RU2022457C1 - Puksed supply source - Google Patents

Abstract

FIELD: high-power pulsed supply sources for direct-action charged particles high-intensity accelerators. SUBSTANCE: pulsed supply source has housing, pulsed transformer, open magnetic circuit, two layers of insulating material, two flanges, M hook-shaped slots and insulator. EFFECT: enlarged operating capabilities. 4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике, к мощным импульсным источникам питания для электрофизической аппаратуры, преимущественно импульсно-периодических сильноточных ускорителей заряженных частиц прямого действия. The invention relates to pulsed technology, to powerful pulsed power supplies for electrophysical equipment, mainly pulse-periodic high-current accelerators of charged particles of direct action.

Известен импульсный источник питания, содержащий встроенный в фомирующую линию импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, две части которого являются внешним и внутренним проводниками линии, а первичная и вторичная обмотки трансформатора размещены в промежутке между проводниками формирующей линии ("Источник импульсов, работающий при напряжении 300 кВ, частоте 100 Гц со средней мощностью 30 кВт", "Operation of a 300-kV, 100-Hz, 30-kW average power pulser", M.T.Buttram, G.J.Rohwein, "IEEE Trans. on Electr. Devices", vol;. ED-26, No 10, october 1979, p. 1503-1508, fig. 7). Known is a pulsed power supply containing a built-in pulsed line transformer with an open magnetic circuit, two parts of which are external and internal conductors of the line, and the primary and secondary windings of the transformer are located in the gap between the conductors of the forming line ("A pulse source operating at a voltage of 300 kV, 100 Hz with an average power of 30 kW "," Operation of a 300-kV, 100-Hz, 30-kW average power pulser ", MTButtram, GJRohwein," IEEE Trans. on Electr. Devices ", vol ;. ED 26, No. 10, october 1979, p. 1503-1508, fig. 7).

При разряде формирующей линии указанного источника импульсного питания на низковольтной первичной обмотке возникает потенциал, величина которого пропорциональна расстоянию между внешним проводником линии и этой обмоткой. Например, в импульсном источнике с выходным напряжением на вторичной обмотке 1000 кВ при величине промежутка между проводниками формирующей линии 70 мм и расстоянии от внешнего проводника линии до первичной обмотки 3 мм на низковольтной первичной обмотке с рабочим напряжением 1 кВ возникает высокое напряжение с амплитудой 42 кВ, действующее в течение длительности формируемого импульса. Имеющиеся изоляционные материалы не обеспечивают удержание такого потенциала при толщине изоляции до 3 мм. Происходит пробой изоляции между внешним проводником формирующей линии и первичной обмоткой, а также выход из строя низковольных элементов, напимер тиристоров и конденсаторов, расположенных в цепи низковольтной первичной обмотки. То есть, недостатком указанного известного устройства является ограничение величины высокого напряжения. When a forming line is discharged from a specified switching power supply, a potential arises on the low-voltage primary winding, the value of which is proportional to the distance between the external conductor of the line and this winding. For example, in a pulsed source with an output voltage on the secondary winding of 1000 kV, when the gap between the conductors of the forming line is 70 mm and the distance from the external conductor of the line to the primary winding is 3 mm, a high voltage with an amplitude of 42 kV occurs at a low-voltage primary winding with an operating voltage of 1 kV, acting during the duration of the generated pulse. Existing insulating materials do not provide retention of such a potential with an insulation thickness of up to 3 mm. There is a breakdown of insulation between the external conductor of the forming line and the primary winding, as well as the failure of low-voltage elements, such as thyristors and capacitors located in the low-voltage primary winding circuit. That is, the disadvantage of this known device is the limitation of the magnitude of the high voltage.

Ближайшим к изобретению является импульсный источник питания, содержащий расположенные в корпусе коаксиальную формирующую линию и импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, внешняя часть которого расположена на внутренней поверхности корпуса, а внутренняя является внутренним проводником формирующей линии, причем первичная обмотка трансформатора расположена между внешней частью магнитопровода и внешним проводником формирующей линии, выполненным из фольгового материала и электрически соединенным с корпусом с одной стороны, а вторичная обмотка трансформатора размещена между внешним и внутренним проводниками линии (Загулов Ф.Я. и др. Импульсный сильноточный наносекундный ускоритель электронов с частотой срабатывания до 100 Гц. - "Приборы и техника эксперимента", 1976, N 5, с.18-20, рис.2). Closest to the invention is a switching power supply comprising a coaxial forming line and a pulsed transformer with an open magnetic circuit, the external part of which is located on the inner surface of the housing, and the internal is an internal conductor of the forming line, the primary winding of the transformer located between the external part of the magnetic circuit and the external a forming line conductor made of foil material and electrically connected to the housing with one orons, and the secondary winding of the transformer is placed between the external and internal conductors of the line (Zagulov F.Ya. et al. Pulse high-current nanosecond electron accelerator with a response frequency of up to 100 Hz. - "Instruments and experimental equipment", 1976, N 5, p. 18 -20, fig. 2).

Недостаток прототипа заключается в том, что выполненный из фольги внешний проводник формирующей линии, расположенный между первичной и вторичной обмотками трансформатора, замкнутый с корпусом с одной стороны, создает емкостную связь между обмотками трансформатора. В этих условиях при разряде формирующей линии на нагрузку часть разрядного тока протекает между корпусом и внешним проводником линии и на первичной обмотке трансформатора, как в устройстве-аналоге, наводится высокий потенциал, вызывающий повышенные и недостижимые требования к электрической прочности изоляции и элеметов в цепи этой обмотки. Это препятствует повышению выходного напряжения источника импульсного питания. The disadvantage of the prototype lies in the fact that the external conductor of the forming line made of foil, located between the primary and secondary windings of the transformer, closed with the housing on one side, creates capacitive coupling between the windings of the transformer. Under these conditions, when a forming line is discharged to a load, a part of the discharge current flows between the case and the external conductor of the line and on the transformer primary winding, as in an analog device, a high potential is induced, causing increased and unattainable requirements for the electrical strength of the insulation and elements in the circuit of this winding . This prevents an increase in the output voltage of the switching power supply.

Для устранения указанного недостатка в импульсном источнике питания, содержащем расположенные в корпусе коаксиальную формирующую линию и импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, внешняя часть которого расположена на внутренней поверхности корпуса, а внутренняя является внутренним проводником формирующей линии, причем первичная обмотка трансформатора расположена между внешней частью магнитопровода и внешним проводником формирующей линии, соединенным с корпусом с одной стороны, а вторичная обмотка трансформатора размещена между внешним и внутренним проводниками линии, внешний проводник формирующей линии соединен с корпусом с другой стороны и выполнен в виде протяженных проводящих элементов, расположенных параллельно образующим проводников формирующей линии. To eliminate this drawback, a switching power supply containing a coaxial forming line and a pulse transformer with an open magnetic circuit located in the housing, the external part of which is located on the internal surface of the housing, and the internal is the internal conductor of the forming line, the primary winding of the transformer located between the external part of the magnetic circuit and an external conductor of the forming line connected to the housing on one side, and the secondary winding of the transformer is located between the external and internal conductors of the line, the external conductor of the forming line is connected to the housing on the other hand and is made in the form of extended conductive elements parallel to the generatrix of the conductors of the forming line.

Импульсный источник питания отличается также тем, что на концах корпуса источника выполнены крючкообразные пазы, а протяженные проводящие элементы выполнены в виде проволоки, закрепленной S-образно в указанных пазах. The switching power supply is also characterized in that hook-shaped grooves are made at the ends of the source housing, and the extended conductive elements are made in the form of a wire fixed S-shaped in these grooves.

Импульсный источник питания отличается и тем, что крючкообразные пазы для зацепления проволоки выполнены на съемных кольцах, установленных на корпусе источника питания. The switching power supply is also characterized in that the hook-shaped grooves for wire meshing are made on removable rings mounted on the housing of the power source.

Кроме того, импульсный источник питания отличается тем, что по крайней мере одно из колец с крючкообразными пазами выполнено с возможностью перемещения вдоль корпуса источника. In addition, the switching power supply is characterized in that at least one of the rings with hook-shaped grooves is arranged to move along the source body.

Расположенный между частями разомкнутого магнитопровода внешний проводник формирующей линии, выполненный в виде системы протяженных проводящих элементов (например, стержней или проводов), замкнутых с корпусом источника с обеих сторон, кроме выполнения своей функции, одновременно обеспечивает защиту (экранирование) первичной обмотки от высокого напряжения, действующего на вторичной обмотке при разряде формирующей линии, путем замыкания тока разряда между внешним и внутренним проводниками линии. Снижаются требования к электрической прочности в цепи первичной обмотки, обеспечивается возможность повышения выходного напряжения импульсного источника питания. The external conductor of the forming line located between the parts of the open magnetic circuit, made in the form of a system of extended conductive elements (for example, rods or wires), closed with the source casing on both sides, in addition to performing its function, simultaneously provides protection (shielding) of the primary winding from high voltage, acting on the secondary winding during the discharge of the forming line, by shorting the discharge current between the external and internal conductors of the line. The requirements for electric strength in the primary circuit are reduced, and the possibility of increasing the output voltage of a switching power supply is provided.

На фиг. 1 приведен импульсный источник питания, общий вид; на фиг.2 - вид на крючкообразные пазы для закрепления и натяжения протяженных проводящих элеметов в виде проволоки. In FIG. 1 shows a switching power supply, General view; figure 2 is a view of the hook-shaped grooves for securing and tensioning the extended conductive elements in the form of a wire.

Импульсный источник питания содержит (фиг.1) цилиндрический корпус 1, на внутренней поверхности которого размещена внешняя часть 2 разомкнутого магнитопровода импульсного трансформатора, к которой примыкает сравнительно низковольтная первичная обмотка 3 трансформатора, окруженная слоями 4 и 5 из изоляционного материала. Цепь первичного контура источника питания образована первичной обмоткой 3, соединенной через ввод 6 и тиристорный ключ 7 с параллельно соединенными накопительной емкостью 8 и источником 9 напряжения, вторые выводы которых соединены с корпусом 1 источника питания. The switching power supply contains (Fig. 1) a cylindrical housing 1, on the inner surface of which is located the outer part 2 of the open magnetic circuit of the pulse transformer, which is adjacent to the relatively low-voltage primary winding 3 of the transformer, surrounded by layers 4 and 5 of insulating material. The circuit of the primary circuit of the power source is formed by a primary winding 3 connected through an input 6 and a thyristor switch 7 with a storage capacitor 8 and a voltage source 9 connected in parallel, the second terminals of which are connected to the housing 1 of the power source.

В варианте выполнения, изображенном на фиг.1, во фланцах 10 и 11 корпуса 1 выполнены крючкообразные пазы 12, на которых закреплена стальная или медная проволока 13, расположенная в пазах S-образно с натяжением, образующая внешний проводник формирующей линии источника питания. Размещение проволоки 13 S-образно с натягом в пазах 12 корпуса 1 может производиться путем ее навивки поочередно на пазы одного и другого фланца с приложением усилия для натяжения и/или в нагретом состоянии. In the embodiment shown in FIG. 1, hook-shaped grooves 12 are made in the flanges 10 and 11 of the housing 1, on which a steel or copper wire 13 is mounted, located in the grooves S-shaped with tension, forming an external conductor of the forming line of the power source. The placement of the wire 13 S-shaped with an interference fit in the grooves 12 of the housing 1 can be done by winding it alternately on the grooves of one and the other flange with the application of force to tension and / or in a heated state.

Центральные части 14 проволоки лежат на внутренней цилиндрической поверхности слоя 5 изоляционного материала. Боковые части 15 проволоки, находящиеся в промежутке между краями слоя 5 изоляционного материала и фланцами 10, 11 корпуса 1, расположены под некоторым небольшим углом (до 5-10^о) к их центральным частям. Указанное расположение проводников имеет место лишь в случае, когда расстояние от оси цилиндрического корпуса 1 до внутренней поверхности изоляционного слоя 5 меньше расстояния от этой оси до точки закрепления проволоки 13 в пазу 12. В противном случае проволока 13 расположена горизонтально на всем ее протяжении от фланца 10 до фланца 11 (фиг.2).The central parts 14 of the wire lie on the inner cylindrical surface of the layer 5 of insulating material. The side parts 15 of the wire, located in the gap between the edges of the layer 5 of insulating material and the flanges 10, 11 of the housing 1, are located at a slight angle (up to 5-10 ^about ) to their central parts. The specified location of the conductors takes place only in the case when the distance from the axis of the cylindrical body 1 to the inner surface of the insulating layer 5 is less than the distance from this axis to the point of attachment of the wire 13 in the groove 12. Otherwise, the wire 13 is horizontal along its entire length from the flange 10 to the flange 11 (figure 2).

В центральной части корпуса 1 (фиг. 1) расположен внутренний проводник 16 формирующей линии с внутренней частью 17 разомкнутого магнитопровода. В пространстве между внешним проводником формирующей линии (проволока 13) и внутренним проводником 16 линии размещена на конусном изоляторе 18 высоковольтная вторичная обмотка 19 импульсного трансформатора, каждый из концов которой соединен с одним из проводников формирующей линии. In the central part of the housing 1 (Fig. 1) is located the inner conductor 16 of the forming line with the inner part 17 of the open magnetic circuit. In the space between the external conductor of the forming line (wire 13) and the internal conductor 16 of the line, a high-voltage secondary winding 19 of the pulse transformer is located on the conical insulator 18, each of which ends is connected to one of the conductors of the forming line.

Вторичная обмотка импульсного трансформатора может быть выполнена и не на конусном, а, например, на цилиндрическом изоляторе (на чертеже не показано). The secondary winding of a pulse transformer can be performed not on a cone, but, for example, on a cylindrical insulator (not shown in the drawing).

Нагрузкой формирующей линии и импульсного источника питания в целом является разрядник, одним из электродов которого служит конец внутреннего проводника 16 формирующей линии. The load of the forming line and the switching power supply as a whole is a spark gap, one of the electrodes of which is the end of the inner conductor 16 of the forming line.

Последовательно соединенные вторичная обмотка 19 импульсного трансформатора, нагрузка и распределенная конструктивная емкость, имеющаяся между внешним и внутренним проводниками формирующей линии (на чертеже не показана), образуют цепь вторичного контура источника питания. Serially connected secondary winding 19 of the pulse transformer, the load and the distributed structural capacitance available between the external and internal conductors of the forming line (not shown in the drawing) form a secondary circuit of the power source.

Корпус 1 заполняется средой с достаточной диэлектрической прочностью, требуемая величина которой прямо пропорциональна напряжению на вторичной обмотке импульсного трансформатора, обратно пропорциональна разнице диаметров внешнего и внутреннего проводников формирующей линии, а также зависит от некоторых других конструктивных параметров, например радиусов закруглений кромок пазов 12. В качестве указанной среды могут быть использованы, например, диэлектрические жидкости, в частности касторовое, трансформаторное масла. The housing 1 is filled with a medium with sufficient dielectric strength, the required value of which is directly proportional to the voltage on the secondary winding of the pulse transformer, inversely proportional to the difference in the diameters of the external and internal conductors of the forming line, and also depends on some other design parameters, for example, radii of curvature of the edges of the grooves 12. As the specified medium can be used, for example, dielectric fluids, in particular castor, transformer oil.

Диаметр проволоки 13 и шаг ее размещения в пазах 12 выбираются из конструктивных и технологических требований, в частности возможности выполнения пазов 12, например, фрезерованием, а также из условия обеспечения достаточной прозрачности системы протяженных проводящих элементов для магнитного поля магнитопровода 2, 17 и необходимой степени экранирования первичной обмотки 3 от высокого напряжения на вторичной обмотке 19. The diameter of the wire 13 and the pitch of its placement in the grooves 12 are selected from the design and technological requirements, in particular, the possibility of making the grooves 12, for example, by milling, and also from the condition of ensuring sufficient transparency of the system of extended conductive elements for the magnetic field of the magnetic circuit 2, 17 and the required degree of shielding primary winding 3 from high voltage on the secondary winding 19.

В других вариантах исполнения устройства (фиг.2) пазы 12 выполнены в съемных кольцах 20, 21. Кольцо 20 установлено в пазу 22 корпуса 1. Кольцо 21 расположено с возможностью перемещения вдоль корпуса 1. Оно размещено на ровной цилиндрической поверхности корпуса 1 и соединено винтами 23 с дополнительным кольцом 24, установленным в пазу 25 корпуса. Вращением винтов 23 обеспечивается перемещение кольца 21 и натяжение проволоки 13. In other embodiments of the device (figure 2), the grooves 12 are made in removable rings 20, 21. The ring 20 is installed in the groove 22 of the housing 1. The ring 21 is arranged to move along the housing 1. It is placed on a flat cylindrical surface of the housing 1 and is connected by screws 23 with an additional ring 24 installed in the groove 25 of the housing. The rotation of the screws 23 ensures the movement of the ring 21 and the tension of the wire 13.

Протяженные проводящие элементы, представленные на фиг. 1, 2 проволокой 13, могут быть выполнены в виде металлических стержней, закрепленных между фланцами 10, 11 корпуса 1 и натянутых аналогично спицам велосипедного колеса (на чертеже не показано). The extended conductive elements shown in FIG. 1, 2 by wire 13, can be made in the form of metal rods fixed between the flanges 10, 11 of the housing 1 and stretched similarly to the spokes of a bicycle wheel (not shown in the drawing).

Импульсный источник питания работает следующим образом. Switching power supply operates as follows.

При разомкнутом тиристорном ключе 7 от источника 9 напряжения заряжается емкость 8. При включении ключа 7 накопленная в указанной емкости энергия перекачивается в формирующую линию. При этом в цепи первичного контура (емкость 8, тиристор 7, первичная обмотка 3) импульсного трансформатора течет меняющийся по величине ток разряда емкости 8. В разомкнутом магнитопроводе 2, 17, силовые линии, соединяющие между собой части 2 и 17 магнитопровода на участках между фланцами 10, 11 и краями первичной обмотки 3, проходят между проволоками 13. В процессе заряда конструктивной емкости линии растет напряжение на вторичной обмотке 19, то есть между проводниками линии. По достижении этим напряжением заданного значения происходит разряд формирующей линии на разрядник нагрузки. Возникающий при этом ток разряда распределенной конструктивной емкости линии течет по внешнему (проволока 13) и внутреннему 16 проводникам формирующей линии, а не по корпусу 1. Это обеспечивает требуемое экранирование первичной обмотки 3 от высокого напряжения, действующего на вторичной обмотке 19 импульсного трансформатора. When the thyristor key 7 is open, the capacitance 8 is charged from the voltage source 9. When the key 7 is turned on, the energy stored in the indicated capacitance is pumped to the forming line. Moreover, in the primary circuit (capacitance 8, thyristor 7, primary winding 3) of the pulse transformer, the discharge current of capacitance 8 varies in magnitude. In an open magnetic circuit 2, 17, power lines connecting parts 2 and 17 of the magnetic circuit between the flanges 10, 11 and the edges of the primary winding 3, pass between the wires 13. In the process of charging the structural capacitance of the line, the voltage on the secondary winding 19, that is, between the conductors of the line, increases. When this voltage reaches the set value, the discharge line is discharged to the load arrester. The resulting discharge current of the distributed structural capacitance of the line flows through the external (wire 13) and internal 16 conductors of the forming line, and not through the housing 1. This provides the required shielding of the primary winding 3 from the high voltage acting on the secondary winding 19 of the pulse transformer.

Использование изобретения обеспечивает создание импульсных источников питания с повышенным напряжением. The use of the invention provides the creation of switching power supplies with high voltage.

Claims (4)

1. ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, содержащий расположенные в корпусе коаксиальную формирующую линию и импульсный трансформатор с разомкнутым магнитопроводом, внешняя часть которого расположена на внутренней поверхности корпуса, а внутренняя является внутренним проводником формирующей линии, причем первичная обмотка трансформатора, являющаяся входом источника питания, расположена между внешней частью магнитопровода и внешним проводником формирующей линии, соединенным с корпусом с одной стороны, а вторичная обмотка трансформатора размещена между внешним и внутренним проводниками линии, которые являются выходом источника питания, отличающийся тем, что внешний проводник формирующей линии соединен с корпусом с другой стороны и выполнен в виде протяженных проводящих элементов, расположенных параллельно образующим проводников формирующей линии. 1. PULSED POWER SUPPLY, comprising a coaxial forming line and a pulse transformer with an open magnetic circuit located in the housing, the external part of which is located on the internal surface of the housing, and the internal is the internal conductor of the forming line, and the primary winding of the transformer, which is the input of the power source, is located between the external part of the magnetic circuit and an external conductor of the forming line connected to the housing on one side, and the secondary winding of the transformer placed between the external and internal conductors of the line, which are the output of the power source, characterized in that the external conductor of the forming line is connected to the housing on the other hand and is made in the form of extended conductive elements located parallel to the forming conductors of the forming line. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что на концах корпуса источника выполнены крючкообразные пазы, а протяженные проводящие элементы выполнены в виде проволоки, закрепленной S-образно в указанных пазах. 2. The source according to claim 1, characterized in that the hook-shaped grooves are made at the ends of the source housing, and the extended conductive elements are made in the form of a wire fixed S-shaped in these grooves. 3. Источник по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что крючкообразные пазы для закрепления проволоки выполнены на съемных кольцах, установленных на корпусе источника питания. 3. The source according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the hook-shaped grooves for securing the wire are made on removable rings mounted on the housing of the power source. 4. Источник по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что по крайней мере одно из колец с крючкообразными пазами выполнено с возможностью перемещения вдоль корпуса источника. 4. The source according to paragraphs. 1 to 3, characterized in that at least one of the rings with hook-shaped grooves is arranged to move along the source body.

Images