ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Область техники.

Изобретение относится к области электротехнической промышленности, в частности к импульсной технике, и может быть использовано для питания импульсных источников света, искровых камер, лазеров и ускорителей.

Уровень техники.

Известна электрическая схема импульсного генератора с инверсией напряжения на конденсаторах, содержащая цепочку n последовательно соединенных конденсаторов, которые через зарядное и разделительные сопротивления заряжаются до начального напряжения U₀. К каждому нечетному конденсатору цепочки через коммутирующий элемент подсоединена индуктивность, образующая с конденсатором LC-контур. Если число конденсаторов четное, то из-за разной полярности напряжений на соседних конденсаторах суммарное напряжение на них равно нулю. При одновременном замыкании n/2 коммутирующих элементов в LC-контурах начинается колебательный процесс и через время нечетные конденсаторы перезаряжаются, вследствие чего напряжение на всей цепочке конденсаторов составляет величину nU₀. Если в этот момент времени замкнуть разрядник-обостритель, то все напряжение nU₀ прикладывается к нагрузке [1].

Однако данная схема имеет n/2 коммутаторов, которые должны срабатывать в течение времени , и величина выходного напряжения генератора равна не более чем nU₀

Известны генераторы импульсных напряжений, содержащие ряд конденсаторов или искусственных двойных LC-линий, формирование выходного высоковольтного импульса в которых происходит при коммутации участков схемы одним общим коммутатором через разделительные бифилярные дроссели [2].

Генератор высоковольтных импульсов содержит n конденсаторов, зарядные бифилярные обмотки, помещенные на n-1 ферромагнитных сердечниках и составляющие трансформаторы с коэффициентом трансформации, равным единице, общий коммутатор, нагрузочное сопротивление и источник высокого напряжения.

Каждый конденсатор генератора заряжается высоким напряжением от источника высокого напряжения через обмотки импульсных трансформаторов (зарядные дроссели) до начального напряжения U₀, причем конденсатор последней n-ступени умножения заряжается через все вторичные обмотки и нагрузочное сопротивление.

При замыкании общего коммутатора каждый из конденсаторов n-1 ступени умножения разряжается на первичную обмотку соответствующего импульсного трансформатора через индуктивность бифилярной подводки к общему коммутатору.

Так как вторичные обмотки соединены последовательно и подключены через предварительно заряженный конденсатор n-ой ступени к нагрузке, то выходные импульсные напряжения каждой из ступеней умножения суммируется на нагрузочном сопротивлении.

Недостатком данного генератора является то, что использование при коммутации разделительных бифилярных дросселей, которые представляют собой импульсные трансформаторы с коэффициентом трансформации, равным единице, ограничивает коэффициент умножения генератора по напряжению К=U_{вых макс}/U₀ величиной, равной числу ступеней умножения n.

Необходимость обеспечения высокой индуктивной связи между обмотками бифилярных дросселей и надежной электрической изоляции между ними усложняет конструкцию генератора и приводит к уменьшению коэффициента умножения генератора и величины коммутируемой электрической энергии.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и выбранным в качестве прототипа является генератор высоковольтных импульсов, предложенный в работе [3].

Генератор высоковольтных импульсов, выполненый по схеме n-ступенчатого умножения, содержит n-накопительных конденсаторов и n-дросселей, источник высокого напряжения и нагрузку, соединенные с общей шиной. Один вывод первого накопительного конденсатора соединен с общей шиной, а другой через зарядное сопротивление подсоединен к высоковольтному выводу источника высокого напряжения. Первая ступень умножения состоит из последовательно соединенных первого накопительного конденсатора, дросселя и общего коммутатора. Накопительные конденсаторы всех ступеней умножения соединены последовательно. Все ступени умножения, кроме первой, образуют резонансные LC-контуры, состоящие из двух смежных накопительных конденсаторов, один из которых присоединен к своему и предыдущему контурам, и подсоединенного параллельного им дросселя. Нагрузка подключена через дополнительно введенный разрядник-обостритель к точке соединения n-накопительного конденсатора с n-дросселем, где n=2, 3, 4, … [3].

Недостатком данного генератора является то, что для увеличения его выходного напряжения и соответственно мощности, передаваемой в нагрузку, необходимо увеличивать число каскадов и подбирать заново значения конденсаторов и индуктивностей. При этом увеличивается число резонансных частот ω₁ (i=1, 2, … n) и возрастает время формирования максимума выходного напряжения генератора. Это приводит к дополнительному увеличению потерь электрической энергии, запасаемой в конденсаторах, как в коммутаторе, так и на омических сопротивлениях дросселей.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом изобретения является увеличение мощности генератора и КПД передачи электрической энергии от конденсаторов в нагрузку за счет увеличения максимума выходного напряжения и повышения запасаемой электрической энергии.

Технический результат достигается тем, что в генераторе высоковольтных импульсов, выполненном по схеме ступенчатого умножения, содержащей источник высокого напряжения, нагрузку, соединенные последовательно накопительные конденсаторы всех ступеней умножения, раздельные цепочки из дросселей, одна из которых через зарядное сопротивление подсоединена к высоковольтному выводу источника высокого напряжения, а другая соединена с общей шиной. Один вывод первого накопительного конденсатора соединен с общей шиной, другой через зарядное сопротивление подсоединен к высоковольтному выводу источника высокого напряжения. Первая ступень умножения состоит из первого накопительного конденсатора, дросселя и общего коммутатора, соединенных последовательно. Ступени умножения, кроме первой, образуют резонансные LC-контуры, состоящие из двух смежных накопительных конденсаторов, один из которых присоединен к своему и к предыдущему контурам, и подсоединенного параллельно им дросселя. Нагрузка подключена к общей шине и выводу разрядника-обострителя.

Новым в генераторе высоковольтных импульсов является то, что к общей точке последнего накопительного конденсатора и дросселя, входящего в его LC-контур, подключен дополнительный накопительный конденсатор, второй вывод которого через разделительный элемент подсоединен к средней точке между конденсаторами последнего резонансного LC-контура и другому выводу разрядника-обострителя.

Подсоединение дополнительного накопительного конденсатора, заряжаемого до начального напряжения U₀ через разделительный элемент, увеличивает запасаемую электрическую энергию на величину, пропорциональную емкости дополнительного накопительного конденсатора, и повышает коэффициент умножения генератора по напряжению - К на единицу. Это приводит к увеличению мощности генератора и повышению КПД передачи электрической энергии от конденсаторов генератора в нагрузку.

В качестве разделительного элемента, в зависимости от режима работы генератора, могут быть сопротивление, в режиме редко повторяющихся импульсов, диод или индуктивность, если реализуется импульсно-периодический режим работы генератора с высокой частотой следования выходных импульсов напряжения.

На Фиг.1 приведена схема заявляемого генератора высоковольтных импульсов, где: 1 - источник высокого напряжения, 2 - нагрузка, 3 - дроссели генератора, 4 - накопительные конденсаторы, 5 - зарядное сопротивление, 6 - коммутирующий элемент, 7 - разрядник-обостритель, 8 - дополнительный накопительный конденсатор, 9 - разделительный элемент.

На Фиг.2 приведена форма импульсов напряжения на конденсаторах генератора, поясняющих его работу, для трех резонансных LC- контуров схемы.

Заявляемый генератор высоковольтных импульсов работает следующим образом:

Каждый из последовательно соединенных конденсаторов 4 через зарядное сопротивление 5 и соответствующие дроссели 3 заряжается от источника высокого напряжения 1 до начального напряжения U₀. Конденсатор 8 заряжается через дроссели 3 и разделительный элемент 9. Разделительный элемент выбирается таким, чтобы при замыкании коммутатора 6 конденсатор 8 не принимал участия в резонансных колебаниях связанных между собой LC-контуров схемы генератора, то есть величина и полярность напряжения на конденсаторе 8 не должны изменяться за время формирования максимума напряжения на цепочке конденсаторов 4. При этом значения конденсаторов 4 и дросселей 3 подбираются такими, чтобы на момент максимума напряжения t₁ на последнем конденсаторе 4 полярность его напряжения изменилась на противоположную. Кроме этого заряды на каждом конденсаторе 4 и конденсаторе 8 должны быть равны по абсолютной величине, но у каждого из двух соседних конденсаторов, соединенных последовательно в цепочку, заряды должны быть разными по знаку. Тогда выходное напряжение генератора перед разрядником-обострителем будет равно;

U_вых=U₁-U₂+U₃-…

Если в момент времени t₁ замкнуть разрядник-обостритель, то выходное напряжение генератора U_вых будет приложено к нагрузке 2. При одинаковой индуктивности подводки выходного напряжения к нагрузке время разряда генератора на нагрузку будет меньше, чем у прототипа, так как выходная емкость генератора уменьшается при подключении к цепочке последовательно соединенных накопительных конденсаторов 4 дополнительного конденсатора 8.

Таким образом, коэффициент умножения заявляемого генератора по напряжению выше, чем у прототипа, на единицу, а суммарная емкость его конденсаторов выше на величину емкости конденсатора 8 и соответственно выше запасаемая электрическая энергия генератора. Более того, так как конденсатор 8 не принимает участия в колебаниях при формировании максимума выходного напряжения генератора, потери электрической энергии в нем минимальны, а значит уменьшаются общие потери энергии в генераторе, то есть его КПД увеличивается.

Проведено экспериментальное и расчетно-теоретическое подтверждение работоспособности заявляемого генератора высоковольтных импульсов.

Для выполнения вышеперечисленных условий возможны различные комбинации емкостей конденсаторов и индуктивностей дросселей, величины которых зависят от числа резонансных частот схемы генератора и их соотношения. Так для отношения частот ω₁:ω₂:ω₃:…ω_i:…ω_n=1:2:3:…i…:n, значения емкостей накопительных конденсаторов пропорциональны ~1/i², а индуктивностей дросселей ~i³. При n - четном полярность максимума выходного напряжения генератора совпадает с полярностью зарядного напряжения, а при n - нечетном будет противоположной.

Был изготовлен и испытан генератор с тремя резонансными LC-контурами при отношении емкостей накопительных конденсаторов 4 - C₁:С₂:С₃=1:0,29:0,17 и общей емкости ~50 нФ. Отношение индуктивностей дросселей 3 равнялось L₁:L₂:L₃=1:6,4:30 при значении основной резонансной частоты ω²=0,144:C₁L₁.

Величина емкости дополнительного накопительного конденсатора 8 была равна С=0.4 С₁, а в качестве разделительного элемента применялся дроссель с индуктивностью в ~20 раз больше индуктивности дросселя последнего резонансного LC-контура генератора. Получен коэффициент умножения генератора по напряжению К=4,6, то есть на ~25% больше, чем у прототипа, при суммарной емкости конденсаторов выше почти на 30%. Осуществлен импульсно-периодический режим работы генератора с частотой до ~200 Гц.

Изобретение относится к области электротехнической промышленности, в частности к импульсной технике, и может быть использовано для питания импульсных источников света, искровых камер, лазеров и ускорителей.

Источники информации

1. Fitch R.A., Howell V.T.S., // Proc. IEEE, 1964, V. 111, №4, р.849.

2. Авт. свид. СССР №272360, МКИ Н03К 3/53, Генератор высоковольтных импульсов / А.Б.Герасимов // БИ, 1970 г., №19.

3. Авт. свид. СССР №1131438, МКИ Н03К 3/53, Генератор высоковольтных импульсов/ А.Ф.Запольский // БИ, 1998 г., №31, с.368.