RU2017329C1

RU2017329C1 - Current pulse generator

Info

Publication number: RU2017329C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Москалев; С.В. Пустынников; Г.И. Сергеев
Original assignee: Научно-исследовательский институт интроскопии Томского политехнического университета
Priority date: 1990-10-31
Filing date: 1990-10-31
Publication date: 1994-07-30

Abstract

FIELD: pulse engineering. SUBSTANCE: generator has single-phase shock-excited oscillator 1, thyristors 2,7,8,9, inductive integrator 3, capacitors 4,6, switch 5, load circuit 10, gate 11. Electric current carrier from inductive integrator 3 to load circuit 10 is transmitted via gate 11 under open thyristor 9. Capacitor 6 discharge to thyristor 2 at output current provides increase in load pulse power. EFFECT: increased output power. 2 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для накопления электрической энергии в индуктивном накопителе с последующей передачей накопленной энергии в нагрузку в виде единичного импульса тока. Генератор может применяться для питания ускорителей, лазеров, плазмотронов, электрогидравлических нагрузок и т.д. The invention relates to a pulse technique and is intended for the accumulation of electrical energy in an inductive storage ring with the subsequent transfer of the stored energy to the load in the form of a single current pulse. The generator can be used to power accelerators, lasers, plasmatrons, electro-hydraulic loads, etc.

Известен генератор импульсов тока на основе индуктивного накопителя, содержащий однофазный ударный генератор, подключенный через тиристор к индуктивному накопителю, вентиль, быстродействующий размыкатель и нагрузку [1]. Known current pulse generator based on an inductive storage device, containing a single-phase shock generator connected through a thyristor to an inductive storage device, a valve, a quick disconnect switch and a load [1].

Недостатком такого устройства является то, что в период накопления энергии в индуктивном накопителе происходит размагничивание ударного генератора под действием реакции якоря, его внутренняя ЭДС уменьшается, следовательно, снижается уровень энергии, запасаемой в накопителе и переданной в нагрузку. Другим недостатком такого устройства является наличие быстродействующего размыкателя, разрывающего шунтирующую цепь индуктивного накопителя в момент передачи накопленной энергии в нагрузку. The disadvantage of this device is that during the period of energy storage in the inductive storage device, the shock generator is demagnetized by the reaction of the armature, its internal EMF is reduced, therefore, the level of energy stored in the storage device and transferred to the load is reduced. Another disadvantage of this device is the presence of a high-speed circuit breaker, breaking the shunt circuit of the inductive storage at the time of transfer of the stored energy to the load.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство зарядки индуктивного накопителя энергии, содержащее однофазный ударный генератор, подключенный через тиристор к индуктивному накопителю, вентиль, быстродействующий размыкатель и нагрузку, в котором для компенсации размагничивающего действия реакции якоря на часть витков статорной обмотки через коммутатор подключена конденсаторная батарея [2]. Closest to the claimed device is a charging device for an inductive energy storage device, comprising a single-phase shock generator connected through a thyristor to an inductive storage device, a valve, a quick disconnect switch and a load, in which a capacitor bank is connected through the switch to compensate for the demagnetizing effect of the armature on the stator windings through the switch [ 2].

Недостатком такого устройства является наличие быстродействующего размыкателя, при срабатывании которого запасенная в накопителе энергия перебрасывается в нагрузку. Быстродействующий электродинамический размыкатель является сложным и дорогостоящим устройством, сравнимым по габаритам с индуктивным накопителем. The disadvantage of such a device is the presence of a high-speed circuit breaker, when triggered, the energy stored in the drive is transferred to the load. A high-speed electrodynamic circuit breaker is a complex and expensive device, comparable in size to an inductive storage device.

Срабатывание размыкателя в момент перехода ЭДС генератора через нулевое значение и в момент максимума тока сопровождается возникновением дуги, которую необходимо гасить и которая затягивает процесс коммутации, что приводит к дополнительным потерям передаваемой в нагрузку энергии. Кроме того, разрыв токовой цепи сопровождается броском перенапряжения, в 5-10 раз превышающим номинальное значение ЭДС генератора, что требует увеличения класса напряжения тиристоров и вентилей, а также усиления изоляции обмоток индуктивного накопителя и генератора. The operation of the circuit breaker at the moment the emf of the generator passes through zero and at the moment of maximum current is accompanied by the appearance of an arc that must be extinguished and which delays the switching process, which leads to additional losses of energy transmitted to the load. In addition, the breaking of the current circuit is accompanied by an overvoltage surge, 5-10 times higher than the nominal value of the EMF of the generator, which requires an increase in the voltage class of thyristors and valves, as well as increased insulation of the windings of the inductive storage and generator.

Следовательно, наличие в данной схеме быстродействующего размыкателя приводит к увеличению габаритов устройства и снижению надежности его работы. Therefore, the presence in this circuit of a high-speed circuit breaker leads to an increase in the dimensions of the device and a decrease in the reliability of its operation.

Целью изобретения является увеличение мощности устройства, уменьшение габаритов и повышение надежности его работы. The aim of the invention is to increase the power of the device, reducing the size and improving the reliability of its operation.

Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем однофазный ударный генератор, подключенный через первый тиристор к индуктивному накопителю, конденсатор, подключенный через коммутатор на часть витков статорной обмотки, вентиль и сопротивление нагрузки, параллельно зажимам первого тиристора включены последовательно дополнительный конденсатор и второй тиристор таким образом, что минусовая обкладка дополнительного конденсатора подключена к аноду первого тиристора, а катод второго тиристора подключен к катоду первого тиристора, причем в точку соединения плюсовой обкладки дополнительного конденсатора и анода второго тиристора подключен катод третьего тиристора, анод которого образует общую точку с выходным зажимом индуктивного накопителя, обкладкой конденсатора и входным зажимом статорной обмотки генератора, параллельно индуктивному накопителю включен четвертый тиристор анодом к общей точке и ветвь, содержащая последовательно включенные сопротивление нагрузки и вентиль, анод которого подключен к общей точке. The goal is achieved in that in a device containing a single-phase shock generator connected through the first thyristor to an inductive storage device, a capacitor connected through a switch to a part of the stator winding turns, a valve and load resistance, an additional capacitor and a second thyristor are connected in series with the terminals of the first thyristor in series that the minus plate of the additional capacitor is connected to the anode of the first thyristor, and the cathode of the second thyristor is connected to the cathode of the first thyristor, cathode of the third thyristor is connected to the connection point of the plus plate of the additional capacitor and the anode of the second thyristor, the anode of which forms a common point with the output terminal of the inductive storage, the capacitor plate and the input terminal of the stator winding of the generator, the fourth thyristor is connected by an anode to the common point and the branch containing a series-connected load resistance and a valve, the anode of which is connected to a common point.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства; на фиг. 2 - диаграммы напряжений и токов. In FIG. 1 shows a circuit diagram of a device; in FIG. 2 - diagrams of voltages and currents.

Устройство содержит (фиг. 1) однофазный ударный генератор 1, подключенный через первый тиристор 2 к индуктивному накопителю 3. На часть витков статорной обмотки генератора 1 подключен конденсатор 4 через коммутатор 5. Параллельно тиристору 2 включена ветвь с дополнительным конденсатором 6 и вторым тиристором 7. В зарядную цепь дополнительного конденсатора 6 включен третий тиристор 8. Параллельно индуктивному накопителю 3 включен четвертый тиристор 9 и ветвь с нагрузкой 10 и вентилем 11. The device contains (Fig. 1) a single-phase shock generator 1 connected through the first thyristor 2 to an inductive storage device 3. A capacitor 4 is connected to a part of the turns of the stator winding of the generator 1 through a switch 5. A branch with an additional capacitor 6 and a second thyristor 7 is connected in parallel with the thyristor 2. The third thyristor 8 is included in the charging circuit of the additional capacitor 6. In parallel with the inductive drive 3, the fourth thyristor 9 and a branch with a load of 10 and a valve 11 are connected.

На фиг. 2 изображены графики изменения ЭДС (12) генератора, тока (13) генератора, тока (14) четвертого тиристора, тока (15) в нагрузке, тока (16) заряда, напряжения (17) и тока разряда (18) дополнительного конденсатора. In FIG. 2 shows graphs of changes in the EMF (12) of the generator, the current (13) of the generator, the current (14) of the fourth thyristor, the current (15) in the load, the charge current (16), voltage (17) and the discharge current (18) of the additional capacitor.

Устройство работает следующим образом. Генератор 1 приводится во вращение и возбуждается до номинальной ЭДС (12). В момент времени t₁ включается коммутатор 5, подключающий конденсатор 4 на часть витков статорной обмотки, и тиристор 2, подключающий генератор 1 к индуктивному накопителю 3. По цепи генератор 1 - тиристор 2 - накопитель 3 начинает протекать ток (13). В момент времени t₂, когда ЭДС генератора переходит нулевое значение и ток (13) начнет уменьшаться, срабатывает тиристор 9, шунтирующий накопитель 3. Через индуктивный накопитель 3 и тиристор 9 начинает протекать ток (14), а ток генератора (13) уменьшается до нуля в момент времени t₃, и тиристор 2 закрывается. В момент времени t₅ вновь срабатывает тиристор 2, ток генератора растет и в момент времени t₆ становится равным току (14) тиристора 9, при дальнейшем увеличении тока генератора ток тиристора 9 упадет до нуля и тиристор 9 закрывается. В момент времени t₇, когда ток генератора достигает максимума, вновь срабатывает тиристор 9, шунтирующий индуктивный накопитель 3. Таким образом идет процесс накопления энергии в индуктивном накопителе, осуществляемый за 10-30 периодов ЭДС 12 [1]. На фиг. 2 представлены всего лишь три периода ЭДС, что вполне достаточно для пояснения принципа работы устройства. Амплитуда импульса тока с каждым циклом накопления непрерывно увеличивается и может достичь значения тока внезапного короткого замыкания генератора, а энергия, запасаемая в индуктивном накопителе, может в несколько раз превышать электромагнитную энергию генератора. Например, при соотношении индуктивного сопротивления накопителя Х_н и ударного индуктивного сопротивления Х_уд генератора Х_н/Х_уд=8 в накопителе можно сосредоточить энергию, равную 3,75 энергии внезапного короткого замыкания генератора [1].The device operates as follows. The generator 1 is driven into rotation and is excited to the rated EMF (12). At time t _{1, the} switch 5 is turned on, connecting the capacitor 4 to part of the turns of the stator winding, and the thyristor 2, connecting the generator 1 to the inductive drive 3. The circuit 1 generates a thyristor 2 - the drive 3 starts to flow current (13). At time t ₂ , when the EMF of the generator passes a zero value and the current (13) begins to decrease, the thyristor 9, the shunt drive 3 is triggered. Current (14) starts to flow through the inductive drive 3 and the thyristor 9, and the generator current (13) decreases to zero at time t ₃ , and thyristor 2 closes. At time t ₅ , thyristor 2 reacts again, the generator current increases and at time t ₆ it becomes equal to the current (14) of thyristor 9, with a further increase in the generator current, the current of thyristor 9 drops to zero and the thyristor 9 closes. At time t ₇ , when the generator current reaches its maximum, the thyristor 9, which shunts the inductive storage device 3, is again activated. Thus, the process of energy storage in the inductive storage device takes place over 10-30 periods of EMF 12 [1]. In FIG. Figure 2 presents only three periods of EMF, which is enough to explain the principle of operation of the device. The amplitude of the current pulse with each accumulation cycle is continuously increasing and can reach the value of the sudden short circuit current of the generator, and the energy stored in the inductive storage can several times exceed the electromagnetic energy of the generator. For example, when the ratio of the inductive resistance of the drive X _n and the shock inductive resistance X _{beats of the} generator X _n / X _beats = 8, the energy equal to 3.75 of the energy of the generator’s sudden short circuit can be concentrated in the drive [1].

В момент времени t₄ на максимуме отрицательной полуволны ЭДС (12) генератора включается тиристор 8 и осуществляется заряд дополнительного конденсатора 6. На фиг. 2 показаны ток заряда (16) и напряжение (17) конденсатора 6. В момент времени t₈, когда ток генератора в очередной раз достигнет максимума, срабатывает тиристор 7, конденсатор 6 разряжается через индуктивный накопитель и статорную обмотку генератора (ток разряда (18)). При этом положительно заряженная обкладка конденсатора 6 подключается к катоду тиристора 2, что приводит к его быстрому запиранию. Цепь протекания тока генератора - генератор 1 - накопитель 3 - тиристор 2 - разрывается, и ток генератора падает до нуля (момент времени t₉). Так как тиристор 9 на последнем этапе не включается, энергия, запасенная в индуктивном накопителе, через вентиль 11 перебрасывается в нагрузку 10, формируя в ней импульс тока (15). Когда ток в нагрузке упадет до нуля, запирается вентиль 11, и в момент времени t₁₀, когда ЭДС генератора переходит нулевое значение, устройство возвращается в исходное состояние.At time t _4, at the maximum of the negative half-wave EMF (12) of the generator, the thyristor 8 is turned on and the additional capacitor 6 is charged. FIG. 2 shows the charge current (16) and voltage (17) of the capacitor 6. At time t ₈ , when the generator current reaches its maximum once again, the thyristor 7 is triggered, the capacitor 6 is discharged through the inductive storage and the stator winding of the generator (discharge current (18) ) In this case, the positively charged lining of the capacitor 6 is connected to the cathode of the thyristor 2, which leads to its rapid locking. The generator current circuit - generator 1 - drive 3 - thyristor 2 - breaks, and the generator current drops to zero (time t ₉ ). Since the thyristor 9 does not turn on at the last stage, the energy stored in the inductive storage device is transferred through the valve 11 to the load 10, forming a current pulse in it (15). When the current in the load drops to zero, the valve 11 closes, and at time t ₁₀ , when the generator EMF goes to zero, the device returns to its original state.

Включение тиристора параллельно индуктивному накопителю позволяет запасать энергию, передаваемую в накопитель от ударного генератора, и не включать шунтирующую цепь в момент передачи запасенной энергии в нагрузку, что в совокупности с включением ветви с нагрузкой и вентилем параллельно индуктивному накопителю позволяет осуществлять передачу накопленной энергии в нагрузку без применения быстродействующего размыкателя, что приводит к значительному уменьшению габаритов устройства и повышению КПД его работы. Turning the thyristor parallel to the inductive storage allows you to store the energy transmitted to the storage from the shock generator, and not to include a shunt circuit at the time of transfer of the stored energy to the load, which, together with the inclusion of the branch with the load and the valve parallel to the inductive storage, allows you to transfer the stored energy to the load without the use of a high-speed circuit breaker, which leads to a significant reduction in the dimensions of the device and an increase in the efficiency of its operation.

Разряд предварительно заряженного дополнительного конденсатора в момент передачи энергии в нагрузку на тиристор, подключающий ударный генератор к индуктивному накопителю, позволяет уменьшить долю энергии, возвращаемую накопителем в генератор, и увеличить соответственно энергию, передаваемую в нагрузку, что приводит к увеличению мощности импульсов тока в нагрузке. The discharge of a pre-charged additional capacitor at the time of energy transfer to the load on the thyristor, connecting the shock generator to the inductive storage, allows to reduce the fraction of energy returned by the storage to the generator and, accordingly, to increase the energy transferred to the load, which leads to an increase in the power of current pulses in the load.

Примененные в устройстве решения позволяют создать компактное устройство, имеющее минимальное число коммутирующих элементов и не имеющее электродинамического размыкателя. The solutions used in the device make it possible to create a compact device with a minimum number of switching elements and without an electrodynamic circuit breaker.

Claims

A CURRENT PULSE GENERATOR, comprising a single-phase shock generator, the stator winding of which is connected to an inductive storage device through the first thyristor, the first capacitor connected through a switch to a part of the turns of the stator winding of the shock generator, a valve and load resistance, characterized in that the second thyristor is connected in series to the second thyristor a capacitor and a second thyristor so that the minus plate of the second capacitor is connected to the anode of the first thyristor, and the cathode of the second the thyristor is connected to the cathode of the first thyristor, the cathode of the third thyristor is connected to the junction point of the positive plate of the second capacitor and the anode of the second thyristor, the anode of which forms a common point with the output terminal of the inductive storage, the lining of the first capacitor and the input terminal of the stator winding of the shock generator, the fourth is connected in parallel with the inductive drive a thyristor, an anode connected to a common point, and a circuit containing a series-connected load resistance and a valve, an anode connected to common point.