RU204516U1

RU204516U1 - DEVICE FOR CHARGING HIGH-VOLTAGE LARGE CAPACITY CAPACITORS WITH PULSE TRANSFORMER

Info

Publication number: RU204516U1
Application number: RU2020138449U
Authority: RU
Inventors: Николай Михайлович Верещагин; Сергей Александрович Круглов; Андрей Александрович Сережин; Кирилл Дмитриевич Агальцов; Павел Владимирович Нургалиев
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2021-05-28

Abstract

Полезная модель относится к преобразовательной импульсной технике, в частности к вторичным источникам электропитания. Предложенное решение может применяться в качестве устройства заряда высоковольтных конденсаторов большой емкости, направленная на сокращение времени заряда конденсатора, сокращение числа высоковольтных элементов, и повышения эффективности передачи энергии, в заряжаемый конденсатор.Устройство заряда высоковольтных конденсаторов большой емкости с импульсным трансформатором включает в себя импульсный трансформатор, где вторичная обмотка подключена к нагрузочному конденсатору через защитный диод, на первичную обмотку подводится выходное напряжение с генератора высоковольтных импульсов с индуктивным накопителем энергии и газоразрядным коммутатором тока, где индуктивным накопителем энергии выступает первичная обмотка импульсного трансформатора. В конструкции трансформатора может отсутствовать, а может использоваться магнитопровод. Регулировка уровня выходного напряжения обеспечивается за счет, изменения величины обрываемого тока. В данном случае устройство позволяет сохранить на первоначальном уровне свои массогабаритные показатели, при этом оно считается гальванически развязанной с высоковольтным конденсатором.The utility model relates to a pulse converter technology, in particular to secondary power supplies. The proposed solution can be used as a charging device for high-voltage high-capacity capacitors, aimed at reducing the charging time of a capacitor, reducing the number of high-voltage cells, and increasing the efficiency of energy transfer to a charged capacitor. The charging device for high-voltage high-capacity capacitors with a pulse transformer includes a pulse transformer, where the secondary winding is connected to the load capacitor through a protective diode, the output voltage from a high-voltage pulse generator with an inductive energy storage and a gas-discharge current switch is supplied to the primary winding, where the primary winding of the pulse transformer acts as an inductive energy storage device. There may be no transformer in the design, but a magnetic circuit can be used. Adjustment of the output voltage level is provided by changing the value of the cut off current. In this case, the device allows you to keep its weight and dimensions at the original level, while it is considered galvanically isolated from a high-voltage capacitor.

Description

Полезная модель относится к преобразовательной импульсной технике, в частности к вторичным источникам электропитания. Предложенное решение может применяться в качестве устройства заряда высоковольтных конденсаторов большой емкости, направленное на сокращение времени заряда конденсатора, сокращение числа высоковольтных элементов, и повышения эффективности передачи энергии, в заряжаемый конденсатор.The utility model relates to a pulse converter technology, in particular to secondary power supplies. The proposed solution can be used as a charging device for high-voltage capacitors of large capacity, aimed at reducing the charging time of the capacitor, reducing the number of high-voltage elements, and increasing the efficiency of energy transfer to the charged capacitor.

Широкое применение в высоковольтной импульсной технике нашли генераторы, основанные на многоступенчатом способе заряда емкостных накопителей энергии [1]. Типовая конструкция генераторов, основанных на многоступенчатом способе заряда емкостных накопителей энергии, включает в себя отдельные «зарядные ступени», состоящие из высоковольтных конденсаторов и коммутирующих элементов. Количество используемых ступеней определяет параметры выходного импульса, кроме того, их число определяет массогабаритные параметры генератора в целом [2].Generators based on a multistage method of charging capacitive energy storage devices have found wide application in high-voltage pulse technology [1]. A typical design of generators based on a multistage charging method for capacitive energy storage includes separate "charging stages" consisting of high-voltage capacitors and switching elements. The number of stages used determines the parameters of the output pulse, in addition, their number determines the mass and size parameters of the generator as a whole [2].

Одним из применений является построение импульсных модуляторов, выполненных по схеме Аркадьева-Маркса (генераторы Аркадьева-Маркса). Применяя вместо традиционных искровых разрядников твердотельные коммутаторы, удалось существенно увеличить электрические параметры проектируемых модуляторов, в частности сократить потери на проводимость в момент разряда на нагрузку, увеличить частоту следования импульсов и среднюю выходную мощность, кроме того, появилась возможность контроля времени заряда и разряда конденсатора, за счет применения системы управления твердотельными коммутаторами.One of the applications is the construction of pulse modulators made according to the Arkadiev-Marx scheme (Arkadiev-Marx generators). By using solid-state switches instead of traditional spark gaps, it was possible to significantly increase the electrical parameters of the designed modulators, in particular, to reduce conductivity losses at the time of discharge to the load, to increase the pulse repetition rate and average output power, in addition, it became possible to control the charge and discharge time of the capacitor, for through the application of a control system for solid state switches.

Однако, при проектировании подобных систем, рассчитанных на значительные величины токов и напряжений, выбор твердотельных коммутаторов накладывает ряд ограничений. Большие величины токов и напряжений достигаются за счет применения сборок твердотельных коммутаторов, потому как единичный элемент не рассчитан на такие значения, за счет этого увеличивается стоимость его построения. Для качественного управления твердотельными коммутаторами необходима сложная система управления, с целью уменьшения мощностных потерь на переключении, внедрение такой системы для каждого коммутатора, за счет большого количества сопутствующих элементов этой системы, уменьшается эффективность работы генератора в целом.However, when designing such systems designed for significant values of currents and voltages, the choice of solid-state switches imposes a number of restrictions. Large values of currents and voltages are achieved through the use of assemblies of solid-state switches, because a single element is not designed for such values, due to this, the cost of its construction increases. For high-quality control of solid-state switches, a complex control system is required, in order to reduce power losses on switching, the introduction of such a system for each switch, due to the large number of accompanying elements of this system, decreases the efficiency of the generator as a whole.

Предлагаемое устройство заряда высоковольтных конденсаторов большой емкости, на основе генератора высоковольтных импульсов мощности с индуктивным накопителем энергии и газоразрядным коммутатором тока [3], способным формировать импульсы напряжения до 100 кВ и выходной мощностью порядка 70 МВт от низковольтного источника питания (рисунок 1). Конструкция данного устройства позволяет заменить собой зарядные ступени, при сохранении заданных параметров выходного импульса, а работа газоразрядного прерывателя тока в непрерывном частотном режиме позволяет значительно сократить время заряда высоковольтных конденсаторов и регулировать амплитуду напряжения, путем изменения амплитуды тока обрыва, исходя из выражения ε=-Ln*dI/dt, где L - значение индуктивности накопителя энергии, N -коэффициент трансформации импульсного трансформатора (N=w1/w2), dI - величина обрываемого тока, dt - время выключения газоразрядного прерывателя тока [4].The proposed charging device for high-voltage capacitors of large capacity, based on a generator of high-voltage power pulses with an inductive energy storage and a gas-discharge current switch [3], capable of generating voltage pulses up to 100 kV and an output power of about 70 MW from a low-voltage power source (Figure 1). The design of this device allows you to replace the charging stages, while maintaining the specified parameters of the output pulse, and the operation of the gas-discharge current breaker in a continuous frequency mode can significantly reduce the charging time of high-voltage capacitors and regulate the voltage amplitude by changing the amplitude of the break-off current, based on the expression ε = -Ln * dI / dt, where L is the value of the inductance of the energy storage, N is the transformation ratio of the pulse transformer (N = w1 / w2), dI is the value of the cut off current, dt is the shutdown time of the gas-discharge current breaker [4].

Устройство заряда высоковольтных конденсаторов большой емкости с импульсным трансформатором, включает в себя импульсный трансформатор, где вторичная обмотка подключена к нагрузочному конденсатору через защитный диод, на первичную обмотку подводится выходное напряжение с генератора высоковольтных импульсов с индуктивным накопителем энергии и газоразрядным коммутатором тока, где индуктивным накопителем энергии выступает первичная обмотка импульсного трансформатора. В конструкции трансформатора может отсутствовать, а может использоваться магнитопровод. Регулировка уровня выходного напряжения обеспечивается за счет, изменения величины обрываемого тока. В данном случае устройство позволяет сохранить на первоначальном уровне свои массогабаритные показатели, при этом оно считается гальванически развязанной с высоковольтным конденсатором (рисунок 2).The charging device for high-voltage high-capacity capacitors with a pulse transformer includes a pulse transformer, where the secondary winding is connected to the load capacitor through a protective diode, the output voltage is supplied to the primary winding from a high-voltage pulse generator with an inductive energy storage and a gas-discharge current switch, where the inductive energy storage is the primary winding of the pulse transformer protrudes. There may be no transformer in the design, but a magnetic circuit can be used. Adjustment of the output voltage level is provided by changing the value of the cut off current. In this case, the device allows you to keep its weight and dimensions at the original level, while it is considered galvanically isolated from a high-voltage capacitor (Figure 2).

Список литературыBibliography

1. Д.В. Молчанов, И.В Лавринович Оптимальная конструкция высоковольтного генератора для электроимпульсного бурения глубоких скважин - Международная конференция по прикладной физике, энергетике и материаловедению 2019. (Journal of Physics: Серия конференций).1. D.V. Molchanov, I.V. Lavrinovich Optimal design of a high-voltage generator for electric pulse drilling of deep wells - International Conference on Applied Physics, Energy and Materials Science 2019. (Journal of Physics: Conference Series).

2. Н.И. Бойко, А.В. Макогон. Генератор по схеме Аркадьева - Маркса с покаскадным обострением фронта импульсов для обеззараживающей обработки пищевых продуктов - Электротехника и электромеханика 2017. №42. N.I. Boyko, A.V. Macogon. Generator according to the Arkadiev-Marx scheme with a cascading aggravation of the pulse front for disinfecting food processing - Electrical Engineering and Electromechanics 2017. No. 4

3. Верещагин Н.М., Круглов С.А., Сережин А.А., Шатилов С.Г., Агальцов К.Д., Павлов М.Б. Газоразрядные прерыватели тока низкого давления в генераторе высоковольтных наносекундных импульсов с индуктивным накопителем энергии//ПТЭ. 2017. №63. Vereshchagin N.M., Kruglov S.A., Serezhin A.A., Shatilov S.G., Agaltsov KD, Pavlov M.B. Gas-discharge low-pressure current interrupters in a generator of high-voltage nanosecond pulses with an inductive energy storage // PTE. 2017. No. 6

4. Шатилов С.Г. Исследование газоразрядных прерывателей тока в режиме генерации высоковольтных импульсов: дис.канд. тех. наук. - Рязань. -2016.4. Shatilov S.G. Investigation of gas-discharge current interrupters in the mode of generation of high-voltage pulses: dis.cand. those. sciences. - Ryazan. -2016.

Claims

A charging device for high-voltage capacitors of large capacity with a pulse transformer, containing a pulse transformer, where the secondary winding is connected to the load capacitor through a protective diode, the output voltage from a high-voltage pulse generator with an inductive energy storage and a gas-discharge current switch is supplied to the primary winding, where the primary acts as an inductive energy storage device. a winding of a pulse transformer, characterized in that the gas-discharge current switch is designed to operate in a frequency mode.