RU2402873C1

RU2402873C1 - High-voltage pulse generator for electrodischarge technologies

Info

Publication number: RU2402873C1
Application number: RU2009124831/07A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Григорьевич Канаев (RU); Геннадий Григорьевич Канаев; Владимир Романович Кухта (RU); Владимир Романович Кухта; Владимир Васильевич Лопатин (RU); Владимир Васильевич Лопатин; Александр Владимирович Нашилевский (RU); Александр Владимирович Нашилевский; Геннадий Ефимович Ремнев (RU); Геннадий Ефимович Ремнев; Кенсуке Уемура (JP); Кенсуке Уемура
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2010-10-27

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: high-voltage pulse generator for electrodischarge technologies contains the following components, installed in one cylindrical housing (1) and series-connected: a multichannel spark arrester (2), a capacitive storage (3) and a pulse transformer; each spark gap of the multichannel spark arrester (2) has a control electrode (8) connected (through a resistor (10)) to a planted electrode and (through a capacitor (11) and a cable (12) to the anode of an additionally added starting arrester (13). The planted electrode serves as the coverplate (7) of the multichannel spark arrester (2). The capacitive storage (3) is composed of paralleled cylindrical capacitors (14). The ferromagnetic core (4) and the high voltage electrode (19) of the pulse transformer are electrically connected.

EFFECT: impulse front oversteepening, wave resistance reduction, increased reliability and extended life of the generator.

3 dwg

Description

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в электроразрядных технологиях, таких как дезинтеграция горных пород, снятия поверхностного слоя железобетонных конструкций, дробления мелкодисперсных частиц в растворах и т.п. мощными искровыми разрядами, канал которых внедряется в твердое тело, разрушая его.The invention relates to pulsed technology and is intended for use in electric-discharge technologies, such as rock disintegration, removal of the surface layer of reinforced concrete structures, crushing of fine particles in solutions, etc. powerful spark discharges, the channel of which is embedded in a solid body, destroying it.

Особенности электроразрядных технологий, где в качестве инструмента используется искровой разряд в жидкости или твердых телах, накладывает жесткие требования к параметрам импульсных генераторов [Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. - Апатиты: КНЦ РАН, 1995, 267 с.]. Основные из них: частота повторения (10-30) имп/с, способность работать практически на короткое замыкание после пробоя рабочего промежутка, когда сопротивление канала искры уменьшается до десятых долей Ом за время (100-200) нс, обеспечивая ток в разряде (10-20) кА, напряжение на промежутке до пробоя (250-400) кВ, т.е. импеданс не более (30-50) Ом, причем крутизна фронта импульса должна быть не менее (1-5)·10¹² B/c. Кроме того, ресурс работы всех элементов генератора должен быть не менее 10⁶ импульсов.Features of electric-discharge technologies, where a spark discharge is used as a tool in a liquid or solids, imposes strict requirements on the parameters of pulse generators [Semkin BV, Usov AF, Kurets VI Fundamentals of electropulse fracture of materials. - Apatity: KSC RAS, 1995, 267 pp.]. The main ones: the repetition frequency (10-30) pulse / s, the ability to work almost on a short circuit after the breakdown of the working period, when the resistance of the spark channel decreases to tenths of an Ohm in a time (100-200) ns, providing a current in the discharge (10 -20) kA, voltage between the breakdown (250-400) kV, i.e. the impedance is not more than (30-50) Ohms, and the steepness of the pulse front should be at least (1-5) · 10 ¹² V / s. In addition, the life of all elements of the generator must be at least 10 ⁶ pulses.

Известны высоковольтные импульсные генераторы [Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные (электрические) процессы в установках электроимпульсной технологии. Л.: Наука, 2000, 189 с.], содержащие конденсаторы, искровые разрядники, зарядные резисторы или индуктивности, источник зарядного напряжения. В таких генераторах импульс, прикладываемый к рабочему промежутку, формируется при последовательном разряде конденсаторов через искровые разрядники. Для эффективности разрушаемого действия параллельно генератору импульсного напряжения подключают генератор импульсного тока, обеспечивающий основной энерговклад в канал разряда. В таких устройствах наличие большого количества последовательно включенных конденсаторов и искровых разрядников приводит к значительному уменьшению крутизны фронта импульса и ограничению частоты повторения импульсов, а также снижению надежности.Known high-voltage pulse generators [Usov A.F., Semkin B.V., Zinoviev N.T. Transient (electrical) processes in installations of electric pulse technology. L .: Nauka, 2000, 189 pp.], Containing capacitors, spark gaps, charging resistors or inductors, a charging voltage source. In such generators, a pulse applied to the working gap is formed during a sequential discharge of capacitors through spark gaps. For the effectiveness of the destructible action, a pulse current generator is connected in parallel with the pulse voltage generator, which provides the main energy input into the discharge channel. In such devices, the presence of a large number of series-connected capacitors and spark gaps leads to a significant decrease in the steepness of the pulse front and a limitation of the pulse repetition rate, as well as a decrease in reliability.

Известен также высоковольтный импульсный генератор [Кривоносенко А.В., Семкин Б.В. Генератор высоковольтных импульсов, ПТЭ, 1982, №6, с.73-75], содержащий конденсатор, искровой разрядник, импульсный трансформатор, нелинейную обостряющую линию. Формирование импульса напряжения происходит при разряде конденсатора через искровой разрядник на первичную обмотку трансформатора, ко вторичной обмотке которого подключена нагрузка, а обострение импульса осуществляется нелинейной линией на основе ферритовых сердечников, являющихся также сердечниками трансформатора. В таком генераторе импульсный трансформатор обладает повышенными индуктивностью рассеяния, индуктивностью монтажа и волновым сопротивлением.Also known is a high-voltage pulse generator [Krivonosenko A.V., Semkin B.V. High-voltage pulse generator, PTE, 1982, No. 6, pp. 73-75], comprising a capacitor, spark gap, pulse transformer, non-linear sharpening line. The formation of a voltage pulse occurs when the capacitor is discharged through the spark gap to the primary winding of the transformer, the load is connected to the secondary winding, and the pulse is sharpened by a nonlinear line based on ferrite cores, which are also the core of the transformer. In such a generator, a pulse transformer has increased dissipation inductance, mounting inductance and wave resistance.

В качестве прототипа выбран погружной электроразрядный генератор [RU, патент №2340081, бюл. №33, 2008], содержащий емкостный накопитель - полосковую формирующую линию, неуправляемый многоканальный искровой разрядник, повышающий импульсный трансформатор и согласующую коаксиальную линию. Полосковая формирующая линия подключена к многоканальному неуправляемому искровому разряднику с анодным делителем тока и импульсному трансформатору с ферромагнитным сердечником. Высоковольтные шпильки (являющиеся высоковольтным электродом) - выводы вторичной обмотки импульсного трансформатора подключены к электроду бурового наконечника через согласующую линию. В таком генераторе применение неуправляемого многоканального искрового разрядника, работающего в режиме самопробоя, не обеспечивает инициирование разряда в каждом искровом промежутке, поскольку напряжения самопробоя искровых промежутков могут значительно отличаться, даже если геометрия искровых промежутков одинакова. Использование анодного делителя эффективно только в случае, когда разряд инициируется в каждом искровом промежутке и необходимо уровнять токи в искровых каналах.As a prototype selected submersible electric discharge generator [RU, patent No. 2340081, bull. No. 33, 2008], comprising a capacitive storage device — a strip forming line, an uncontrolled multichannel spark gap, increasing a pulse transformer and matching coaxial line. The strip forming line is connected to a multichannel uncontrolled spark gap with an anode current divider and a pulse transformer with a ferromagnetic core. High-voltage studs (which are a high-voltage electrode) - the terminals of the secondary winding of a pulse transformer are connected to the drill bit electrode through a matching line. In such a generator, the use of an uncontrolled multi-channel spark gap operating in the self-breakdown mode does not provide initiation of a discharge in each spark gap, since the self-breakdown voltages of the spark gaps can differ significantly, even if the geometry of the spark gaps is the same. The use of the anode divider is effective only when the discharge is initiated in each spark gap and it is necessary to level the currents in the spark channels.

Недостатком полосковой формирующей линии является краевой эффект, проявляющийся в возникновении на краях полосковых электродов линий повышенной напряженности электрического поля, которая превышает среднюю напряженность электрического поля в диэлектрике линий и может привести к пробою. Все это приводит к уменьшению крутизны фронта импульса на рабочем промежутке, снижению надежности и ресурса всего устройства.The disadvantage of the strip forming line is the edge effect, which is manifested in the appearance on the edges of the strip electrodes of lines of increased electric field strength, which exceeds the average electric field strength in the dielectric lines and can lead to breakdown. All this leads to a decrease in the steepness of the pulse front at the working interval, a decrease in the reliability and resource of the entire device.

Задачей изобретения является создание высоковольтного импульсного генератора для электроразрядных технологий с высокими надежностью и ресурсом.The objective of the invention is the creation of a high-voltage pulse generator for electric discharge technologies with high reliability and resource.

Технический результат изобретения заключается в увеличении крутизны фронта импульса, уменьшении волнового сопротивления, повышении надежности и ресурса генератора.The technical result of the invention is to increase the steepness of the pulse front, reduce wave impedance, increase the reliability and resource of the generator.

Указанный технический результат достигается тем, что в высоковольтном импульсном генераторе для электроразрядных технологий, содержащем, как и прототип, размещенные в одном цилиндрическом корпусе и соединенные последовательно многоканальный искровой разрядник, емкостный накопитель и импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником и высоковольтным электродом, в отличие от прототипа, каждый искровой промежуток многоканального искрового разрядника снабжен управляющим электродом, соединенным через резистор с заземленным электродом, который служит крышкой многоканального искрового разрядника, и через конденсатор и кабель с анодом дополнительно введенного стартового разрядника.The specified technical result is achieved by the fact that in a high-voltage pulse generator for electric-discharge technologies, containing, like the prototype, arranged in one cylindrical body and connected in series with a multi-channel spark gap, a capacitive storage device and a pulse transformer with a ferromagnetic core and a high-voltage electrode, in contrast to the prototype, each spark gap of a multichannel spark gap is equipped with a control electrode connected via a resistor to a grounded electric genus, which serves as a lid multi-channel spark gap, and through the capacitor and to the anode cable further starter introduced arrester.

Целесообразно, чтобы емкостный накопитель был выполнен из параллельно соединенных цилиндрических конденсаторов.It is advisable that the capacitive storage was made of parallel-connected cylindrical capacitors.

Целесообразно также, чтобы ферромагнитный сердечник и высоковольтный электрод импульсного трансформатора были электрически соединены.It is also advisable that the ferromagnetic core and the high voltage electrode of the pulse transformer are electrically connected.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведено осевое сечение высоковольтного импульсного генератора для электроразрядных технологий, на фиг.2 - электрическая схема генератора, на фиг.3 приведено сечение (А-А) фиг.1.The invention is illustrated by drawings, where Fig. 1 shows an axial section of a high voltage pulse generator for electric discharge technologies, Fig. 2 is an electrical diagram of a generator, Fig. 3 is a section (A-A) of Fig. 1.

Сущность изобретения рассмотрим на примере выполнения высоковольтного импульсного генератора для электроразрядных технологий. Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий содержит расположенные в одном цилиндрическом корпусе 1 многоканальный искровой разрядник 2, емкостный накопитель 3, соединенный с многоканальным искровым разрядником 2 и импульсным трансформатором с ферромагнитным сердечником 4.We will consider the invention using an example of a high-voltage pulse generator for electric-discharge technologies. A high voltage pulse generator for electric discharge technologies comprises a multi-channel spark gap 2 located in the same cylindrical housing 1, a capacitive storage 3 connected to a multi-channel spark gap 2 and a pulse transformer with a ferromagnetic core 4.

Многоканальный искровой разрядник 2 размещен в диэлектрическом корпусе 5 и содержит шестнадцать искровых промежутков тригатронного типа. Каждый искровой промежуток образован анодами 6 и заземленным электродом, который служит крышкой 7 многоканального искрового разрядника 2. В заземленной крышке 7 напротив анодов 6 размещены управляющие электроды 8. Аноды 6 снабжены ферромагнитными сердечниками 9, являющимися анодным делителем тока. Каждый управляющий электрод 8 соединен через резистор 10 с заземленной крышкой 7 и через конденсатор 11 и кабель 12 с анодом стартового разрядника 13 (фиг.2).The multi-channel spark gap 2 is located in the dielectric housing 5 and contains sixteen spark gaps of the trigatron type. Each spark gap is formed by anodes 6 and a grounded electrode, which serves as the cover 7 of the multi-channel spark gap 2. In the grounded cover 7 opposite the anodes 6 are placed the control electrodes 8. The anodes 6 are equipped with ferromagnetic cores 9, which are the anode current divider. Each control electrode 8 is connected through a resistor 10 to a grounded cover 7 and through a capacitor 11 and a cable 12 to the anode of the starting spark gap 13 (Fig. 2).

Емкостный накопитель 3 собран из параллельно соединенных цилиндрических конденсаторов 14 (фиг.3), одни выводы которых присоединены к анодам 6 многоканального искрового разрядника 2, а другие к импульсному трансформатору.Capacitive storage 3 is assembled from parallel-connected cylindrical capacitors 14 (Fig. 3), some of the terminals of which are connected to the anodes 6 of the multi-channel spark gap 2, and others to a pulse transformer.

Импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником 4 имеет первичный виток, образованный цилиндрическим корпусом 1 генератора, диском 15 с отверстиями, цилиндром 16 и электродом 17, к которому подсоединены конденсаторы 14. Вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена из шести секторных обмоток 18, радиально расположенных вокруг ферромагнитного сердечника 4. Секторные обмотки 18 намотаны по спирали медной лентой и включены по схеме автотрансформатора по отношению к первичному витку. Индуцированное напряжение на секторных обмотках 18 прикладывается к высоковольтному электроду 19, имеющему электрический контакт с ферромагнитным сердечником 4, и выводится через дисковый 20 и два конусных 21, 22 изоляторы на рабочий инструмент, в данном примере на электрод бурового наконечника 23.The pulse transformer with a ferromagnetic core 4 has a primary turn formed by a cylindrical housing 1 of the generator, a disk 15 with holes, a cylinder 16 and an electrode 17 to which capacitors are connected 14. The secondary winding of the pulse transformer is made of six sector windings 18 radially arranged around the ferromagnetic core 4 Sector windings 18 are wound in a spiral with copper tape and are connected according to the autotransformer circuit with respect to the primary turn. The induced voltage across the sector windings 18 is applied to the high-voltage electrode 19, which is in electrical contact with the ferromagnetic core 4, and is output through the disk 20 and two conical 21, 22 insulators to the working tool, in this example, to the drill bit electrode 23.

На фиг.2 приведена электрическая схема, в которой преобразователь напряжения 24 является источником зарядного напряжения конденсатора 25. Разрядная цепь конденсатора 25 образована первичной обмоткой зарядного трансформатора 26 и коммутирующим тиристором 27, который запускается от блока управления 28. Один вывод вторичной обмотки зарядного трансформатора 26 соединен с емкостным накопителем 3 и через индуктивность 29 и резистор 30 с анодом стартового разрядника 13, который через кабель 12 и конденсаторы 11 соединен с управляющими электродами 8 многоканального искрового разрядника 2 (фиг.1). Второй вывод вторичной обмотки зарядного трансформатора 26 соединен через одну обмотку дросселя насыщения 31 с пусковым электродом стартового разрядника 13, а через другую - с землей. Часть этой обмотки дросселя насыщения 31 закорочена диодом 32. На электрической схеме (фиг.2) показаны связанные витками 33 ферромагнитные сердечники 9, образующие анодный делитель тока многоканального искрового разрядника 2 (фиг.1). Выход преобразователя напряжения 24 зашунтирован конденсатором фильтра 34 и цепью с диодом 35 и дросселем 36.Figure 2 shows the electrical circuit in which the voltage converter 24 is the source of the charging voltage of the capacitor 25. The discharge circuit of the capacitor 25 is formed by the primary winding of the charging transformer 26 and a switching thyristor 27, which is started from the control unit 28. One terminal of the secondary winding of the charging transformer 26 is connected with a capacitive storage 3 and through an inductance 29 and a resistor 30 with an anode of the starting spark gap 13, which is connected to the control electrodes 8 through a cable 12 and capacitors 11 Channel spark gap 2 (Figure 1). The second terminal of the secondary winding of the charging transformer 26 is connected through one winding of the saturation inductor 31 to the starting electrode of the starting spark gap 13, and through the other to the ground. A part of this winding of the saturation inductor 31 is shorted by a diode 32. The electric circuit (Fig. 2) shows the ferromagnetic cores 9 connected by turns 33, forming an anode current divider of a multi-channel spark gap 2 (Fig. 1). The output of the voltage Converter 24 is shunted by the filter capacitor 34 and a circuit with a diode 35 and a choke 36.

Работа генератора заключается в следующем. При подаче напряжения (3 Ф×380 В) на вход преобразователя напряжения 24 (фиг.2) последний постоянным током заряжает конденсатор 25 через первичную обмотку зарядного трансформатора 26 до требуемого напряжения. При этом происходит размагничивание сердечника зарядного трансформатора 26. Затем от блока управления 28 запускается коммутирующий тиристор 27 и конденсатор 25 разряжается на первичную обмотку зарядного трансформатора 26. Частота срабатывания коммутирующего тиристора 27 определяет частоту следования импульсов напряжения. Появляющееся напряжение на вторичной обмотке зарядного трансформатора 26 подается на зарядку емкостного накопителя 3 и через индуктивность 29 и резистор 30 на анод стартового разрядника 13, и далее по кабелю 12 через конденсаторы 11 и резисторы 10 на управляющие электроды 8 многоканального искрового разрядника 2 (фиг.1), обеспечивая необходимые потенциалы на его анодах 6 и управляющих электродах 8 относительно заземленной крышки 7. В момент времени, когда напряжение на емкостном накопителе 3 достигает максимального значения, ток его заряда переходит нулевое значение, дросселем насыщения 31 и диодом 32 формируется импульс напряжения, который запускает стартовый разрядник 13. При срабатывании стартового разрядника 13 напряжение на управляющих электродах 8 искровых промежутков многоканального искрового разрядника 2 инвертируется, вызывая коммутацию последнего и разряд емкостного накопителя 3 на первичный виток импульсного трансформатора, при этом на высоковольтном электроде 19 его вторичной обмотки 18 (фиг.1) индуцируется высокое напряжение, которое прикладывается на электрод бурового наконечника 23. Для деления тока в искровых промежутках многоканального искрового разрядника 2 используется анодный делитель тока, выполненный на ферромагнитных сердечниках 9 с витками 33. При опережающем пробое в одном или нескольких искровых промежутках многоканального искрового разрядника 2, за счет перемагничивания сердечников 9 с витками 33, в невключившиеся промежутки дополнительно индуцируется ЭДС, что совместно с инвертированием напряжения на управляющих электродах 8 вызывает пробой всех искровых промежутков, а в витках 33 устанавливается ток, равный половине тока, протекающего через отдельный искровой промежуток.The operation of the generator is as follows. When applying voltage (3 F × 380 V) to the input of the voltage converter 24 (FIG. 2), the latter direct current charges the capacitor 25 through the primary winding of the charging transformer 26 to the required voltage. When this occurs, the demagnetization of the core of the charging transformer 26. Then, the switching thyristor 27 is launched from the control unit 28 and the capacitor 25 is discharged to the primary winding of the charging transformer 26. The switching frequency of the switching thyristor 27 determines the pulse repetition rate. The emerging voltage on the secondary winding of the charging transformer 26 is supplied to charge the capacitive storage 3 and through the inductance 29 and the resistor 30 to the anode of the starting spark gap 13, and then through the cable 12 through the capacitors 11 and resistors 10 to the control electrodes 8 of the multi-channel spark gap 2 (Fig. 1 ), providing the necessary potentials on its anodes 6 and control electrodes 8 relative to the grounded cover 7. At the time when the voltage on the capacitive storage 3 reaches its maximum value, the current of its charge transitions it is a zero value, a saturation inductor 31 and a diode 32 form a voltage pulse that triggers the start spark gap 13. When the start spark gap 13 is triggered, the voltage at the control electrodes 8 of the spark gaps of the multi-channel spark gap 2 is inverted, causing the latter to switch and discharge the capacitive storage 3 to the primary turn of the pulse transformer, while on the high-voltage electrode 19 of its secondary winding 18 (Fig. 1), a high voltage is induced, which is applied to the drill electrode tip 23. To divide the current in the spark gaps of a multi-channel spark gap 2, an anode current divider is used, made on ferromagnetic cores 9 with turns 33. When the breakdown is ahead in one or several spark gaps of a multi-channel spark gap 2, due to magnetization reversal of the cores 9 with turns 33, EMV is additionally induced in unincluded gaps, which, together with inverting the voltage at the control electrodes 8, causes a breakdown of all spark gaps, and, in turns 33, a current equal to half the current flowing through a separate spark gap is generated.

После коммутации многоканального искрового разрядника 2 на конденсаторе 25 и емкостном накопителе 3 остается напряжение, которое может быть отрицательным. При следующем зарядном импульсе напряжение на конденсаторе 25 может быть больше требуемого и возможен пробой коммутирующего тиристора 27, что недопустимо. Поэтому применена схема рекуперации неиспользованной энергии в конденсатор фильтра 34, через цепь диода 35 и дросселя 36.After switching the multi-channel spark gap 2 on the capacitor 25 and the capacitive storage 3, the voltage remains, which can be negative. At the next charge pulse, the voltage across the capacitor 25 may be greater than the required one and a breakdown of the switching thyristor 27 is possible, which is unacceptable. Therefore, an unused energy recovery circuit is applied to the filter capacitor 34, through the circuit of the diode 35 and the inductor 36.

Таким образом, снабжение каждого искрового промежутка многоканального искрового разрядника 2 управляющим электродом 8, соединенного через резистор 10 с заземленной крышкой 7 и через конденсатор 11 и кабель 12 с анодом дополнительно введенного стартового разрядника 13, надежно обеспечивает разряд в каждом искровом промежутке и коммутацию многоканального искрового разрядника в целом, что приводит к значительному уменьшению разрядного контура и увеличению крутизны фронта импульса. Использование конденсаторов 14 в емкостном накопителе 3 исключает краевые эффекты в последнем, что увеличивает надежность и ресурс всего генератора. Кроме этого, для уменьшения волнового сопротивления ферромагнитный сердечник 4 импульсного трансформатора электрически соединен с высоковольтным электродом.Thus, the supply of each spark gap of a multi-channel spark gap 2 with a control electrode 8 connected through a resistor 10 to a grounded cover 7 and through a capacitor 11 and cable 12 with an anode of an additionally introduced start gap 13 reliably provides a discharge in each spark gap and switching of a multi-channel spark gap as a whole, which leads to a significant decrease in the discharge circuit and an increase in the steepness of the pulse front. The use of capacitors 14 in a capacitive storage 3 eliminates edge effects in the latter, which increases the reliability and resource of the entire generator. In addition, to reduce wave impedance, the ferromagnetic core 4 of the pulse transformer is electrically connected to a high voltage electrode.

Таким образом, заявленный технический результат: увеличение крутизны фронта, уменьшение волнового сопротивления, повышение надежности и ресурса генератора, считаем доказанным.Thus, the claimed technical result: an increase in the steepness of the front, a decrease in wave resistance, an increase in the reliability and resource of the generator, we consider proven.

Claims

A high voltage pulse generator for electric discharge technologies, comprising a multichannel spark gap, a capacitive storage device and a pulse transformer with a ferromagnetic core and a high voltage electrode arranged in a single cylindrical housing, characterized in that each spark gap of the multichannel spark gap is equipped with a control electrode connected via a resistor to a grounded electrode that serves as a cover for a multi-channel spark gap, and es capacitor and the cable - with the anode further starter introduced arrester, wherein a capacitive storage device is made of a cylindrical parallel connected capacitors, and a ferromagnetic core and a high voltage electrode electrically connected to the pulse transformer.