DE2600428C3

DE2600428C3 - Kondensatorladesystem für Impulsgeneratoren mit Kondensatorentladung

Info

Publication number: DE2600428C3
Application number: DE19762600428
Authority: DE
Inventors: William Sebastian Peckleton Leicestershire Graff-Baker (Grossbritannien)
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1975-09-18
Filing date: 1976-01-08
Publication date: 1978-05-24
Also published as: GB1563999A; DE2600428B2; DE2600428A1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf Kondensatorlarlesysteme und insbesondere auf Kondensatorladesysteme zur Anwendung in Impulsgeneratorkreiscri mit Konden satorentladung.

Resonanz-Aufladekreise zum wiederholten Aufladen eines Kondensators mit Gleichstrom werden in Impulsgeneratorsystemen häufig benutzt. Wo es notwendig ist, die Größe der aufgeladenen Spannung zu steuern, sind verschiedene gut bekannte Einrichtungen vorgesehen, durch welche der Ladestrom innerhalb des Zyklus entweder durch einen gesteuerten Betrag oder bei einem gesteuerten Augenblick der Zeit abgeleitet werden kann. Wie bekannt, leiden solche Anordnungen jedoch an der Schwierigkeit, daß die aufgeladene Spannung nur zwischen den theoretischen Grenzen gesteuert werden kann, welche durch die Gleichstrom-Versorgungsspannung und dem doppelten Wert dieser Spannung gegeben sind.

In der Praxis wurde gefunden, daß mit solchen bekannten Anordnungen der ausnutzbare Bereich von etwa dem 1,4- bis l,9fachen der Gleichstrom-Versorgungsspannung reicht.

In früheren Anordnungen, wo solche Formen der Steuerung benutzt wurden, um die aufgeladene Spannung gegen Schwankungen der Versorgungsspannung zu stabilisieren, bewegte sich der erlaubte Bereich der Eingjngsspannungen entsprechend den obengenannten Grenzen zwischen ±15%. In vielen Fällen ist ein solcher Bereich nicht ausreichend, um sowohl gegen Netzspannungsschwankungen als auch gegen Schwankungen in der Regelung des Gleichrichtersystems zur Lieferung der Gleichstrom-Versorgungsspannung anzugehen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Impulsdauer des Impulsgenerators zyklisch oder willkürlich verändert wird oder wenn er von einem Wert auf einen anderen geschaltet wird. Zusätzlich wird oft gefordert, daß der Spannungspegel der Kondensatorladung über einen relativ weiten Bereich geändert werden muß, um die Ausgangsleistung des Impulsgenerators selbst zu steuern.

Die vorliegende Erfindung sucht ein verbessertes Kondensatorladesystem vorzusehen, was bei einem mit Entladung arbeitenden Impulserzeuger verwendbar ist und in welchem der ausnutzbare Steuerbereich der aufgeladenen Spannung vergrößert ist.

Gemäß der Erfindung enthält ein Kondensatorladesystem, welches in einem Impulserzeuger mit Kondensatorentladung anwendbar ist, einen Speicherkondensator, welcher von einer Spannungsquelle über eine mit einem Kern versehene Spulenwicklung und einen ersten Schalter aufgeladen wird, wobei ein zweiter Kondensator mit einem Punkt zwischen dieser Spulenwicklung und dem ersten Schalter an der Versorgungsspannung über einen zweiten Schalter liegt, wobei im Betrieb der zweite Kondensator von der im Magnetfeld der Spulenwicklung gespeicherten Energie aufgeladen wird, wenn der erste Schalter nichtleitend und der zweite Schalter leitend ist, und wobei eine weitere Spulenwicklung auf dem genannten Kern vorgesehen ist, welche über eine passend gepolte, unilateral leitende Einrichtung an der Versorgungsspannung liegt, wobei bei finem bestimmten Punkt beim Aufladen des zweiten Kondensators die genannte unilateral leitende Einrichtung leitend wird, so daß die restliche im magnetischen Feld der ersten Spulenwicklung gespeicherte elektrische Energie zur Stromquelle zurückkehren kann.

Vorzugsweise sind der erste und zweite Schalter lngg=rbare unilateral leitende Einrichtungen wie /.. B. Thyristoren oder Entladungsröhren, und die unilateral leitende Einrichtung, welche die zweite Spulenwicklung mit der Stromquelle verbindet, ist ein einfacher Gleichrichter.

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Vorzugsweise liegt am zweiten Schalter eine Spule in Reihe mit einer unilateral leitenden Einrichtung, vorzugsweise wiederum ein einfacher Gleichrichter, weilcher in bezug auf eine schaltbare unihteral leitende Einrichtung, welche den zweiten Schalter bildet, entgegengesetzt gepolt ist.

Vorzugsweise ist die genannte zweite Spulenwicklung als abgegriffene Windung ausgeführt, deren einer Teil über die genannte unilateral leitende Einrichtung an der Stromquelle liegt, wobei die ganze Wicklung über einen Schalter an der Stromquelle liegt, welcher in Abhängigkeit vom Spannungspegel der Stromquelle arbeitet

Vorzugsweise ist der letztgenannte Schalter eine triggerbare, unilateral leitende Einrichtung, welche so geschaltet ist, daß sie durch eine spannungsempfindliche Einrichtung getriggert wird, welche an der Stromquelle liegt.

Die Erfindung wird an Hand von Ausfüi.rungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltungsdiagramm einer Kondensatorladeanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, F i g. 2 ein erläuterndes Diagramm und F i g. 3 eine Abwandlung der Anordnung nach F i g. 1

In den Fig. 1 i"td 3 sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.

In Fig. 1 ist ein Speicherkondensator 1 vorgesehen, welcher von einer Gleichstromquelle 2 über eine auf einen ferromagnetischen Kern 4 gewickelte Spulenwicklung 3 aufgeladen wird, wenn ein Thyristor 5 leitend gesteuert wird. Mit einem Punkt A zwischen der Spulenwicklung 3 und dem Thyristor 5 ist ein zweiter Kondensator 6 verbunden, der in Reihe mit einem zweiten Thyristor 7 liegt, so daß der Kondensator 6 von der im magnetischen Feld der Spulenwicklung 1 gespeicherten Energie aufgeladen wird, wenn der Thyristor 7 leitend gesteuert wird.

Auf den gleichen Kern 4, auf den die Spulenwicklung 3 aufgewickelt ist, ist eine zweite Spulenwicklung 8 aufgewickelt, welche die /i-fache Wicklungszahl der Spulenwicklung 3 aufweist. Die zweite Spulenwicklung 8 liegt über einer Gleichrichterdiode 9 an der Gleichstromquelle 2.

Zusätzlich ist dem Thyristor 7 eine Reihenschaltung einer Spule 10 und einer Gleichrichterdiode 11 parallel geschaltet. Der Diodengleichrichter 11 ist bezüglich des Thyristors 7 umgekehrt gepolt.

Die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. 1 wird nun unter Bezugnahme auf das erläuternde Diagramm der Fig. 2 erklärt.

In Fig. 2 ist die Nennspannung der Stromquelle mit Ede angenommen. Der Aufladezyklus beginnt zum Zeitpunkt t\ durch Triggern des Thyristors 5 und die Spannung am Punkt A fällt zuerst auf Null und steigt dann so, wie sich der Kondensator 1 mitschwingend über die Induktanz der Wicklung 3 auflädt. Zu einem gegebenen Augenblick ft wird der Thyristor 7 getriggert und durch Wirkung des im wesentlichen entladenen Zustandes des Kondensators 6 fällt die Spannung am ι Punkt A augenblicklich auf fast Null, wodurch der Stromfluß zum Kondensator 1 unterbrochen und der l.adevorgang beendet wird. Die Spannung am Punkt Λ steigt dann wiederum an, während der in der Wicklung 3 fließende Strom den Kondensator 6 auflädt. Mit der Zeit ι erreicht sie diejenige Spannung, auf welche der Kondensator 1 aufgeladen wurde, wodurch der Strom im Thyristor 5 unter den Haltestrom fällt und der Kondensator 1 abgetrennt wird. Wenn die Spannung am Punkt A den Wert von

erreicht, wird die Rückwärtsspannung an der Wicklung 3 gleich — Ede und dadurch wird die Spannung an der

Wicklung 8 gleich £*. Die Diode 9 leitet dann und der Strom in der Wicklung 3 wird ersetzt durch den

- -fachen Strom in der Wicklung 8. Die Gegenspannung - Ej₁ auf der Wicklung 3 wird dadurch konstant

gehalten, bis die ganze im magnetischen Feld der Spulenwicklung 3 gespeicherte Energie in die Gleichstromquelle 2 über die Diode 9 zurückgespeist ist und der Strom auf Null fällt. Dann entlädt sich der Kondensator !,der noch auf die Spannung

(■♦I)

aufgeladen ist, entsprechend über die Diode 11 und die Wicklung 3 in die Gleichstromquelle 2 und seine Spannung schwingt über auf einen Restpegel von

0 -1)*■

Wenn η größer als eins ist, wie in F i g. 2 angenommen, ist die Restspannung am Kondensator 6 positiv und beim nächsten Triggern des Thyristors 5 wird die Ladung an den Kondensator 1 geliefert, woraus eine Reduzierung oder Umsteuerung der Re.stspannung abhängig vom Wert der Wicklung 10 resultiert. Dieser Vorgang ist in Fig. 2 nicht dargestellt. Ist η kleiner als eins, wird die Restspannung am Kondensator 6 negativ und bleibt so, bis der Thyristor 7 getriggert wird.

Wird der Augenblick t₂ im Zyklus früher gewählt, nimmt der Pegel, auf den der Kondensator 1 aufgeladen wird, ab und die Grenze der Funktion tritt auf, wenn der an den Thyristor 5 angelegte Sperrspannungsinipuls nicht mehr zur Sperrung ausreicht. Die maximale Grenze am aufgeladenen Spannungspegel, wenn ti verzögert wird, ist entweder

E_Jt- oder 2 E₁,, ,

je nachdem, welcher Wert kleiner ist. Der Wert von η wird normalerweise gleich eins oder gerade größer als eins gemacht.

Es soll bemerkt werden, daß der Kondensator 1 die Gesamtkapazität eines impulsformenden Netzwerks enthalten kann und daß die Gleichstromquelle 2 fähig sein muß, einen Teil ihrer Ausgangsenergie, welche vom Ladekreis zurückkehrt, zu absorbieren. Solch eine Stromquelle enthält normalerweise einen Kondensator als Energiereservoir.

Mit einer in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen Einrichtung ist die Genauigkeit, mit der der Pegel der aufgeladenen Spannung des Kondensators 6 gesteuert werden kann, eine Funktion der Verzögerung und jeder Schwankimg dieser Verzögerung, welche zwischen d>:m Triggerimpuls zum Thyristor 5 und der effektiven Unterbrechung des Flusses des

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Ladestroms in den Kondensator 1 auftritt. Als Verzögerung ist lediglich diejenige wirksam, welche der Arbeitsweise des Thyristors 5 anhaftet, welche in der Praxis ausreichend klein und von ausreichend konstanter Natur ist, um eine sehr präzise Steuerung zu s erreichen. Die Anordnung kann zusätzlich dazu, daß sie eine gute Genauigkeit der Steuerung und eine Wiedergewinnung der Energie vorsieh;, in einem relativ großen Bereich der aufgeladenen Spannung arbeiten.

Wird jedoch die in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 ι« beschriebene Anordnung als Grundlage für ein System zur Stabilisierung der aufgeladenen Spannung gegen große Schwankungen der Versorgungsspannung benutzt, tritt eine Tendenz auf, daß die Spitzenspannung am Punkt A über den Pegel der gespeicherten Spannung ι s um mindestens das Verhältnis der maximalen zu minimalen Versorgungsspannungen anwächst. Diese Eigenschaften können insbesondere im Fall eines Systems unerwünscht sein, das mit einer gespeicherten Spannung von 10 kV oder mehr arbeitet. Die in :o Verbindung mit Fig. 3 zu beschreibende Abwandlung versucht den Betrag zu reduzieren, auf den die Spitzenspannung am Punkt A anwächst.

In der Anordnung nach F i g. 3 sind eine Gleichstromquelle 2, ein Kondensator 6, Thyristoren 7 und 5, eine :s Wicklung iO, ein Diodcngleichrichter 11 und ein Kondensator 1 wie oben vorgesehen, jedoch nicht gezeigt. Die zweite Spulenwicklung 8 ist über ihre η Windungen der F i g. 1 hinaus ausgedehnt, und sieht die Anzahl von m Windungen mit einem Abgriff an der y> n-ten Windung wie gezeigt vor. Der Abgriff, bezeichnet mit 12, ist mit der Diode 9 auf die Art verbunden, in welcher das Ende der Spulenwicklung 8 mit der Diode 9 in [·' i g. 1 verbunden ist. Die Gesamtzahl der Windungen m liegt ebenso über einen Thyristor 13 an der Stromquelle, welcher so geschaltet ist, daß er von einem spannungsempfindlichen Kreis 14 getriggert wird, welcher an der Gleichstromquelle liegt. Wenn im lall der in F i g. 3 gezeigten Abwandlung die Versorgungsspannung unter einem vorbestimmten Pegel liegt, wird ein Durchschalten des Thyristors 13 durch den spannungsempfindlichen Kreis 14 verhindert und die Anordnung arbeitet exakt wie in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben. Wenn jedoch die Versorgungsspannung über den obengenannten vorbestimmten Pegel ansteigt, nimmt der spannungsempfindliche Kreis 14 die am Thyristor 13 liegende blockierende Vorspannung weg und ermöglicht es, daß der Thyristor 13 wie ein normaler Diodengleichrichter arbeitet, wobei die Anordnung wie zuvor arbeitet, jedoch mit einem Verhältnis m zu I anstatt η zu 1 zwischen den Spulenwicklungen 3 und 8.

In einem typischen Beispiel einer Anordnung, welche für Schwankungen der Eingangsspannung von ±28% ausgelegt ist und bei welcher η = 1 und m = 2 ist, ist die maximale Spannung am Punkt A zwischen 35% und 40% größer als der Pegel der aufgeladenen Spannung. Wenn es erwünscht ist, der Spannung am Punkt A größere Einschränkungen aufzuerlegen oder wenn eine viel größere Schwankung der Versorgungsspannung zu erwarten ist, kann die zweite Spulenwicklung 8 weiter ausgedehnt und mit Abgriffen versehen und mit weiteren Thyristoren ähnlich dem Thyristor 13 verbunden werden, welche so geschaltet sind, daß sie bei zunehmend höheren Pegeln der Eingangsspannung leitend gesteuert werden.

Hierzu 2 Blatt Zuidimmucn

Claims

26 OO Patentansprüche:

1. Kondensatorladesystem zur Anwendung in Impulsgeneratoren mit Kondensatorentladung, enthaltend einen Speicherkondensator, welcher von einer Stromquelle über eine mit einem Kern versehene Spulenwicklung und einen ersten Schalter aufgeladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Kondensator (6) vorgesehen ist, ι ο welcher mit einem Punkt (A) zwischen der Spulenwicklung (3) und dem ersten Schalter (5) verbunden ist, und daß der zweite Kondensator (6) über einen zweiten Schalter (7) an der Stromquelle (2) liegt, wodurch im Betrieb der zweite Kondensa- ι s tor (6) durch die im magnetischen Feld der Spulenwicklting (3) gespeicherte Energie aufgeladen wird, wenn der erste Schalter (5; nichtleitend und der zweite Schalter (7) leitend ist, und daß auf dem Spulenkern (4) eine weitere Spulenwicklung (8) vorgesehen ist, welche über eine passend gepolte unilateral leitende Einrichtung (9) mit der Stromquelle (2) verbunden ist, wodurch bei einem gegebenen Punkt beim Aufladen des zweiten Kondensators (6) die unilateral leitende Einrichtung (9) leitend wird, so daß die im magnetischen Feld der ersten Spulenwicklung (3) übrigbleibende gespeicherte Energie zur Stromquelle (2) zurückgeführt werden kann.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erster (5) und zweiter (7) Schalter triggerbare unilateral leitende Einrichtungen wie

z. B. Thyristoren oder Entladungsröhren sind, und daß die unilateral leitende Einrichtung (9), welche die zweite Spulenwicklung (8) mit der Stromquelle (2) verbindet, ein einfacher Gleichrichter ist.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Schalter (7) die Reihenschaltung aus einer Spule (10) und einer unilateral leitenden Einrichtung (11), vorzugsweise wiederum ein einfacher Gleichrichter, parallel geschaltet ist, und daß die unilateral leitende Einrichtung (H) bezüglich einer den zweiten Schalter (7) bildenden schaltbaren unilateral leitenden Einrichtung entgegengesetzt gepolt ist. '

4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spulenwicklung (8) als angezapfte Wicklung ausgebildet ist, von der ein Teil (n)\\ber die unilateral leitende Einrichtung (9) an der Stromquelle (2) liegt und daß die ganze so Wicklung (m) über einen Schalter (13) an der Stromquelle (2) liegt, welcher in Abhängigkeit vom Spannungspegel der Stromquelle steuerbar ist.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (13) eine triggerbare, unilateral ys leitende Einrichtung ist, welche durch eine an der Stromquelle (2) liegende spannungsempfindliche Einrichtung (14) getriggert werden kann.