Результат интеллектуальной деятельности: СИСТЕМА ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ЗАРЯДКИ

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано при разработке мощных импульсно-периодических ускорителей электронов и СВЧ-генераторов на их основе.

При создании мощных электрофизических установок, в частности ускорителей электронов, работающих в импульсно-периодическом режиме с высокой средней мощностью электронного пучка, весьма актуальной задачей является разработка эффективной и надежной системы импульсно-периодической зарядки (СИЗ) емкостных накопителей генераторов высоковольтных импульсов. При уровнях средней мощности пучка в сотни киловатт и выше наиболее предпочтительным является подход с использованием предварительно заряжаемого высоковольтного буферного емкостного накопителя, энергия из которого с помощью коммутатора-прерывателя дозировано передается в емкостной накопитель генератора высоковольтных импульсов (рабочую емкость). Скорость передачи энергии из буфера в высоковольтный генератор наиболее просто регулировать с помощью индуктивности, величина которой в совокупности с величинами буферной и рабочей емкости однозначно определяет длительность зарядки рабочей емкости и, соответственно, частоту следования импульсов. Немаловажным преимуществом данной схемы является возможность работать с удвоением напряжения на генераторе высоковольтных импульсов. Кроме того, разрыв цепи прерывателем по окончании цикла зарядки осуществляется в момент нуля тока (в максимуме напряжения на рабочей емкости), что положительно сказывается на эффективности и надежности работы всей системы в целом.

Основным элементом в схеме с дозированным отбором энергии из буферного накопителя является коммутатор-прерыватель, функции которого в высоковольтных вариантах СИЗ может выполнять разрядник с вращающимся электродом (РВЭ), который периодически замыкает буферную накопительную емкость на накопитель генератора высоковольтных импульсов и после окончания зарядки разрывает цепь. Основными проблемами при эксплуатации РВЭ и всей СИЗ на его основе в целом являются эффективное гашение высоковольтной дуги по окончании зарядки, надежное без пропусков закорачивание промежутков разрядника в начале зарядки и повышение надежности функционирования СИЗ за счет быстрого прерывания ее работы при возникновении нештатных ситуаций.

Следует отметить, что разрядники с вращающимся электродом для коммутации емкостного накопителя на нагрузку - разряд в воде - широко используются в промышленности для дробления щебня, очистки вагонеток от окалины и т.д. (Л.А. Юткин. Электрогидравлическое дробление. - Л.: ЛДНТП, ч. 1, 1959, 36 с.). Применение таких систем основано на электрогидравлическом эффекте. Указанные устройства работают в широком интервале запасенной в буфере энергии и питающих напряжений, однако частоты срабатываний ограничиваются единицами герц и лишь при средних мощностях до 50 кВт реализованы режимы с частотой следования импульсов 50…100 Гц.

За прототип, наиболее близкий к заявляемой системе импульсно-периодической зарядки по совокупности признаков, выбран генератор импульсных токов с фильтровой (буферной) емкостью и индуктивной зарядной цепью электрогидравлической установки (Л.А. Юткин. Электрогидравлические установки. - Л.: Машиностроение, 1986. - стр. 86-90, рис. 3.1д).

Прототип содержит источник высокого напряжения, буферный емкостной накопитель, индуктивность, высоковольтный диод, размещенный в заземленном корпусе разрядник с двумя неподвижными электродами и вращающимся электродом и генератор высоковольтных импульсов.

В основе функционирования системы импульсно-периодической зарядки, выполненной по схеме прототипа, лежит процесс дозированного отбора энергии с помощью коммутатора-прерывателя из предварительно заряженного с помощью источника высокого напряжения буферного накопителя. В качестве коммутатора-прерывателя в прототипе использован разрядник с двумя неподвижными электродами и одним вращающимся электродом, для которого величина коммутируемой энергии ограничена электрической прочностью конструкции и эрозионной стойкостью электродов. Расстояние между неподвижными электродами при этом определяется диаметром вращающегося электрода. В схеме СИЗ прототипа буферная емкость через индуктивность электрически связана с неподвижным электродом РВЭ, второй неподвижный электрод РВЭ соединен через диод с емкостным накопителем генератора высоковольтных импульсов. При этом один из неподвижных электродов находится под потенциалом зарядки буферной емкости, второй - поскольку рабочая емкость изначально не заряжена, находится под нулевым потенциалом. При сближении вращающегося электрода с неподвижными за счет разности потенциалов первоначально происходит пробой воздушного промежутка между высоковольтным неподвижным электродом и вращающимся. В результате подвижный электрод попадает под высокий потенциал, что в свою очередь ведет к пробою второго межэлектродного промежутка между подвижным и вторым неподвижным, связанным с рабочей емкостью. Таким образом, электрическая цепь замыкается и начинается зарядка генератора, которая носит резонансный характер. Подвижный электрод продолжает свое вращательное движение и расстояние между ним и неподвижными электродами непрерывно увеличивается. При этом ток зарядки рабочей емкости продолжает течь через электрическую дугу, образовавшуюся между электродами. По мере роста напряжения на рабочей емкости ток зарядки падает, в момент окончания зарядки он становится равным нулю и в штатном режиме работы дуга самопроизвольно гаснет. Этому способствует и наличие в цепи защитного высоковольтного диода, который предотвращает возникновение колебательного процесса в системе буферная емкость - рабочая емкость - индуктивность. Наличие защитного диода, кроме того, позволяет за счет организации принудительной временной задержки между окончанием процесса зарядки (нулем тока) и коммутацией рабочей емкости на нагрузку гарантированно обеспечить обрыв высоковольтной дуги в разряднике с вращающимся электродом за счет паузы тока.

Следует особо отметить, что в прототипе в составе РВЭ использован один вращающийся электрод, неподвижные электроды расположены друг напротив друга и зазор между ними определяется размерами вращающегося электрода, что ограничивает электрическую прочность конструкции и скорость гашения дуги.

Система импульсно-периодической зарядки, выполненная по схеме прототипа, позволяет получать практически любую частоту следования импульсов при небольших рабочих емкостях до 0,1 мкФ. Это достигается тем, что буферная емкость работает в режиме частичного разряда, а рабочая - заряжается в течение одного полупериода в колебательном режиме через индуктивность с малыми омическими потерями. При этом величина буферной емкости превышает рабочую в 15…20 раз.

Вместе с тем повышение средней мощности, передаваемой в накопитель генератора высоковольтных импульсов, с помощью системы импульсно-периодической зарядки по схеме прототипа требует существенного увеличения емкости буферной батареи, а значит и энергетики, запасаемой в ней, что существенным образом повышает негативные последствия нештатных ситуаций. Эти нештатные ситуации в подавляющем большинстве случаев связаны с невосстановлением электрической прочности до номинального уровня либо самопробоем коммутатора (либо коммутаторов) генератора высоковольтных импульсов и самопробоем самого разрядника с вращающимся электродом на землю. С учетом большой запасаемой в буфере энергии последствия нештатной работы ключевых элементов носят взрывной характер, что связано с существенно растущим по амплитуде и длительности током разрядки буферной емкости. Кроме того, при наличии закороченного коммутатора рабочего накопителя либо РВЭ на землю оборвать ток в цепи СИЗ, многократно превышающий номинальный, без принятия специальных мер не представляется возможным. Происходит полная разрядка буферной емкости с выгоранием или повреждением электродов РВЭ и коммутаторов высоковольтного генератора. Установка плавкого предохранителя в цепи СИЗ способна частично решить проблему защиты, но его эффективность и быстродействие в импульсных схемах существенно ограничены. Кроме того, восстановление работоспособности системы зарядки в этом случае возможно только после замены предохранителя.

Недостатками системы импульсно-периодической зарядки, выбранной в качестве прототипа, являются относительно невысокий уровень средней мощности, передаваемой в нагрузку, отсутствие защиты цепи от возникающего сквозного тока из-за невосстановления электрической прочности коммутатора генератора высоковольтных импульсов, а также периодические пропуски срабатывания РВЭ из-за наличия остаточного потенциала на вращающемся электроде от предыдущего импульса.

Следует особо отметить, что без принятия специальных мер дальнейшее повышение средней мощности системы импульсно-периодической зарядки, построенной по схеме прототипа, и увеличение частоты следования импульсов вызовет еще большие трудности в обеспечении ее функционирования из-за существенно возрастающей вероятности возникновения нештатных ситуаций.

Таким образом, для повышения среднего уровня мощности, передаваемой в нагрузку с помощью системы импульсно-периодической зарядки на основе дозированного отбора энергии с использованием разрядника с вращающимся электродом, и увеличения надежности функционирования СИЗ в этом режиме необходим ряд усовершенствований, минимизирующий последствия некорректной работы элементов.

Техническая задача состоит в совершенствовании схемы построения системы импульсно-периодической зарядки на базе дозированного отбора энергии из высоковольтного буферного накопителя с использованием быстродействующего защитного реле и разрядника с вращающимися электродами улучшенной конструкции.

Ожидаемым техническим результатом предлагаемого решения является увеличение средней мощности системы импульсно-периодической зарядки, повышение надежности ее работы и минимизация последствий некорректной работы основных элементов, входящих в СИЗ и генератор высоковольтных импульсов.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известной системы импульсно-периодической зарядки, включающей в свой состав источник высокого напряжения, буферный емкостной накопитель, индуктивность, высоковольтный диод, размещенный в заземленном корпусе разрядник, содержащий два неподвижных электрода и вращающийся электрод, и генератор высоковольтных импульсов, в предлагаемой системе между буферным емкостным накопителем и разрядником в схему введено быстродействующее защитное реле, а разрядник содержит два пространственно разнесенных неподвижных электрода и, как минимум, два пространственно разнесенных электрически связанных вращающихся электрода и оснащен датчиком положения вращающихся электродов и скользящим контактом, электрически связанным с одной стороны с вращающимися электродами, с другой - через токоограничивающий элемент с корпусом разрядника.

Введение в схему импульсно-периодической системы зарядки между буферным емкостным накопителем и разрядником быстродействующего защитного реле позволяет существенно увеличить среднюю мощность и повысить надежность системы в целом. В случае нештатной работы разрядника с вращающимися электродами или коммутаторов генератора высоковольтных импульсов возникает сквозной ток из буферной емкости на землю, амплитуда и длительность которого существенно превышает штатные рабочие значения. Установленный в цепи пороговый токовый датчик при этом формирует сигнал на запуск защитного высоковольтного реле, которое быстро разрывает зарядную цепь на заранее выбранный временной интервал. Это позволяет восстановить электрическую прочность коммутирующих элементов, избежать разрушения узлов сквозным током из буферной емкости и продолжить работу системы после замыкания защитного реле в штатном режиме.

Пространственное разнесение неподвижных электродов и использование соответствующим образом разнесенных, как минимум, двух вращающихся электродов позволяет существенным образом повысить эффективность гашения дуги и электрическую прочность конструкции за счет увеличения зазоров между неподвижными электродами. Разнесение неподвижных электродов может быть осуществлено как по углу (электроды расположены в одной плоскости вращения), так и по высоте.

Оснащение РВЭ датчиком положения вращающихся электродов позволяет оперативно регулировать момент запуска и величину паузы тока между окончанием процесса зарядки и запуском коммутаторов высоковольтного генератора, что, во-первых, облегчает штатный режим работы генератора за счет обеспечения полного восстановления электрической прочности коммутаторов, во-вторых, позволяет за счет регулировки задержки оперативно менять частоту следования импульсов. Оснащение РВЭ скользящим электрическим контактом, связывающим вращающиеся электроды через токоограничивающий элемент с землей, обеспечивает во время движения электродов, когда они не замкнуты дугой на неподвижные электроды, принудительное поддержание на них нулевого потенциала. Такая организация работы разрядника существенным образом стабилизирует пусковые характеристики и повышает его надежность. При замкнутых на неподвижные электроды вращающихся электродов (во время процесса зарядки рабочей емкости) токоограничивающий элемент препятствует стеканию заряда из буферной емкости на землю.

Таким образом, построение мощной высоковольтной системы импульсно-периодической зарядки емкостных накопителей по предлагаемой схеме позволяет достичь технического результата - повышения средней мощности системы импульсно-периодической зарядки, увеличения надежности, работы системы и минимизации последствий некорректной работы основных элементов, входящих в состав СИЗ.

На фиг. 1 приведена схема заявляемой системы импульсно-периодической зарядки,

где

1 - источник высокого напряжения;

2 - быстродействующее защитное реле;

3 - буферный емкостной накопитель;

4 - индуктивность;

5 - высоковольтный диод;

6 - разрядник с вращающимися электродами;

7 - генератор высоковольтных импульсов;

где С_р - рабочая емкость; К - коммутатор; R - сопротивление.

На фиг. 2 приведена схема разрядника с вращающимися электродами, датчиком положения электродов и скользящим контактом, электрически связанным с вращающимися электродами и через токоограничивающий элемент с корпусом разрядника,

где

8 - корпус разрядника;

9 - диэлектрический вал;

10 - вращающиеся электроды;

11 - неподвижные электроды;

12 - диск с датчиком положения вращающихся электродов;

13 - скользящий контакт;

14 - токоограничивающий элемент.

Заявляемая система импульсно-периодической зарядки реализована на практике. В состав СИЗ, схема которой представлена на фиг. 1, входят: источник высокого напряжения 1 в виде высоковольтного выпрямителя, буферный емкостной накопитель 3, набранный из параллельно включенных энергоемких высоковольтных конденсаторов, быстродействующее защитное реле 2, представляющее из себя герметичный объем, заполненный трансформаторным маслом, в котором с помощью электромагнита происходит коммутация и размыкание цепи зарядки с использованием подвижных электродов, индуктивность 4, защитная сборка 5 из высоковольтных сильноточных диодов, разрядник с вращающимися электродами 6, генератор высоковольтных импульсов 7 с рабочей емкостью С_р и газовым управляемым коммутатором К. Разрядка ГИН после срабатывания коммутатора осуществлялась на активную нагрузку, которая на схеме представлена сопротивлением R.

Разрядник с вращающимися электродами (см. фиг. 2) состоит из заземленного металлического корпуса 8 с размещенными внутри него на диэлектрическом валу 9 тремя пространственно разнесенными на 120 градусов друг относительно друга вращающимися электрически связанными электродами 10, двумя неподвижными электродами 11, также разнесенными на 120°, жестко связанного с валом РВЭ диска с датчиком положения электродов 12 и касающегося вращающихся электродов скользящего контакта 13, соединенного с корпусом разрядника через токоограничивающий элемент 14 в виде резистора.

Система импульсно-периодической зарядки работает следующим образом. В соответствии с фиг. 1 источник высокого напряжения 1 относительно медленно заряжает буферный емкостной накопитель 3. Перед окончанием зарядки асинхронный двигатель с регулятором оборотов раскручивает вал 9 (см. фиг. 2) с вращающимися электродами 10. По окончании процесса зарядки буферной емкости и достижения требуемой частоты вращения вала блок управления формирует импульс на замыкание быстродействующего защитного реле 2, которое подключает буферную емкость к неподвижному вводу РВЭ через индуктивность 4 и высоковольтную диодную сборку 5. При этом полярность подключения диода допускает протекание тока из буферной емкости в рабочую, но препятствует обратному течению. При сближении подвижного электрода с неподвижным происходит пробой и на подвижном электроде появляется высокий потенциал, что, в свою очередь, приводит к пробою со второго подвижного электрода, электрически связанного с первым, на второй неподвижный, который связан с емкостным накопителем С_р генератора высоковольтных импульсов. Начинается зарядка рабочей емкости. При этом время запаздывания полной коммутации разрядника (время включения РВЭ) в зависимости от напряжения на буферной емкости составляет 100…200 мкс и не влияет на работу СИЗ. По окончании процесса зарядки дуга в межэлектродных промежутках РВЭ гаснет, ток становится равным нулю и сигнал с датчика положения вращающегося электрода поступает на линию задержки в блоке управления. С задержкой относительно управляющего импульса формируется сигнал на запуск коммутатора К генератора высоковольтных импульсов и запасенная в рабочей емкости энергия выделяется на активной нагрузке. Длительность выделения энергии существенно короче процесса зарядки. При этом частота вращения вала разрядника, длительность зарядки, задержка управляющего импульса на запуск разрядника К согласованы. По окончании цикла заряд-разряд с неподвижными электродами начинает сближаться следующая пара подвижных электродов и цикл повторяется. При этом средняя коммутируемая мощность ограничивается только эрозионной стойкостью электродов разрядника и возможностями двигателя, обеспечивающего вращение электродов. В случае возникновения нештатной ситуации из-за невосстановления электрической прочности коммутатора генератора высоковольтных импульсов либо РВЭ существенно увеличивается ток из буферной емкости на землю. В этом случае установленный в цепи СИЗ датчик тока сформирует на входе быстродействующего защитного реле сигнал на разрыв цепи зарядки с последующим ее замыканием через промежуток времени, необходимый для восстановления электрической прочности, и работа СИЗ продолжается в штатном режиме.

Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований и компьютерного моделирования было показано, что заявляемая мощная импульсно-периодическая система зарядки на основе дозированного отбора энергии из высоковольтного буферного накопителя с помощью разрядника с вращающимся электродами улучшенной конструкции способна эффективно работать с высокой средней мощностью. При этом надежность заявляемой СИЗ существенно выше систем с заведомо более низкими выходными характеристиками.