RU2403676C1 - Генератор импульсных напряжений - Google Patents
Генератор импульсных напряжений Download PDFInfo
- Publication number
- RU2403676C1 RU2403676C1 RU2009142074/07A RU2009142074A RU2403676C1 RU 2403676 C1 RU2403676 C1 RU 2403676C1 RU 2009142074/07 A RU2009142074/07 A RU 2009142074/07A RU 2009142074 A RU2009142074 A RU 2009142074A RU 2403676 C1 RU2403676 C1 RU 2403676C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- storage capacitor
- thyristor
- voltage
- additional
- load
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
- Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрофизических установках с высоковольтными емкостными накопителями энергии. В генератор импульсных напряжений, содержащий зарядное устройство и последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку, между накопительным конденсатором и коммутатором введен тиристорный регулятор напряжения, содержащий звенья, каждое из которых включает в себя тиристор, дополнительный накопительный конденсатор и диоды, а также дополнительное зарядное устройство. Введение тиристорного регулятора напряжения позволяет значительно уменьшить величины емкости и энергии накопительного конденсатора, а также его массу и габариты при заданной величине пульсаций выходного напряжения на вершине импульса. Кроме того, снижение энергоемкости накопительного конденсатора уменьшает негативные последствия аварийных режимов полного разряда накопительного конденсатора на нагрузку. 2 ил.
Description
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрофизических установках с высоковольтными емкостными накопителями энергии.
Известен генератор импульсных напряжений [1], содержащий ряд накопительных конденсаторов, тиристорных коммутаторов, токоограничивающих дросселей, вспомогательный генератор импульсов и активную нагрузку.
Недостатком известного устройства является сложность силовой схемы, увеличенные его масса и габариты.
В качестве прототипа выбран известный генератор импульсных напряжений [2], содержащий последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор и активную нагрузку.
Общим недостатком известных устройств является значительная энергоемкость накопительного конденсатора, его масса и габариты при формировании в активной нагрузке прямоугольных импульсов из-за снижения напряжения в силовом контуре, подводимого к активной нагрузке, в процессе разряда накопительного конденсатора.
Предлагаемым изобретением решается задача снижения энергоемкости, массы и габаритов накопительных конденсаторов генераторов импульсных напряжений.
Технический результат от использования изобретения состоит в постепенном увеличении напряжения в силовом контуре и поддержании величины тока и напряжения в активной нагрузке в пределах заданной нестабильности.
Указанный технический результат достигается с помощью генератора импульсных напряжений, содержащего зарядное устройство и последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку и тиристорный регулятор напряжения, включенный между накопительным конденсатором и коммутатором, содержащий N последовательно соединенных звеньев, каждое из которых содержит тиристор, к катоду которого присоединена отрицательная обкладка дополнительного накопительного конденсатора, а положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора присоединена аноду тиристора смежного звена, причем анод тиристора первого звена подключен к положительному выводу дополнительного зарядного устройства, а катод тиристора последнего звена присоединен к отрицательному выводу дополнительного зарядного устройства, а анод тиристора и положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора каждого звена соединены диодом, анод которого присоединен к аноду тиристора, катоды тиристоров смежных звеньев также соединены диодами, причем аноды диодов присоединены к электродам тиристоров предыдущих, а катоды к электродам тиристоров последующих звеньев, считая от точки подключения положительного вывода дополнительного зарядного устройства.
Введение тиристорного регулятора, включенного последовательно с накопительным конденсатором и нагрузкой, позволяет поддерживать величину тока и напряжения нагрузки в пределах заданной нестабильности путем постепенного увеличения его напряжения при разряде накопительного конденсатора на интервале формирования импульса. Это дает возможность, по сравнению с прототипом, уменьшить энергоемкость, массу и габариты накопительного конденсатора при заданной нестабильности вершины импульсов выходного напряжения.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема генератора импульсных напряжений, где 1 - зарядное устройство, 2 - накопительный конденсатор, 3 - транзисторный высоковольтный коммутатор, 4 - активная нагрузка, 5 - тиристорный регулятор с числом звеньев N=4, 6, 7, 8, 9 - тиристоры регулятора, 10, 11, 12, 13 - дополнительные накопительные конденсаторы, 14 - дополнительное зарядное устройство, 15, 16, 17, 18,19, 20, 21 - диоды звеньев тиристорного регулятора.
На фиг.2 приведены диаграммы работы генератора импульсных напряжений. На диаграммах буквами обозначены: а - ток нагрузки 4; б - напряжение нагрузки 4; в - сигнал управления транзисторным высоковольтным коммутатором 3; г, д, е, ж - сигналы управления 6, 7, 8, 9 тиристорами регулятора 5 соответственно.
Устройство содержит зарядное устройство 1 и последовательно соединенные накопительный конденсатор 2, транзисторный высоковольтный коммутатор 3 и активную нагрузку 4. Между положительной обкладкой накопительного конденсатора 2 и транзисторным высоковольтным коммутатором 3 включен тиристорный регулятор напряжения 5, содержащий N=4 последовательно соединенных звеньев, каждое из которых содержит тиристор 6, 7, 8, 9, к катоду которого присоединена отрицательная обкладка дополнительного накопительного конденсатора 10, 11, 12, 13, а положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора присоединена аноду тиристора смежного звена, причем анод тиристора 6 первого звена подключен к положительному выводу дополнительного зарядного устройства 14, а катод тиристора 9 последнего звена присоединен к отрицательному выводу дополнительного зарядного устройства 14, а анод тиристора и положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора каждого звена соединены диодом 15, 16, 17, 18, анод которого присоединен к аноду тиристора. Катоды тиристоров смежных звеньев соединены диодами 19, 20, 21, причем аноды диодов присоединены к электродам тиристоров предыдущих, а катоды к электродам тиристоров последующих звеньев, считая от точки подключения положительного вывода дополнительного зарядного устройства 14.
Принцип работы предлагаемого устройства поясняется диаграммами, приведенными на фиг.2, и заключается в следующем.
На интервале формирования импульса напряжения в нагрузке в работе устройства можно выделить N+1 интервалов непрерывности, соответствующих включенному состоянию транзисторного коммутатора 3 и тиристоров 6, 7, 8, 9.
После зарядки накопительного конденсатора 2 от зарядного устройства 1 до заданного начального уровня напряжения U01 и дополнительных накопительных конденсаторов 10, 11, 12, 13 до заданного начального уровня напряжения U02 от дополнительного зарядного устройства 14 через открытые диоды 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 тиристорного регулятора 5, система управления отпирает транзисторный коммутатор 3 и далее поочередно с заданной временной задержкой включает тиристоры 6, 7, 8, 9.
На первом интервале тиристоры 6, 7, 8, 9 заперты и накопительный конденсатор 2 разряжается на нагрузку 4 через последовательно соединенные диоды 15, 16, 17, 18. На втором и последующих интервалах при поочередном отпирании тиристоров 6, 7, 8, 9 к диодам 15, 16, 17, 18 прикладывается обратное напряжение конденсаторов 10, 11, 12, 13, вызывая их запирание. При этом последовательно с накопительным конденсатором 2 поочередно подключаются: дополнительный накопительный конденсатор 10, затем последовательно соединенные дополнительные накопительные конденсаторы 10, 11, затем последовательно соединенные конденсаторы 10, 11, 12, затем последовательно соединенные конденсаторы 10, 11, 12, 13. В результате, при снижающемся при разряде напряжении накопительного конденсатора 2, напряжение тиристорного регулятора 5 увеличивается за счет увеличения числа последовательно соединяемых дополнительных накопительных конденсаторов, что компенсирует снижение напряжения накопительного конденсатора 2, а также изменение напряжения и тока в нагрузке. При этом кривые тока и напряжения нагрузки изменяются между максимальными и минимальными значениями и имеют вид, представленный кривыми а, б на фиг.2.
На произвольном j-м интервале работы генератора, когда происходит разрядка дополнительных накопительных конденсаторов 1-го, 2-го, 3-го,…j-1-го звеньев регулятора 5, напряжение k-го дополнительного накопительного конденсатора (j>k) при малых пульсациях тока нагрузки i=I=const определяется из формулы 
Напряжение накопительного конденсатора 2 при тех же условиях определяется из формулы
В формулах (1) и (2) τ1, τ2, τ3,… τj-1 - длительности соответствующих интервалов работы генератора; U01, U02 - начальные значения напряжений накопительного конденсатора 2 и дополнительных накопительных конденсаторов 10, 11, 12, 13 соответственно, предшествующие началу формирования импульса в нагрузке.
Напряжения k-го дополнительного накопительного конденсатора в начале и конце j-го интервала формирования импульса в нагрузке будут иметь значения
Напряжения накопительного конденсатора 2 в начале и конце j-го интервала формирования импульса в нагрузке будут иметь значения
Напряжение на нагрузке uнj, на j-м интервале равно сумме напряжений накопительного конденсатора 2 и напряжений (j-1) дополнительных накопительных конденсаторов тиристорного регулятора 5 и в общем случае определяется из формулы
Напряжение на нагрузке в начале j-го интервала в соответствии с (3), (5) и (7) будет 
Аналогично из выражений (4), (6) и (8) определяется напряжение на нагрузке в конце j-го интервала
Из формул (8) и (9) находим выражение снижения напряжения на нагрузке на j-м интервале формирования импульса напряжения в нагрузке 4, обусловленное разрядом конденсаторов силового контура на нагрузку
В начале очередного (j+1)-го интервала формирования импульса напряжения за счет включения очередного дополнительного накопительного конденсатора напряжение на нагрузке скачком возрастает на величину, равную напряжению U02
При постоянной величине пульсаций напряжения нагрузки в процессе формирования импульса выполняется равенство
а длительность произвольного у-го интервала в соответствии с выражением (10) будет
где 
- относительная величина пульсации напряжения нагрузки и относительная величина начального напряжения дополнительных накопительных конденсаторов соответственно; 
- среднее значение напряжения нагрузки на интервале и периоде формирования импульса; 
- относительная величина емкости накопительного конденсатора 2.
Задержка отпирания k-го тиристора регулятора 5 относительно момента начала формирования выходного импульса с учетом выражения (13) определяется из формулы
где k=1…N.
Длительность формируемого импульса равна
В известном генераторе импульсных напряжений, содержащем только один накопительный конденсатор, как следует из выражения (15), длительность формируемого импульса будет
где C0 - величина емкости накопительного конденсатора известного устройства.
Из выражений (15) и (16) определяем соотношение между емкостями накопительных конденсаторов известного и предлагаемого генератора при формировании импульса с одинаковыми параметрами и при одном и том же сопротивлении нагрузки
При выполнении условия 
(если выбрать 
) выражение (17) после преобразований примет вид
При формировании импульса в нагрузке напряжения дополнительных накопительных конденсаторов снижаются, причем наибольшее снижение имеет место в конденсаторе 1-го звена, который разряжается на протяжении интервала времени, равного (Tи - τ1). Величина этого снижения ΔUдк при сделанных ранее допущениях определяется из равенства
Решая совместно (12), (13), (15) и (19), получаем выражение для определения относительной величины емкости накопительного конденсатора 2 
где 
- относительная величина пульсации напряжения дополнительных накопительных конденсаторов.
При условии 
выражение (20) преобразуется к виду
Энергоемкость накопительного конденсатора известного устройства с учетом (12) равна
Суммарная энергоемкость накопительного конденсатора 2 и дополнительных накопительных конденсаторов предлагаемого генератора импульсных напряжений с учетом выражений (12), (21) и (22) будет равна
Из выражений (21…23) находим соотношение энергоемкостей накопительных конденсаторов предлагаемого и известного устройств
Из формул (18) и (24) следует, что в предлагаемом устройстве, например, при значениях 
и N=10 требуемое значение емкости накопительного конденсатора равно С1≈0,091C0 при формировании импульса с одинаковыми параметрами (длительность, среднее значение, величина пульсаций выходного напряжения на вершине импульса) и одном и том же сопротивлении нагрузки. При этом суммарная энергоемкость накопительного конденсатора и дополнительных накопительных конденсаторов будет равна WΣ≈0,1·WC0.
Из приведенного описания и выражений для расчета следует, что применение предлагаемого устройства позволяет значительно уменьшить величину емкости и энергии, накопительного конденсатора, снизить его массу и габариты при заданной величине пульсаций выходного напряжения на вершине импульса. Кроме того, уменьшение энергоемкости накопительного конденсатора в предлагаемом устройстве позволяет уменьшить негативные последствия аварийных режимов, связанных с полным разрядом накопительного конденсатора на нагрузку при выходе из строя высоковольтного транзисторного ключа.
Источники информации
1. А.с. 1003310 СССР, Н03К 3/53, Генератор высоковольтных импульсов. / Кириенко В.П., Ваняев В.В. // Опубл. 07.03.83.
2. M.P.J.Gaudreau, J.A.Casey, T.P.Hawkey, J.M.Mulvaney, M.A.Kempkes, P.Ver Planck. Solid state modulator application in linear accelerators // Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999, p.1491-1493.
Claims (1)
- Генератор импульсных напряжений, содержащий зарядное устройство и последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку, отличающийся тем, что между накопительным конденсатором и коммутатором включен тиристорный регулятор напряжения, содержащий последовательно соединенные звенья, каждое из которых содержит тиристор, к катоду которого присоединена отрицательная обкладка дополнительного накопительного конденсатора, а положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора присоединена к аноду тиристора смежного звена, причем анод тиристора первого звена подключен к положительному выводу дополнительного зарядного устройства, а катод тиристора последнего звена присоединен к отрицательному выводу дополнительного зарядного устройства, а анод тиристора и положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора каждого звена соединены диодом, анод которого присоединен к аноду тиристора, катоды тиристоров смежных звеньев также соединены диодами, причем аноды диодов присоединены к электродам тиристоров предыдущих, а катоды - к электродам тиристоров последующих звеньев, считая от точки подключения положительного вывода дополнительного зарядного устройства.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009142074/07A RU2403676C1 (ru) | 2009-11-16 | 2009-11-16 | Генератор импульсных напряжений |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009142074/07A RU2403676C1 (ru) | 2009-11-16 | 2009-11-16 | Генератор импульсных напряжений |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2403676C1 true RU2403676C1 (ru) | 2010-11-10 |
Family
ID=44026192
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009142074/07A RU2403676C1 (ru) | 2009-11-16 | 2009-11-16 | Генератор импульсных напряжений |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2403676C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2682015C1 (ru) * | 2017-10-09 | 2019-03-14 | Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники" | Генератор импульсных напряжений |
-
2009
- 2009-11-16 RU RU2009142074/07A patent/RU2403676C1/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999, p.1491-1493. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2682015C1 (ru) * | 2017-10-09 | 2019-03-14 | Акционерное общество "Федеральный научно-производственный центр "Нижегородский научно-исследовательский институт радиотехники" | Генератор импульсных напряжений |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111510014B (zh) | 一种高电压脉冲发生电路 | |
| CN103633839A (zh) | 一种改进型z源升压dc-dc变换器 | |
| KR102410532B1 (ko) | 모듈형 펄스 전원 장치 | |
| Maroti et al. | A novel high gain switched inductor multilevel buck-boost DC-DC converter for solar applications | |
| RU2454779C1 (ru) | Двунаправленный понижающий преобразователь постоянного напряжения | |
| RU2403676C1 (ru) | Генератор импульсных напряжений | |
| CN105450078A (zh) | 一种纳秒级脉冲电源 | |
| RU93188U1 (ru) | Генератор импульсных напряжений | |
| RU158535U1 (ru) | Преобразователь постоянного напряжения в постоянное | |
| RU90949U1 (ru) | Генератор импульсных напряжений | |
| RU2642866C2 (ru) | Способ питания импульсной нагрузки от источника переменного напряжения и устройства для его осуществления (варианты) | |
| Yoo et al. | High efficiency power conversion system for battery-ultracapacitor hybrid energy storages | |
| RU2453030C1 (ru) | Бестрансформаторный источник питания | |
| RU2623531C1 (ru) | Устройство для плазменно-электролитического оксидирования металлов и сплавов | |
| RU2670102C2 (ru) | Способ электропитания низковольтной нагрузки от аккумулятора и устройство для его осуществления | |
| Axelrod et al. | A family of modified zeta-converters with high voltage ratio for solar-pv systems | |
| RU2543529C1 (ru) | Высоковольтный преобразователь постоянного напряжения | |
| RU2447575C1 (ru) | Генератор импульсов с инверсией напряжения | |
| RU2813728C1 (ru) | Устройство для экстремального отбора электрической энергии от солнечной батареи | |
| RU2682015C1 (ru) | Генератор импульсных напряжений | |
| RU2422983C2 (ru) | Генератор импульсов напряжения | |
| RU76527U1 (ru) | Генератор импульсов | |
| RU2624822C2 (ru) | Способ электропитания и устройство для его осуществления | |
| Zhang et al. | Delay synchronizing rectification control strategy of bi-directional converter in a novel stand-alone PV system | |
| RU2325024C1 (ru) | Тиристорно-конденсаторный преобразователь |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111117 |