RU2090020C1

RU2090020C1 - Generator of voltage pulses

Info

Publication number: RU2090020C1
Application number: RU94011779A
Authority: RU
Inventors: Г.И. Долгачев; Г.С. Беленький
Original assignee: Долгачев Георгий Иванович
Priority date: 1994-04-08
Filing date: 1994-04-08
Publication date: 1997-09-10

Abstract

FIELD: high-power frequency-pulse equipment, generation of pulses of megavolt range with frequency up to several KHz, for instance, for power supply of accelerators, electric spark break of rocks, formation of shock waves, etc. SUBSTANCE: generator of voltage pulses has power supply source, a number of capacitors coupled to it and connected in series through discharges and in parallel through inductance coils. Each two inductance coils connecting adjacent capacitors are inductively intercoupled. Inductance coils can be manufactured in the form of flat spirals placed in pairs between dielectric plates, each pair being positioned between capacitors forming alternating network of coils and capacitors. EFFECT: expanded application field, enhanced functional efficiency. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области мощной частотно-импульсной техники и может быть использовано для генерации импульсов мегавольтного диапазона с частотой до нескольких килогерц, применяющихся для питания ускорителей, электроискрового разрушения пород, создания гидроударных волн и т.д. The invention relates to the field of powerful frequency-pulse technology and can be used to generate pulses of the megavolt range with a frequency of up to several kilohertz, used to power accelerators, electrospark rock destruction, create shock waves, etc.

Известен генератор импульсов напряжения (ГИН), содержащий RC-линию, в которой ряд конденсаторов C параллельно через резисторы R подключен к источнику питания и последовательно через разрядники к нагрузке [1]
Недостатком указанного ГИН является ограниченная величина КПД, которая обусловлена потерями в резисторах.Known voltage pulse generator (GIN), containing an RC line in which a series of capacitors C is connected in parallel through resistors R to a power source and in series through arresters to a load [1]
The disadvantage of this GIN is the limited value of the efficiency, which is due to losses in the resistors.

Ближайшим техническим решением является ГИН (схема Аркадьева-Маркса),содержащий подключенную к источнику питания LC-линию, в которой ряд конденсаторов C, соединенных катушками индуктивности L, соединен разрядниками [2]
Недостатком устройства является невозможность одновременного снижения потерь энергии в катушках и повышения частоты импульсов, которые зависят противоположным образом от величины индуктивности катушек: с ее ростом уменьшаются потери энергии в катушках и одновременно увеличивается время зарядки последнего конденсатора через LC-линию.The closest technical solution is a GIN (Arkadyev-Marx circuit) containing an LC line connected to a power source, in which a series of capacitors C connected by inductors L are connected by arresters [2]
The disadvantage of this device is the impossibility of simultaneously reducing energy losses in the coils and increasing the frequency of pulses, which depend in the opposite way on the magnitude of the inductance of the coils: with its increase, the energy losses in the coils decrease and the charging time of the last capacitor through the LC line also increases.

Техническим результатом является возможность одновременного получения малых потерь энергии в катушках и высокой частоты, а также уменьшение габаритов ГИН. The technical result is the ability to simultaneously obtain small energy losses in the coils and high frequency, as well as reducing the size of the GIN.

Технический результат достигается тем, что в ГИН, содержащем подключенную к источнику питания LC-линию, в которой ряд конденсаторов C, соединенных катушками индуктивности L, соединен последовательно разрядниками, каждые две катушки индуктивности, соединяющие соседние конденсаторы, индуктивно связаны между собой. Катушки могут быть выполнены в виде попарно закрепленных между диэлектрическими пластинами плоских спиралей и каждая пара расположена между конденсаторами, образуя чередующуюся цепочку из катушек и конденсаторов. The technical result is achieved in that in a GIN containing an LC line connected to a power source, in which a series of capacitors C connected by inductors L are connected in series by dischargers, every two inductors connecting adjacent capacitors are inductively connected to each other. The coils can be made in the form of plane spirals paired between dielectric plates and each pair is located between the capacitors, forming an alternating chain of coils and capacitors.

На фиг.1 представлена схема ГИН;на фиг.2 конструктивное выполнение плоских катушек. Figure 1 presents a diagram of the GIN; figure 2 structural embodiment of flat coils.

ГИН (фиг.1) содержит источник питания 1, конденсаторы 2 и 3, разрядники 4, пары катушек индуктивности 5 и 6, одиночную катушку индуктивности 7. Конденсаторы 2, 3 емкостью C и катушки 5, 6 и 7 индуктивностью L образуют LC- линию, подключенную к источнику питания 1. Через разрядники 4 конденсаторы соединены последовательно и подключены к нагрузке. Пары катушек 5 и 6, соединяющие одноименные клеммы соседних конденсаторов, индуктивно связаны между собой (коэффициент связи k). Концы катушек обозначены буквами Н и К ("Начало" и "Конец"). Катушки намотаны в одну сторону, точки Н каждой пары индуктивно связанных катушек (5 и 6) подсоединены к клеммам одного конденсатора (2), точки К клеммам другого [3] Собственная величина индуктивности одной катушки (например 5) без учета влияния связанной с ней катушки 6 (когда катушка разомкнута или удалена) составляет величину L. GIN (figure 1) contains a power source 1, capacitors 2 and 3, arresters 4, pairs of inductors 5 and 6, a single inductor 7. Capacitors 2, 3 with a capacity of C and coils 5, 6 and 7 with an inductance L form an LC line connected to the power source 1. Through the arresters 4, the capacitors are connected in series and connected to the load. Pairs of coils 5 and 6 connecting the same terminals of adjacent capacitors are inductively coupled to each other (coupling coefficient k). The ends of the coils are indicated by the letters H and K ("Start" and "End"). The coils are wound in one direction, the H points of each pair of inductively coupled coils (5 and 6) are connected to the terminals of one capacitor (2), the points To the terminals of the other [3] The inductance value of one coil (for example 5) without taking into account the influence of the coil connected to it 6 (when the coil is open or removed) is L.

Катушки могут быть выполнены в виде плоских спиралей (фиг.2): между диэлектрическими пластинами 1 расположены катушки 2. Начало и конец катушек, как и на фиг.1, обозначены соответственно буквами Н и К. Катушки помещены между конденсаторами, которые располагаются сверху и снизу пластин, образуя при этом чередующуюся цепочку из пластин и конденсаторов. Размеры пластин равны размерам граничащих с ними граней конденсаторов. The coils can be made in the form of flat spirals (FIG. 2): coils 2 are located between the dielectric plates 1. The beginning and end of the coils, as in FIG. 1, are indicated by the letters H and K. The coils are placed between the capacitors, which are located on top and below the plates, forming an alternating chain of plates and capacitors. The sizes of the plates are equal to the sizes of the faces of the capacitors bordering them.

ГИН (фиг.1) работает следующим образом.При включении источника питания 1 происходит зарядка емкости C конденсаторов через индуктивности L катушек. При этом токи в индуктивно связанных катушках 5, 6 текут в противоположных направлениях, и создаваемые ими магнитные потоки вычитаются. Это приводит к тому, что в режиме зарядки эффективная индуктивность связанных катушек уменьшается: L_зар= (1-k)L. Задержка времени зарядки последнего в LC-линии конденсатора относительно первого уменьшается в 1/1(1-k)^1/2 раз и составляет t (n-1)[(1-k)(2LC)]^1/2, где n число конденсаторов в LC-линии. Это позволяет не только увеличить частоту срабатывания ГИН, но и увеличить точность запуска разрядников, т. к. повышается стабильность напряжения на разрядниках. При запуске разрядников происходит разрядка ГИН на нагрузку и одновременно через индуктивности катушек. В режиме разрядки токи в индуктивно связанных катушках текут в одну сторону, и создаваемые или магнитные потоки складываются, что приводит к увеличению эффективности связанных катушек L_раз (1+k)L и, следовательно, к уменьшению теряемой в катушках энергии в (1+k) раз и к соответствующему повышению КПД ГИН. Влияние индуктивной связи катушек растет с ростом величины k и становится практически значимым при k > 0,5. Высокое значение k 0,8 0,95 можно получить, например, используя для намотки коаксиальный кабель с необходимой электропрочностью изоляции, жилка одна катушка, оплетка другая.GIN (figure 1) works as follows. When you turn on the power source 1, the capacitance C of the capacitors is charged through the inductors L of the coils. In this case, the currents in the inductively coupled coils 5, 6 flow in opposite directions, and the magnetic flux created by them is subtracted. This leads to the fact that in the charging mode, the effective inductance of the connected coils decreases: L _zar = (1-k) L. The delay time of charging the latter in the LC line of the capacitor relative to the first decreases by 1/1 (1-k) ^1/2 times and is t (n-1) [(1-k) (2LC)] ^1/2 , where n is the number capacitors in an LC line. This allows not only to increase the frequency of the GIN operation, but also to increase the accuracy of the triggering of the arresters, since the voltage stability at the arresters is increased. When starting the arresters, the GIN is discharged to the load and simultaneously through the inductors of the coils. In the discharge mode, the currents in the inductively coupled coils flow in one direction, and the generated or magnetic fluxes add up, which leads to an increase in the efficiency of the coupled coils L _times (1 + k) L and, consequently, to a decrease in the energy lost in the coils in (1 + k ) times and to a corresponding increase in the efficiency of GIN. The influence of the inductive coupling of the coils increases with increasing k and becomes practically significant at k> 0.5. A high value of k 0.8 to 0.95 can be obtained, for example, by using a coaxial cable with the necessary electrical strength of insulation for winding, the core is one coil, the braid is another.

Рассмотрим пример 20-ступенчатого ГИН установки РС-20 [3] на частотных (10 Гц) конденсатора ИК-50-0,2, выполняемых в том же корпусе, что и наиболее распространенные конденсаторы ИК-100-0,4 (Серпуховский завод). Применены плоские катушки (фиг.1, 2) с пластинами из оргстекла в 3 мм, размером (как и боковая грань конденсатора) 50х33 см². Намотка (30 витков прямоугольной формы) выполнена медным проводом, диаметром 0,7 мм с толщиной изоляции 0,7 мм. Пластины выступают за края намотки катушек на 6 см. Выбранные размеры обеспечивают необходимую (50 кВ) электропрочность изоляции между катушками и самих катушек. Индуктивность одной (уединенной) катушки L 100 мкГн, k 0,85. Малая толщина катушек позволила расположить их между конденсаторами, не переделывая "этажерки" ГИН. При этом время задержки зарядки последнего конденсатора относительно первого уменьшилось в 1/(1-k)^1/2=2,5 и составило около 2•10^-4 с. Это не только снимает практические ограничения на частоту, но и повышает стабильность работы ГИН, т.к. позволяет иметь одновременно на всех разрядниках одинаковое напряжение. ГИН работает на индуктивную нагрузку (4 мкГн) с плазменным прерывателем тока. Индуктивность нагрузки L_н, приходящаяся на один каскад (конденсатор) ГИН, составляет L_н 0,8 мкГн. При разрядке ГИН токи в индуктивностях нагрузки и катушек обратно пропорциональны величинам этих индуктивностей. КПД преобразования электрической энергии ГИН в магнитную энергию индуктивности нагрузки (считая, что каждый конденсатор разряжается одновременно на две катушки) составит [L(1+k)/2]/{[(1+k)/2+L_н} 0,99. При этом потери энергии в катушках по сравнению со схемой прототипа при тех же параметрах снизились в (1+k) 1,85 раз.Let us consider an example of a 20-stage GIN of the RS-20 installation [3] on frequency (10 Hz) IK-50-0.2 capacitors, made in the same case as the most common IK-100-0.4 capacitors (Serpukhov Plant) . Flat coils were used (Figs. 1, 2) with 3 mm plexiglass plates, the size (as well as the side face of the capacitor) was 50x33 cm ² . The winding (30 turns of rectangular shape) is made of copper wire, with a diameter of 0.7 mm and an insulation thickness of 0.7 mm. The plates extend beyond the edges of the coil winding by 6 cm. The selected sizes provide the necessary (50 kV) electrical strength of the insulation between the coils and the coils themselves. The inductance of one (solitary) coil is L 100 μH, k 0.85. The small thickness of the coils made it possible to place them between the capacitors, without redoing the “shelves” of the GIN. In this case, the charging delay time of the last capacitor relative to the first decreased in 1 / (1-k) ^1/2 = 2.5 and amounted to about 2 • 10 ^-4 s. This not only removes practical restrictions on the frequency, but also increases the stability of the GIN, because allows to have the same voltage at all arresters. GIN operates on an inductive load (4 μH) with a plasma current chopper. The load inductance L _n per one cascade (capacitor) of GIN is L _n 0.8 μH. When GIN is discharged, the currents in the inductances of the load and coils are inversely proportional to the values of these inductances. The efficiency of converting GIN electric energy to magnetic load inductance energy (assuming that each capacitor is discharged simultaneously into two coils) will be [L (1 + k) / 2] / {[(1 + k) / 2 + L _n } 0.99 . In this case, the energy loss in the coils compared with the prototype circuit with the same parameters decreased by (1 + k) 1.85 times.

Таким образом, предложенная схема ГИН позволяет получить одновременно малые потери в катушках и высокую частоту его срабатываний. Кроме того, возможно уменьшение габаритов ГИН. Thus, the proposed GIN scheme makes it possible to simultaneously obtain small losses in the coils and a high frequency of its operation. In addition, it is possible to reduce the size of the GIN.

Claims

1. A voltage pulse generator comprising a power source and a series of capacitors connected to it, connected in series through dischargers and in parallel through inductors, characterized in that every two inductors connecting adjacent capacitors are inductively coupled to each other.

2. The generator according to claim 1, characterized in that the inductors are made in the form of flat spirals, pairwise fixed between the dielectric plates, and each pair is located between the capacitors, forming an alternating chain of coils and capacitors.