформатора I и е, k, m, f, e, дл  трансформатора И. Дл  уменьшени  потоков рассе ни , а, следовательно , и минимальной собственной индуктивности, трансформаторы выполн ютс  с витком 14 практически полностью закрывающим сердечник 15. В результате напр жение с выхода последнего звена сжати  повышаетс  каждым трансформатором в (1.6+1,9) раза при соответственном

уменьшении тока, с учетом тока намагничивани  сердечников l/г . не передаваемого в нагрузку. Следует отметить, что величина тока намагничивани  (сотни ампер - единицы килоампер) много меньше величины тока

нагрузки (дес тки - сотни килоампер). Сечение трансформатора I определ етс  величиной напр жени  U на выходе последнего звена сжати  и длительностью tH импульса в нагрузке

г и

4 В s К ст

где Bs - индукци  насыщени  материала сердечника трансформатора, Кет - коэффициент заполнени  сталью. Сечение сердечникакаждогопоследующего

трансформатора удваиваетс .

При работе генератора на малоимпе- данскую нагрузку . когда основным  вл етс  получение относительно низковольтных импульсов с весьма большим током, витки 14 трансформаторов I и И выполн ютс  противоположно вышеописанному, чтобы индуцируема  на оси ЭДС трансформатора имела направление встречное направление

ЭДС конденсатора последнего звена сжати  (см. фиг. 4). Здесь трансформаторы ока- зываютс включеннымипо

автотрансформаторной понижающей схеме , где первичными двум  витками, например , дл  трансформатора I  вл етс  контур a, b, d. с, а вторичным витком контур b, e. f. d. 8 результате получаемый с последней ступени сжати  ток увеличиваетс  на каждом трансформаторе в (1.,9} раза, но

при соответственном уменьшении напр жени . Как и в предыдущем случае, обмотки 14 выполн ютс  максимально закрывающими сердечники 15: из р да параллельных витков , охватывающих сердечники трансферматоров и радиально распределенных между корпусом и центральным выходным электродом , а сечение трансформатора I определ етс  величиной напр жени  на выходе последнего звена сжати  и длительностью импульса в нагрузке. Далее сечение сердечника каждого последующего трансформатора , примерно, вдвое уменьшаетс . Таким образом, в предлагаемом устройстве , в отличие от прототипа, помимо сжати  во времени получаемого при разр де емкостного накопител  энергии относительно низковольтного импульса осуществл етс  увеличение его амплитуда в 1,6-1,9 раза во входном звене и в 2-4 раза на выходе генератора непосредственно перед нагрузкой . Это позвол ет на элементах звеньев сжати  иметь напр жение в 2-4 раза меньшее, чем формируемое в нагрузке, и использовать дл  импульсного источника и входного звена низковольтные стандартные элементы, что существенно повышает надежность работы генератора, упрощает его конструкцию и эксплуатацию. Подключение системы размагничивани  к общей точке соединени  конденсаторов входного звена и использование на выходе генератора одновитковых трансформаторов, практически не ухудша  временных и

энергетических характеристик импульсов в нагрузке, позвол ет размагничивать все ферромагнитные сердечники генератора, не замыка  ток размагничивани  через нагрузку и не примен   дополнительных обмоток размагничивани , Это позвол ет без дополнительного усложнени  перехода генератор - нагрузка и без применени  допол- нительных устройств обеспечивать

возможность надежной работы генератора как на линейную, так и нелинейную нагрузку типа межэлектродного зазора.

В предлагаемом устройстве, с целью упрощени  конструкции и эксплуатации генератора . при его работе в длительном непрерывном импульсно-периодическом режиме с посто нной частотой следовани  импульсов в дес тки - сотни импульсов в секунду возможно исключение источника

посто нного тока в системе размагничивани . В этом случае она выполн етс  в виде цепи из последовательно соединенных балластной индуктивности 12 и резистора, где индуктивность подключаетс  к общей точке

соединени  конденсаторов 5, 6 входного звена, а резистор - к корпусу 1.

30

(56) Авторское свидетельство СССР № 152Т224, кл. Н 03 К 3/53, 1987.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   МАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕ- РАТОР, содержащий импульсный источник питани , включающий емкостный накопитель энергии, коммутатор и повышающий импульсный трансформатор, клеммы вторичной обмотки которого  вл ютс  первой и второй выходными клеммами импульсного источника питани , входное звено сжати , N звеньев сжати , которые расположены в общем корпусе, выходное звено сжати , йключающие дроссели насы- щени , выполненные е виде охваченных намагничивающими витками тороидальных ферромагнитных сердечников, и конденсаторы , выполненные в виде полосковых линий , уложенных по спирали Архимеда поверх дросселей насыщени , нагрузку и размагничивающую систему, включающую соединенные последовательно балластную индуктивность и источник тока, отличающийс  тем, что конденсатор входного зве-

   на генератора выполнен из двух последовательно соединенных конденсаторов , причем первый конденсатор соединен параллельно с первой и второй выходными клеммами импульсного источника питани , а второй конденсатор соединен параллельно с размагничивающей системой, причем балластна  индуктивность системы подключена к общей точке соединени  первого и второго конденсаторов , выходные клеммы выходного звена сжати  подключены к входным клеммам импульсных одновитковых трансформаторов , которые выполнены коаксиальными и обмотки которых образованы р дом параллельных витков, охватывающих сердечники трансформатора и радиально распределенных между корпусом и центральным выходным электродом генератора .

   О

   tl

   /

   7 Ю 8 V , /4 Г5/л tf „

   / I / at ъ / / e / //l

   , / ft/

   I

   i

   I

   /

   18

   ФигЛ