RU2019905C1 - High-voltage pulse generator - Google Patents

Abstract

FIELD: pulsed lasers. SUBSTANCE: high-voltage pulse generator uses high-voltage AC power supply 1, rectifier 2 with current-limiting circuit 3 and capacitance energy storage 4, rotating switch tube 10 with two switches 8 and 9, branched network of their matching element 7 and two frequency-setting capacitors 5 and 6. EFFECT: simplified design owing to introduction of capacitor 6. 1 dwg

Description

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в качестве источников питания импульсных озонаторных установок, импульсных лазеров в радиолокации в области нагрева электромагнитным полем и других подобных устройствах, работающих в режимах с частотой следования импульсов. The invention relates to high-voltage pulse technology and can be used as power sources for pulsed ozonation installations, pulsed lasers in radar in the field of heating by an electromagnetic field and other similar devices operating in modes with a pulse repetition rate.

Известен генератор высоковольтных импульсов содержащий формирующий элемент, трехэлектродный формирующий разрядник и зарядное устройство, выполненное в виде трехэлектронного разрядника, причем поджигающие электроды обоих разрядников размещены равномерно по окружности в сквозных отверстиях диэлектрического диска, снабженного устройством вращения. A known generator of high-voltage pulses containing a forming element, a three-electrode forming arrester and a charger made in the form of a three-electron arrester, the ignition electrodes of both arrears being placed uniformly around the circumference in the through holes of a dielectric disk equipped with a rotation device.

Работа такого устройства характеризуется низким КПД. The operation of such a device is characterized by low efficiency.

Здесь имеют место два рабочих цикла: заряд формирующего элемента и его разряд на нагрузку. Известно, что заряд формирующего элемента (в простейшем случае конденсатор накопителя энергии) КПД не выше 50%. Two working cycles take place here: the charge of the forming element and its discharge to the load. It is known that the charge of the forming element (in the simplest case, the energy storage capacitor), the efficiency is not higher than 50%.

Наиболее близким к изобретению является устройство, содержащее высоковольтный источник питания переменного тока, выпрямитель с токоограничивающим элементом, емкостный накопитель энергии, вращающийся разрядник и последовательную цепочку, состоящую из частотозадающего конденсатора и согласующего устройства. Closest to the invention is a device containing a high-voltage AC power source, a rectifier with a current-limiting element, a capacitive energy storage device, a rotating discharger and a series circuit consisting of a frequency-setting capacitor and a matching device.

Данное устройство обладает высокими энергетическими показателями, так как заряд конденсатора осуществляется через нагрузку. This device has high energy performance, since the capacitor is charged through the load.

Одним из недостатков известного устройства является то, что импульсы, следующие друг за другом, т.е. соседние, разнополярные импульсы отличаются по своим параметрам (амплитуде, собственной частоте колебаний, коэффициенту затухания). Действительно, если первый импульс на нагрузке обусловлен цепью заряда, контур которого состоит из емкостного накопителя энергии, коммутатора вращающегося разрядника и последовательной частотозадающей цепочки. Следующий импульс обусловлен цепью разряда, в контуре которой отсутствует емкостный накопитель энергии. Диэлектрические потери внутри емкостного накопителя энергии, его внутренняя индуктивность, активное сопротивление токопроводов и их индуктивность оказывают заметное влияние на параметры импульса. Есть нелинейные нагрузки, которые очень чувствительны к параметрам импульса, например озонаторная камера, где для генерирования озона используется тлеющий барьерный разряд. При незначительном превышении амплитуды зажигания разряда образуются тонкие высокотемпературные каналы, что приводят к резкому понижению производительности озонатора. На производительность значительное влияние оказывает и собственная частота импульса. Аналогичным образом ведут себя и ряд других нагрузок, в частности импульсные газовые лазеры. One of the disadvantages of the known device is that the pulses following each other, i.e. adjacent, unipolar pulses differ in their parameters (amplitude, natural frequency of oscillation, attenuation coefficient). Indeed, if the first pulse on the load is caused by a charge circuit, the circuit of which consists of a capacitive energy storage device, a switch of a rotating spark gap, and a series frequency-setting chain. The next pulse is due to the discharge circuit, in the circuit of which there is no capacitive energy storage. The dielectric loss inside the capacitive energy storage, its internal inductance, the active resistance of the conductors and their inductance have a significant effect on the pulse parameters. There are nonlinear loads that are very sensitive to pulse parameters, for example, an ozonizer chamber, where a glow barrier discharge is used to generate ozone. With a slight excess of the amplitude of the ignition of the discharge, thin high-temperature channels are formed, which lead to a sharp decrease in the performance of the ozonizer. The performance is also significantly affected by the natural frequency of the pulse. A number of other loads, in particular pulsed gas lasers, behave similarly.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем стабилизации параметров (амплитуды, частоты, коэффициента затухания) разнополярных импульсов при сохранении высоких энергетических показателей. The purpose of the invention is the expansion of functionality by stabilizing the parameters (amplitude, frequency, attenuation coefficient) of bipolar pulses while maintaining high energy performance.

Указанная цель достигается тем, что генератор высоковольтных импульсов, содержащий высоковольтный источник питания переменного тока, к которому подсоединен выпрямитель с токоограничивающим элементом и емкостным накопителем энергии, вращающийся разрядник, содержащий два коммутатора, последовательную цепочку, состоящую из частотозадающего конденсатора и согласующего устройства, которая включена на один из коммутаторов, а через другой коммутатор подключена к емкостному накопителю энергии, снабжен дополнительным частотозадающим конденсатором, причем согласующее устройство и два частотозадающих конденсатора образуют разветвленную цепочку, которая со стороны согласующего устройства подключена к обоим коммутаторам вращающегося разрядника, двумя другими концами со стороны частотозадающих конденсаторов поочередно с одним и другим выводами емкостного накопителя энергии. This goal is achieved by the fact that the high-voltage pulse generator contains a high-voltage AC power source, to which a rectifier with a current-limiting element and a capacitive energy storage device is connected, a rotating spark gap containing two switches, a series circuit consisting of a frequency-setting capacitor and a matching device, which is connected to one of the switches, and through the other switch is connected to a capacitive energy storage device, is equipped with an additional frequency-setting con ensatorom, wherein the matching device and two frequency control capacitor form a branched chain, which from the matching device is connected to both the rotary spark gap switches, the two other ends of frequency control capacitors by alternately from one and the other terminals of the capacitive power storage unit.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что известно устройство для поверхностной закалки металлических заготовок импульсами тока. Здесь использована разветвленная цепочка, состоящая из двух одинаковых конденсаторов и согласующего устройства. Заряд частотозадающих конденсаторов осуществляется через реактор, минуя нагрузку. Такой режим также характеризуется высоким использованием электроэнергии. A comparison of the proposed solutions with other technical solutions shows that there is a device for surface hardening of metal billets with current pulses. A branched chain is used here, consisting of two identical capacitors and a matching device. Frequency-setting capacitors are charged through the reactor, bypassing the load. This mode is also characterized by high energy use.

Однако, использование заряда через реактор требует дополнительных блоков управления для запуска коммутирующих разрядников, что приводит к усложнению повышению стоимости и понижению надежности работы генератора высоковольтных импульсов. Поэтому предлагаемое устройство обладает отличительными свойствами, т.е. имеет существенное отличие из-за использования разветвленной цепочки в режимах одновременного заряда одного конденсатора и разряда другого через нагрузку. При этом отпадает необходимость в дополнительных блоках управления, так как заряд одного конденсатора и разряд другого осуществляется одним коммутатором, т.е. предлагаемое схемное решение внутри себя содержит управления процессами заряда и разряда. However, the use of charge through the reactor requires additional control units to run the switching arrester, which complicates the increase in cost and lower reliability of the high-voltage pulse generator. Therefore, the proposed device has distinctive properties, i.e. has a significant difference due to the use of a branched chain in the modes of simultaneous charge of one capacitor and the discharge of another through the load. In this case, there is no need for additional control units, since the charge of one capacitor and the discharge of another is carried out by one switch, i.e. the proposed circuit solution within itself contains control of the processes of charge and discharge.

На чертеже показана электрическая схема предлагаемого генератора. The drawing shows an electrical diagram of the proposed generator.

Генератор содержит высоковольтный источник 1 переменного тока, который выполнен, например, в виде повышающего высоковольтного трансформатора, подключенного к сети переменного тока промышленной частоты. К источнику 1 питания подключен выпрямитель 2 с токоограничивающим элементом 3, представляющем собой зарядное сопротивление для заряда емкостного накопителя энергии. К обоим выводам емкостного накопителя 4 энергии со стороны частотозадающих конденсаторов 5 и 6 подключена разветвляющаяся цепочка, а со стороны согласующего устройства 7, например первичная обмотка кабельного трансформатора или же непосредственно индуктор, цепочка через коммутаторы 8 и 9 вращающегося разрядника 10, также подключена к емкостному накопителю 4 энергии. The generator contains a high-voltage source 1 of alternating current, which is made, for example, in the form of a step-up high-voltage transformer connected to an AC network of industrial frequency. A rectifier 2 is connected to the power supply 1 with a current-limiting element 3, which is a charging resistance for charging a capacitive energy storage device. A branching chain is connected to both terminals of the capacitive energy storage 4 from the side of the frequency-setting capacitors 5 and 6, and from the side of the matching device 7, for example, the primary winding of the cable transformer or directly the inductor, the chain through the switches 8 and 9 of the rotating spark gap 10 is also connected to the capacitive storage 4 energy.

Генератор работает следующим образом. The generator operates as follows.

Диск вращающегося разрядника 10 раскручивается от механизма вращения до оборотов от сотен до тысяч об/мин. При включении источника 1 питания переменного тока емкостной накопитель 4 энергии заряжается через токоограничивающий элемент 3 и выпрямитель 2 от высоковольтного источника 1 питания. В процессе вращения диэлектрического диска вращающегоcя разрядника 10 при поочередном вхождении инициирующих электродов в воздушные промежутки коммутаторов 8 и 9 проиcходит их поочередной поcледовательный пробой через равные промежутки времени. При этом чаcтотозадающие конденcаторы 5 и 6 поочередно заряжаютcя и разряжаютcя через cоглаcующее уcтройcтво 7. Разряд и заряд оcущеcтвляютcя одновременно: через коммутатор 8 - заряда конденcатора 6 и разряд конденcатора 5, через коммутатор 9 - заряд конденcатора 5 и разряд конденcатора 6. Импульcы на cоглаcующем уcтройcтве еcть результат двух cоcтавляющих процеccов: разряд одного чаcтотозадающего конденcатора и разряд другого конденcатора. Kаждая из этих cоcтавляющих имеет вид затухающей cинуcоиды, чаcтота которой определяетcя параметрами cоответcтвенно разрядной и зарядной цепей. Еcли выполнить cхему полноcтью cимметричной, т. е. емкоcти чаcтотозадающих конденcаторов равны, равны также и индуктивноcти cоединительных проводов, то cоcедние cледующие друг за другом равнополярные импульcы будут совершенно идентичны как по амплитуде, так и по напряжению. The disk of the rotating spark gap 10 spins from the rotation mechanism to revolutions from hundreds to thousands of rpm. When you turn on the AC power source 1, the capacitive energy storage 4 is charged through the current-limiting element 3 and the rectifier 2 from the high-voltage power source 1. In the process of rotation of the dielectric disk of the rotating spark gap 10 with the alternating entry of the initiating electrodes into the air gaps of the switches 8 and 9, their successive sequential breakdown occurs at regular intervals. In this case, the frequency-consuming capacitors 5 and 6 are alternately charged and discharged through the coordinating device 7. The discharge and charge are realized simultaneously: through the switch 8 - the charge of the capacitor 6 and the discharge of the capacitor 5, through the switch 9 - the charge of the capacitor 5 and the discharge of the capacitor to 6. The pulse There is the result of two constituent processes: the discharge of one frequency-setting capacitor and the discharge of the other capacitor. Each of these components has the form of a damped sinusoid, whose frequency is determined by the parameters of the correspondingly discharge and charging circuits. If the circuit is fully symmetrical, i.e., the capacitances of the frequency-setting capacitors are equal, the inductances of the connecting wires are equal, then the adjacent equal-polarity impulses next to each other will be completely identical in both amplitude and voltage.

Выделяемая в нагрузке мощность может регулироваться скоростью вращения диска вращающегося разрядника и количеством электродов на этом диске, а также изменением зарядного напряжения. Регулировка отбора мощности производится выбором емкостью частотозадающих конденсаторов. Создано несколько действующих установок изобретения, которые были использованы в качестве источников питания озонаторных установок. Результаты экспериментов дали повышение производительности по озону озонаторных установок в 1,5-2 раза по сравнению с классическими синусоидальными источниками той же частоты. The power allocated in the load can be controlled by the rotation speed of the disk of the rotating discharger and the number of electrodes on this disk, as well as by changing the charging voltage. Power take-off is adjusted by selecting the capacitance of the frequency-setting capacitors. Created several existing installations of the invention, which were used as power sources for ozonation plants. The experimental results yielded an increase in ozone productivity of ozonation plants by 1.5-2 times in comparison with classical sinusoidal sources of the same frequency.

Claims (1)

ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ, содержащий соединенные последовательно высоковольтные источник питания переменного тока и выпрямитель, первая клемма выхода которого соединена с первой клеммой токоограничивающего резистора, вторая клемма которого соединена с первой клеммой емкостного накопителя, первого коммутатора, вторая клемма которого соединена с первой клеммой второго коммутатора, вращающийся диэлектрический диск с электродами, первый частотозадающий конденсатор и согласующий элемент, соединенные последовательно, отличающийся тем, что, с целью упрощения, в него введен второй частотозадающий конденсатор, первая клемма которого соединена с входом согласующего элемента, выход согласующего элемента соединен с первой клеммой второго коммутатора, первая клемма первого частотозадающего конденсатора соединена с второй клеммой токоограничивающего резистора, емкостного накопителя и второго коммутатора, вторая клемма второго частотозадающего конденсатора соединена с первой клеммой первого коммутатора, причем первый и второй коммутаторы установлены противоположно по диаметру вращающегося диэлектрического диска с электродами. A HIGH VOLTAGE PULSE GENERATOR, comprising a series-connected high-voltage AC power supply and a rectifier, the first output terminal of which is connected to the first terminal of the current-limiting resistor, the second terminal of which is connected to the first terminal of the capacitive storage, the first switch, the second terminal of which is connected to the first terminal of the second switch, rotating dielectric disk with electrodes, the first frequency-setting capacitor and matching element connected in series, distinct which, in order to simplify, a second frequency-setting capacitor is inserted into it, the first terminal of which is connected to the input of the matching element, the output of the matching element is connected to the first terminal of the second switch, the first terminal of the first frequency-setting capacitor is connected to the second terminal of the current-limiting resistor, capacitive storage, and the second switch, the second terminal of the second frequency-setting capacitor is connected to the first terminal of the first switch, and the first and second switches are installed opposite positive in diameter of a rotating dielectric disk with electrodes.