Результат интеллектуальной деятельности: ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, к преобразовательной технике и может быть использовано в частности для запитки геофизических диполей, соленоидов с высоким энергозапасом, для испытания силовых трансформаторов путем их нагружения килоамперными токами большой длительности и др.

Существуют импульсные устройства для запитки геофизических диполей токовыми импульсами мощностью 1-10 МВт, длительностью 1-10 сек: на основе самовозбуждающегося МГД-генератора на продуктах сгорания специальных плазменных топлив по патенту RU №2028709, Кл. МПК⁷ Н02К 44/08, и на основе турбогенератора по патенту RU №2087011, Кл. МПК⁷ G01V 3/04.

Недостатками известных устройств являются большой вес и габариты, а также ограниченная возможность управления параметрами токовых импульсов, поскольку это связано с достаточно сложными настройками и переключениями в схемах. Кроме того, при изменении режимов работы, параметров и полярности импульсов требуется, по меньшей мере, частичное отключение установки, что занимает много времени.

Прототипом заявляемого изобретения служит импульсный генератор по патенту Великобритании GB 1092439, Кл. МПК⁷ Н03К 3/00, содержащий формирователь импульсов с управляемыми ключами. Генератор служит для запитки геофизического электромагнитного излучателя в виде кабельной петли. Формирователь выполнен по схеме резонансного мостового инвертора, в диагональ которого включен колебательный контур, содержащий резонансный конденсатор и нагрузку. Формирователь преобразует постоянный ток первичного источника питания в переменный ток нагрузки. При этом обеспечивается оперативное регулирование частоты следования и ширины импульсов, а также быстрая и легкая смена режима генерации однополярных импульсов на двухполярные и обратно.

Однако конденсатор резонансного контура обладает низкой удельной энергоемкостью ˜0,1 Дж/см³ (или ˜0,2 кДж/кг). Поэтому при формировании мегаджоульных импульсов резонансный конденсатор имеет большой вес и габариты, что является недостатком, ограничивающим использование устройства. Кроме того, при требовании обеспечения транспортабельности низкие удельные показатели резонансного конденсатора препятствуют увеличению энергии и мощности импульсов.

В известном генераторе форма импульсов напряжения и тока, определяемая резонансными процессами в LC-контуре инвертора, может быть только квазисинусоидальной и регулируется в узких пределах, а при генерации однополярных импульсов вообще не регулируется. Это является недостатком, так как в ряде применений требуются импульсы иных форм, в том числе с регулируемыми несимметричными полуволнами, чего данный генератор осуществить не может. Другим недостатком является низкая точность формирования одиночных импульсов или коротких цугов импульсов при работе генератора в ударном режиме, что связано с большим временем переходных процессов в резонансном контуре, составляющим 5-20 периодов колебаний.

Решаемой задачей изобретения является создание транспортабельного устройства мегаваттной мощности с регулируемой формой импульсов тока килоамперной величины секундных длительностей.

Техническим результатом при решении данной задачи являлось уменьшение веса и габаритов, увеличение энергии импульса и мощности генератора, повышение точности и расширение диапазона регулирования параметров выходных импульсов.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным импульсным генератором на основе формирователя с управляемыми коммутаторами в заявляемом устройстве формирователь выполнен в виде, по меньшей мере, одного каскада, снабженного первой и второй выходными клеммами, каждая из n ступеней каждого каскада содержит аккумуляторную батарею, одним из выходов, одинаковой полярности для всех ступеней, соединенную с управляемым коммутатором, аккумуляторная батарея каждой предыдущей ступени подключена последовательно к аккумуляторной батарее последующей ступени через управляемый коммутатор, свободный выход аккумуляторной батареи первой ступени связан с первой выходной клеммой, свободный вывод управляемого коммутатора последней ступени связан со второй выходной клеммой, каждая из ступеней шунтирована диодом, включенным обратно по отношению к полярности аккумуляторной батареи, кроме того, дополнительно введены первый и второй переключатели полярности, причем первые клеммы каскадов подключены к нагрузке через нормально замкнутые контакты первого переключателя полярности и нормально разомкнутые контакты второго переключателя полярности, а вторые клеммы каскадов подключены к нагрузке через нормально замкнутые контакты второго переключателя полярности и нормально разомкнутые контакты первого переключателя полярности.

Кроме того, при числе каскадов более одного вторая выходная клемма каждого из каскадов может быть подключена к переключателям полярности через отдельный сглаживающий дроссель, причем параллельно выходным клеммам каждого из каскадов включен встречно шунтирующим ступени диодам замыкающий диод, а между контактами переключателей полярности, со стороны противоположной нагрузке, включены параллельно сглаживающий конденсатор и цепь, состоящая из управляемого коммутатора и последовательно соединенного с ним резистора.

В заявляемом устройстве формирователь содержит идентичные ступени, объединенные в каскады и работающие на общую нагрузку с регулируемым временным сдвигом относительно друг друга. В каждом из каскадов ступени включены последовательно, а сами каскады параллельно. Выходные напряжения и токи ступеней суммируются на нагрузке для получения заданной амплитуды и формы импульсов.

По сравнению с резонансным инвертированием тока, многоступенчатое суммирование постоянных токов (напряжений) обеспечивает меньшее время переходных процессов в силовом контуре, что повышает точность при генерировании серий импульсов, в том числе одиночных импульсов.

Амплитуда тока (напряжения) в нагрузке достигается необходимым числом последовательно и параллельно подключенных ступеней, а форма импульсов - посредством соответствующих временных сдвигов между подключением и отключением соседних ступеней. Большое количество ступеней и соответственно большое число «ступенек» в кривой выходного сигнала позволяет расширить виды аппроксимируемых им форм: синусоидальная, трапециидальная, треугольная, а также их комбинации.

Переключение ступеней осуществляется с помощью управляемых коммутаторов, при этом не включенные ступени обходятся током через шунтирующие диоды, что обеспечивает, в отличие от прототипа, регулирование амплитуды выходных импульсов в широких пределах.

Направление протекающего через нагрузку импульса тока определяется переключателями полярности. Плавный переход между полуволнами импульсов тока противоположного направления обеспечивает шунтирующая цепь, состоящая из управляемого коммутатора и последовательно соединенного с ним резистора. Эта цепь гасит коммутационные выбросы напряжения, что повышает точность формирования и гладкость двухполярных импульсов.

Другим преимуществом заявляемого генератора является возможность задания параметров индивидуально для любого импульса в серии, что расширяет диапазон регулирования за счет формирования серий импульсов с существенно несимметричными полуволнами.

В качестве накопителей энергии в ступенях использованы аккумуляторные батареи. К несомненным преимуществам последних следует отнести высокую плотность запасенной энергии. Ее величина по меньшей мере на два порядка выше, чем у резонансных конденсаторов, предназначенных для отдачи энергии в секундном диапазоне. Это позволяет уменьшить вес и габариты устройства.

В формирователе межкаскадная дроссельная развязка повышает гладкость импульсов, диодное шунтирование клемм уменьшает коммутационные выбросы напряжения при переключении ступеней, что обеспечивает увеличение энергии и мощности генератора за счет наращивания ступеней в каждом из каскадов и числа самих каскадов.

В результате заявляемый генератор по сравнению с прототипом обладает лучшими весогабаритными показателями, большей энергией и мощностью и обеспечивает регулирование параметров импульсов тока в более широком диапазоне с более высокой точностью.

На фигуре представлена электрическая схема многокаскадного импульсного генератора.

Формирователь 1 импульсного генератора содержит k одинаковых каскадов 2, снабженных выходными клеммами 3, 4. Каждый каскад включает n ступеней, каждая из которых состоит из аккумуляторной батареи 5.1 (5.2-5.n), анодом соединенной с управляемым коммутатором 6.1 (6.2-6.n). Аккумуляторная батарея 5.m-1 каждой предыдущей ступени подключена последовательно к аккумуляторной батарее 5.m последующей ступени через управляемый коммутатор 6.m-1, где m=2, ..., n. Катод аккумуляторной батареи 5.1 первой ступени связан с первой выходной клеммой 3, свободный вывод управляемого коммутатора 6.n последней ступени связан со второй выходной клеммой 4. Каждая из ступеней шунтирована диодом 7.1 (7.2-7.n), включенным обратно по отношению к полярности аккумуляторной батареи. Кроме того, генератор содержит дополнительно первый и второй переключатели полярности 8, 9, причем первые клеммы 3 формирователей подключены к нагрузке 10 через нормально замкнутые контакты первого переключателя полярности 8 и нормально разомкнутые контакты второго переключателя полярности 9, а вторые клеммы 4 формирователей подключены к нагрузке через нормально замкнутые контакты второго переключателя полярности 9 и нормально разомкнутые контакты первого переключателя полярности 8. Кроме того, при числе формирователей более одного вторая выходная клемма 4 каждого из каскадов подключена к переключателям полярности 8, 9 через отдельный сглаживающий дроссель 11, параллельно выходным клеммам 3, 4 каждого из каскадов включен, встречно цепочке шунтирующих диодов 7.1-7.n, замыкающий диод 12, а между контактами переключателей полярности 8, 9, со стороны противоположной нагрузке 10, включены параллельно сглаживающий конденсатор 13 и цепь, состоящая из управляемого коммутатора 14 и последовательно соединенного с ним резистора 15.

Импульсный генератор работает следующим образом. В начальном состоянии коммутаторы 6.1-6.n каждого из каскадов 2, а также коммутатор 14 находятся в разомкнутом состоянии. Импульсы управления подаются на коммутаторы 6.1-6.n в порядке увеличения номера каскада от первого по k-й в следующей последовательности: сначала с временным сдвигом ΔТ_вкл относительно друг друга - на коммутаторы 6.1 первых ступеней, потом с временным сдвигом ΔT_вкл относительно друг друга - на коммутаторы 6.2 вторых ступеней и так далее - на коммутаторы 6.n последней ступени.

При включении коммутатора 6.1 первого каскада к его выходным клеммам 3, 4 прикладывается напряжение u батареи 5.1 первой ступени. Ток I_1.1˜ut/L протекает по цепи первого каскада «батарея 5.1 - коммутатор 6.1 - диод 7.2 - ... - диод 7.n», дросселю 11 и общей цепи «переключатель 9 - нагрузка 10 - переключатель 8», замыкаясь на отрицательный полюс батареи 5.1. Дроссель 11 и конденсатор 13 сглаживают резкие скачки напряжения на нагрузке. Если их номиналы удовлетворяют условию R_н˜2, то напряжения нарастает без осцилляции с постоянной τ˜(1-ехр(-R_нt/2L)), где L - индуктивность дросселя 11, R_н - сопротивление нагрузки 10, С - емкость конденсатора 13. При включении коммутаторов 6.1 последующих каскадов, с второго по k-й, цепочки диодов 7.2-7.n последовательно открываются, а по соответствующим цепям каскадов и дросселям 11 проходят аналогичные токи I_1.i, объединяющиеся в общем участке цепи «переключатель 9 - нагрузка 10 - переключатель 8». По включении 6.1 в последнем k-м каскаде через нагрузку идет суммарный ток I₁ первых ступеней .

При включении коммутатора 6.2 второй ступени первого каскада к его выходным клеммам 3, 4 прикладывается напряжение батарей 5.1 и 5.2, равное 2u. Под действием обратной разности напряжения батареи 5.2 диод 7.2 закрывается и ток I_2.1˜2ut/L протекает по цепи первого каскада «батарея 5.1 - коммутатор 6.1 - батарея 5.2 - коммутатор 6.2 - диод 7.3 - ... - диод 7.n», дросселю 11 и общей цепи «переключатель 9 - нагрузка 10 - переключатель 8», возвращаясь на отрицательный полюс батареи 5.1. В момент переключения тока с 7.2 в 6.2 ток дросселя 11 замыкается диодом 12, что защищает элементы контура от выбросов напряжения. Включение коммутаторов 6.2 как первого, так и последующих каскадов с второго по k-й производится с временными задержками относительно друг друга, не превышающими постоянную нарастания τ. Этим обеспечивается плавное, без провалов суммирование каскадных токов. После включения коммутатора 6.2 в k-м каскаде через нагрузку идет суммарный ток I₂ первых двух ступеней .

При замыкании коммутаторов 6.3-6.n остальных ступеней процессы в каскадах протекают аналогично. Токи каскадов растут с увеличением числа включенных ступеней. На заключительном этапе все коммутаторы 6.1-6.n замкнуты, напряжение на клеммах 3, 4 равно сумме напряжений батарей 5.1-5.n, а ток в нагрузке составляет сумму токов всех n-ступенчатых каскадов .

Таким образом на нагрузке формируется фронт токового импульса. Формирование спада тока производится выключением коммутаторов 6.1-6.n в обратной последовательности, начиная с n-й ступени в k-м каскаде и завершая первой ступенью в первом каскаде. Длительность заднего фронта определяется временными задержками ΔT_выкл между моментами выключения коммутаторов относительно друг друга. Когда ток в нагрузке уменьшается до нуля, цикл формирования импульса завершен.

Следующий цикл формирования импульса выполняется через время T, с изменением полярности импульса или без изменения. Амплитуда тока будет определяться числом включенных ступеней, так как процесс суммирования токов может быть завершен на любой стадии формирования, начиная с первой. При этом форма вершины импульса зависит от номера каскада, которому принадлежит последний из включенных коммутаторов 6 и времени его включенного состояния. Длительность нарастания и спада импульса задаются временными интервалами ΔТ_вкл и ΔТ_выкл. Требуемая кривая выходного тока I_н достигается выбором функциональных зависимостей ΔT_вкл=F(k) и ΔT_выкл=F(k) подходящего вида. Для повышения точности учитывается зависимость напряжения аккумуляторных батарей 5 от тока нагрузки I_нu=f(I_н). Изменение направление тока в нагрузке 10 осуществляется переключением переключателей 8, 9. Для цикла с обратной полярностью импульса процессы в генераторе полностью повторяются.

В случае формирования двухполярного импульса, у которого временная сдвижка Т между импульсами противоположной полярности должна практически отсутствовать, одновременно с переключением 8, 9 включается управляемый коммутатор 14. При переключении 8, 9 имеет место временной интервал («мертвое время»), в течение которого они восстанавливают свое проводящее состояние, и нагрузка 10 получается отсоединенной не точно в «нуле» тока I_н. Этот ток перехватывает цепь, состоящей из коммутатора 14 и резистора 15, что обеспечивает вывод магнитной энергии дросселей 11. Резистор 15 ограничивает ток короткого замыкания. По окончании интервала «мертвого времени» коммутатор 13 выключается.

Значения коэффициентов k и n выбираются в зависимости от напряжения используемых аккумуляторных батарей, требуемого уровня выходного напряжения, мощности устройства, параметров нагрузки, временных характеристик импульсов согласно методике испытаний объекта.

В частном случае был реализован импульсный генератор с четырехкаскадным формирователем (k=4), каждый каскад которого содержал десять ступеней (n=10), каждая из которых включала 100-вольтовою аккумуляторную батарею с током разряда до 500 А в течении 10 с.

Предлагаемый генератор предназначался для глубинного электромагнитного мониторинга. Устройство обеспечило эффективное согласование по мощности и форме импульсов с двумя видами нагрузки: грунт и кабельная петля сопротивлением ˜0,5 Ом. При работе на грунт генерировались серии импульсов, включающие как минимум две несимметричные полуволны импульса тока противоположного направления. Отношение амплитуд соседних импульсов варьировалось от 0,1 до 0,9. При нагрузке на кабельную петлю формировались серии однополярных импульсов тока. Глубину модуляции по амплитуде можно было изменять от 10 до 90%. Время нарастания и спада токовых импульсов регулировались независимо друг от друга в интервале от 0,5 до 5 с с точностью 5%. При напряжениях порядка 1 кВ и токах около 2 кА (мощность около 2 МВт) вводимая в электрический диполь (длительность импульсов 1-10 с) энергия от импульсного генератора достигала порядка 10 МДж. Вес генератора не превышал 10 тонн, габаритные размеры - не более 2 м × 2,2 м × 5 м, что обеспечило его транспортабельность.

Следует отметить, что прототип с аналогичными энергетическими характеристиками, из-за чрезмерных весогабаритных показателей конденсаторной батареи (более 50 тонн, более 100 м³) сложно было бы эксплуатировать в передвижном комплексе. Кроме того, заявляемое устройство по сравнению с известным обладает в 50 раз большей мощностью, почти в 10⁵ раз большей энергией импульса, обеспечивает независимое регулирование амплитуды и длительности отдельных импульсов по меньше мере вдвое более широком диапазоне и вдвое большей точностью.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет уменьшить вес и габариты импульсного генератора, увеличить энергию и мощность импульсов, повысить точность и расширить диапазон регулирования их параметров.