RU2421872C1

RU2421872C1 - Pulse generator

Info

Publication number: RU2421872C1
Application number: RU2010118264/07A
Authority: RU
Inventors: Андрей Викторович Лимонов (RU); Андрей Викторович Лимонов; Сергей Николаевич Буранов (RU); Сергей Николаевич Буранов; Александр Борисович Буянов (RU); Александр Борисович Буянов; Сергей Владимирович Воеводин (RU); Сергей Владимирович Воеводин; Василий Васильевич Горохов (RU); Василий Васильевич Горохов; Владимир Иванович Карелин (RU); Владимир Иванович Карелин; Александр Сергеевич Киржаев (RU); Александр Сергеевич Киржаев; Антон Владимирович Перминов (RU); Антон Владимирович Перминов; Виктор Дмитриевич Селемир (RU); Виктор Дмитриевич Селемир; Павел Вадимович Сучков (RU); Павел Вадимович Сучков
Priority date: 2010-05-05
Filing date: 2010-05-05
Publication date: 2011-06-20

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: pulse generator refers to high-voltage pulse equipment and can be used namely for feeding geophysic dipoles, solenoids with various amount of stored energy, for test of power transformers by their being loaded with kiloammeter currents of long duration, for test of measuring elements, for feeding stationary and mobile transmission antenna with power of ~1 MW, etc. Pulse generator includes shaper made in the form of at least one cascade with the first and the second output terminals, closing diode with n-steps, each of which includes voltage source; at that, voltage source of the previous step is in-series connected to voltage source of the next step through controlled commutator; besides, each of the steps is shunted with diode reverse connected in relation to polarity of voltage source, and inductive integrator is connected between output of controlled commutator of the last step and the first output terminal and it consists of smoothing inductor and capacitor; output pulse parameter control circuit is parallel connected to output terminals of each cascade; in each next step, starting from the first one, there has been used voltage source with potential difference which is more by 2 times than source voltage of the previous step, and the circuit controlling the state of each voltage source is parallel connected to it; at that, the circuit protecting each controlled commutator against pulse overvoltage is parallel connected to outputs of each controlled commutator, and closing diode is parallel connected to outputs of smoothing inductor and reverse in relation to their polarity. ^ EFFECT: higher reproduction accuracy, enlarging the range of control of output pulse parametres and increasing operational life of the main assemblies. ^ 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, к схемам генерирования электрических импульсов и может быть использовано, например, для: запитки геофизических диполей, соленоидов с различным энергозапасом, стационарных и мобильных передающих антенн мощностью ~1 МВт, испытания измерительных элементов, силовых трансформаторов путем их нагружения килоамперными токами большой длительности и т.д.The invention relates to high-voltage pulse technology, to circuits for generating electrical pulses and can be used, for example, for: feeding geophysical dipoles, solenoids with different energy reserves, stationary and mobile transmitting antennas with a power of ~ 1 MW, testing measuring elements, power transformers by loading them in kiloamperes long duration currents, etc.

Задачей изобретения является создание транспортабельного источника импульсов тока и напряжения произвольной формы мощностью ~1 МВт с улучшенными параметрами выходных импульсов и увеличение рабочего ресурса его элементов.The objective of the invention is to create a portable source of current and voltage pulses of arbitrary shape with a power of ~ 1 MW with improved parameters of the output pulses and increase the working life of its elements.

Существуют импульсные устройства для запитки геофизических диполей токовыми импульсами мощностью 1-10 МВт, длительностью 1-10 сек, например, на основе самовозбуждающегося МГД-генератора на продуктах сгорания специальных плазменных топлив по патенту RU № 2028709, Кл. МПК 7: Н02К 44/08, от 09.02.95 г., на основе турбогенератора по патенту RU № 2087011, Кл. МПК 7: G01V 3/04, от 10.08.97 г.There are pulsed devices for feeding geophysical dipoles with current pulses with a power of 1-10 MW, a duration of 1-10 seconds, for example, based on a self-excited MHD generator based on the combustion products of special plasma fuels according to patent RU No. 2028709, Cl. IPC 7: Н02К 44/08, dated 09.02.95, on the basis of a turbogenerator according to patent RU No. 2087011, Cl. IPC 7: G01V 3/04, dated 08/10/97.

Недостатками известных устройств являются большой вес и габариты, а также ограниченная возможность управления параметрами токовых импульсов, поскольку это связано с достаточно сложными настройками и переключениями в схемах. Кроме того, при изменении режимов работы, параметров и полярности импульсов требуется, по меньшей мере, частичное отключение установки, что занимает много времени.The disadvantages of the known devices are the large weight and dimensions, as well as the limited ability to control the parameters of current pulses, since this is due to rather complicated settings and switching in the circuits. In addition, when changing the operating modes, parameters and polarity of the pulses, at least a partial shutdown of the installation is required, which takes a lot of time.

Прототипом заявляемого изобретения служит импульсный генератор по патенту RU № 2322755, Кл. МПК 7: Н03К 3/53, Н02М 9/02, от 23.10.06 г., включающий формирователь, выполненный в виде, по крайней мере, одного каскада с первой и второй выходными клеммами, замыкающим диодом и n-ступенями, каждая из которых содержит источник напряжения, при этом источник напряжения предыдущей ступени подключен последовательно к источнику напряжения следующей ступени через управляемый коммутатор, кроме того, каждая из ступеней шунтирована диодом, включенным обратно по отношению к полярности источника напряжения, а между выходом управляемого коммутатора последней ступени и первой выходной клеммой включена интегрирующая цепочка, состоящая из сглаживающего дросселя и конденсатора. Генератор служит для запитки геофизического диполя, соленоидов с различным энергозапасом, для испытания силовых трансформаторов в различных режимах работы. Данный формирователь содержит идентичные ступени, объединенные в каскад/каскады и работающие на общую нагрузку с регулируемым временным сдвигом относительно друг друга. В каждом из каскадов ступени включены последовательно, а сами каскады параллельно. Выходные напряжения и токи каскадов суммируются на нагрузке для получения заданной амплитуды и формы импульсов.The prototype of the claimed invention is a pulse generator according to patent RU No. 2322755, Cl. IPC 7: Н03К 3/53, Н02М 9/02, dated October 23, 2006, including a shaper made in the form of at least one stage with first and second output terminals, a closing diode and n-steps, each of which contains a voltage source, while the voltage source of the previous stage is connected in series to the voltage source of the next stage through a managed switch, in addition, each of the stages is shunted by a diode connected back to the polarity of the voltage source, and last between the output of the controlled switch stage and the first output terminal of the integrating circuit is included consisting of a smoothing choke and a capacitor. The generator is used to power the geophysical dipole, solenoids with different energy reserves, for testing power transformers in various operating modes. This shaper contains identical stages combined in a cascade / cascades and working on a common load with an adjustable time offset relative to each other. In each of the cascades, the steps are connected in series, and the cascades themselves are parallel. The output voltages and cascade currents are summed at the load to obtain a given amplitude and pulse shape.

Недостаток прототипа связан с тем, что для точного воспроизведения импульсов заданной формы в схему включено большое количество ступеней и коммутаторов, что сильно усложняет синхронизацию команд управления ключами. Другой недостаток заключается в необходимости использования сглаживающих фронты импульсов дросселей и конденсаторов с большим энергозапасом, что увеличивает стоимость и габаритно-весовые характеристики генератора. Следует также отметить, что при больших токах при размыкании между контактами коммутатора возникает дуговой разряд, вызывающий эрозию контактов и снижение ресурса работы ключей. Особенно сильно это проявляется в частотном режиме работы. При полном отключении формирователя между контактами коммутаторов присутствует разность потенциалов источников напряжения, что создает опасность случайного пробоя или замыкания токовых контуров, а также поражения электрическим током при проведении пуско-наладочных работ.The disadvantage of the prototype is due to the fact that for the exact reproduction of pulses of a given shape, a large number of steps and switches are included in the circuit, which greatly complicates the synchronization of key management commands. Another disadvantage is the need to use pulse smoothing fronts of chokes and capacitors with a large energy reserve, which increases the cost and overall weight characteristics of the generator. It should also be noted that at high currents when opening between the contacts of the switch, an arc discharge occurs, which causes erosion of the contacts and a decrease in the service life of the keys. This is especially pronounced in the frequency mode of operation. When the shaper is completely turned off, between the contacts of the switches there is a potential difference between the voltage sources, which creates the danger of accidental breakdown or short circuit of the current circuits, as well as electric shock during commissioning.

Техническим результатом изобретения является повышение точности воспроизведения, расширение диапазона регулирования параметров выходных импульсов и повышение рабочего ресурса основных узлов.The technical result of the invention is to increase the accuracy of reproduction, expand the range of regulation of the parameters of the output pulses and increase the working life of the main nodes.

Дополнительным техническим результатом изобретения является обеспечение более высокого уровня электробезопасности, а также упрощение обслуживания и процесса подготовки генератора к работе.An additional technical result of the invention is to provide a higher level of electrical safety, as well as simplifying maintenance and the process of preparing the generator for operation.

Указанный технический результат достигается за счет того, что по сравнению с известным импульсным генератором, включающим формирователь, выполненный в виде, по крайней мере, одного каскада с первой и второй выходными клеммами, замыкающим диодом и n-ступенями, каждая из которых содержит источник напряжения, при этом источник напряжения предыдущей ступени подключен последовательно к источнику напряжения следующей ступени через управляемый коммутатор, кроме того, каждая из ступеней шунтирована диодом, включенным обратно по отношению к полярности источника напряжения, а между выходом управляемого коммутатора последней ступени и первой выходной клеммой включена интегрирующая цепочка, состоящая из сглаживающего дросселя и конденсатора, предлагаемый импульсный генератор содержит следующие признаки:The specified technical result is achieved due to the fact that, compared with the known pulse generator, including a driver, made in the form of at least one stage with the first and second output terminals, a closing diode and n-steps, each of which contains a voltage source, in this case, the voltage source of the previous stage is connected in series to the voltage source of the next stage through a controlled switch; in addition, each of the stages is shunted by a diode connected back to yarnosti voltage source, the controlled switch between the output of the last stage of the first integrating circuit and the output terminal is included, consisting of a smoothing choke and a capacitor, the proposed pulse generator comprises the following features:

- параллельно выходным клеммам каждого каскада подключена схема контроля параметров выходных импульсов,- parallel to the output terminals of each cascade connected circuit control parameters of the output pulses,

- в каждой последующей ступени, начиная с первой, использован источник напряжения с разностью потенциалов, в 2 раза превосходящей напряжение источника предыдущей ступени,- in each subsequent stage, starting from the first, a voltage source with a potential difference of 2 times the voltage of the source of the previous stage is used,

- параллельно каждому источнику напряжения подключена схема, осуществляющая контроль его состояния,- parallel to each voltage source is connected to a circuit that monitors its condition,

параллельно выводам каждого управляемого коммутатора подключена схема, защищающая его от импульсного перенапряжения,in parallel with the terminals of each managed switch, a circuit is connected that protects it from surge voltage,

- замыкающий диод включен параллельно выводам сглаживающего дросселя обратно по отношению к их полярности.- the closing diode is connected in parallel with the terminals of the smoothing inductor back with respect to their polarity.

В каждой ступени между положительной клеммой источника напряжения и входом управляемого коммутатора, а также между выходом управляемого коммутатора последней ступени и первой выходной клеммой сглаживающего дросселя могут быть включены размыкатели для остановки работы источника в случае возникновении аварии.In each stage, between the positive terminal of the voltage source and the input of the managed switch, as well as between the output of the managed switch of the last stage and the first output terminal of the smoothing inductor, switches can be switched on to stop the source operation in the event of an accident.

Подключение параллельно выходным клеммам каждого каскада схемы контроля параметров выходных импульсов позволяет автоматически корректировать форму и амплитуду выходного сигнала при изменении активной и реактивной составляющих нагрузки непосредственно в процессе работы генератора, а также синхронизировать работу нескольких каскадов на общую или разные нагрузки, что приводит к повышению точности воспроизведения выходных импульсов и увеличению диапазона регулирования их выходной мощности и, как следствие, к расширению диапазона регулирования их параметров. Следует отметить, что подключение схемы контроля параметров выходных импульсов позволяет производить переключение полярности сигнала в момент времени, когда выходной ток и напряжение близки к нулю, что минимизирует амплитуду скачков перенапряжения, возникающих на переключателях полярности, и, как следствие, повышает их рабочий ресурс.Connecting the output pulse parameters control circuit parallel to the output terminals of each stage allows you to automatically adjust the shape and amplitude of the output signal when the active and reactive components of the load change directly during the operation of the generator, as well as synchronize the operation of several stages in total or different loads, which increases the accuracy of reproduction output pulses and increase the range of regulation of their output power and, as a result, to expand the range of re ulirovaniya their parameters. It should be noted that connecting the control circuit of the parameters of the output pulses allows you to switch the polarity of the signal at a time when the output current and voltage are close to zero, which minimizes the amplitude of the overvoltage surges that occur on the polarity switches, and, as a result, increases their working life.

Использование в каждой последующей ступени, начиная с первой, источника напряжения с разностью потенциалов, в 2 раза превосходящей напряжение источника предыдущей ступени, позволяет осуществлять формирование импульса посредством значительно большего числа шагов напряжения, где минимальный шаг определяется разностью потенциалов источника напряжения первой ступени. В связи с этим изменение напряжения по двоичному закону значительно повышает точность воспроизведения заданного импульса, позволяет формировать сигналы как стандартной, так и произвольной формы, что увеличивает диапазон регулирования формы выходных импульсов и, как следствие, расширяет диапазон регулирования параметров выходных импульсов. Бинарное изменение выходного напряжения упрощает конструкцию сглаживающих дросселя и конденсатора и снижает их весогабаритные параметры и энергоемкость, что в свою очередь позволяет повысить запас по перегрузке и, как следствие, увеличивает рабочий ресурс интегрирующей цепочки.The use in each subsequent stage, starting from the first, of a voltage source with a potential difference 2 times higher than the voltage of the source of the previous stage, allows the pulse to be generated by a much larger number of voltage steps, where the minimum step is determined by the potential difference of the voltage source of the first stage. In this regard, the change in voltage according to the binary law significantly increases the accuracy of reproduction of a given pulse, allows you to generate signals of both standard and arbitrary shapes, which increases the range of regulation of the shape of the output pulses and, as a result, extends the range of regulation of the parameters of the output pulses. A binary change in the output voltage simplifies the design of the smoothing inductor and capacitor and reduces their weight and size parameters and energy consumption, which in turn allows increasing the overload margin and, as a result, increases the working life of the integrating chain.

Подключение параллельно каждому источнику напряжения схемы, осуществляющей контроль его состояния, позволяет упростить обслуживание и процесс подготовки генератора к работе вследствие того, что указанная схема осуществляет автоматическую подзарядку источников напряжений ступеней. Кроме того, наличие указанной схемы повышает точность воспроизведения выходного импульса за счет минимизации разбросов от заданных значений разностей потенциалов источников напряжения. Стабилизация состояния источников напряжения за счет сокращения диапазона напряжений, необходимого для корректировки амплитуды и формы выходных сигналов, позволяет повысить максимальное выходное напряжение генератора и, как следствие, увеличить диапазон регулирования параметров выходных импульсов. При использовании в качестве источников напряжения аккумуляторных батарей схема контроля за счет своевременной автоматической подзарядки повышает их рабочий ресурс.Connecting in parallel to each voltage source a circuit that monitors its state makes it possible to simplify maintenance and the process of preparing the generator for operation due to the fact that this circuit automatically charges the voltage sources of the stages. In addition, the presence of this circuit improves the accuracy of reproducing the output pulse by minimizing the scatter from the set potential differences of the voltage sources. Stabilization of the state of voltage sources by reducing the voltage range necessary to adjust the amplitude and shape of the output signals allows you to increase the maximum output voltage of the generator and, as a result, increase the control range of the parameters of the output pulses. When using rechargeable batteries as voltage sources, the control circuit, due to timely automatic recharging, increases their working life.

Подключение параллельно выводам каждого управляемого коммутатора схемы, защищающей его от импульсного перенапряжения, позволяет гасить разрушающие коммутаторы выбросы напряжения, возникающие на их клеммах при выключениях и сократить времена переключений, что приводит к увеличению максимальной рабочей частоты генератора и, как следствие, к расширению диапазона регулирования параметров выходных импульсов, а также к значительному увеличению рабочего ресурса ключевых элементов. Следует также отметить, что включение в конструкцию генератора указанной схемы позволяет выполнять коммутаторы на основе полупроводниковых транзисторов, что приводит к повышению точности воспроизведения выходных сигналов.Connecting in parallel to the terminals of each controlled switch a circuit that protects it from surge overvoltage, it allows to suppress voltage-destroying switches that occur at their terminals during shutdowns and reduce switching times, which leads to an increase in the maximum operating frequency of the generator and, as a result, to an extension of the parameter regulation range output pulses, as well as a significant increase in the working life of key elements. It should also be noted that the inclusion of the indicated circuit in the generator design allows switches to be made based on semiconductor transistors, which leads to an increase in the accuracy of reproducing output signals.

Включение замыкающего диода сглаживающего дросселя параллельно выводам обратно по отношению к их полярности позволяет при переполюсовке выходных импульсов генератора рассеивать остаточную магнитную энергию дросселя на собственном сопротивлении, что при формировании биполярных сигналов не создает импульсного перенапряжения на переключателях полярности и, как следствие, повышает их рабочий ресурс. Также такое включение замыкающего диода позволяет выполнять переключатели на основе полупроводниковых транзисторов, что приводит к повышению точности воспроизведения выходных сигналов и увеличению интервала регулирования их частоты и, как следствие, к расширению диапазона регулирования параметров выходных импульсов.Turning on the closing diode of the smoothing inductor in parallel with the terminals inversely with respect to their polarity makes it possible to dissipate the residual magnetic energy of the inductor at its own resistance when the output pulses of the generator are reversed. Also, this inclusion of a closing diode allows you to make switches based on semiconductor transistors, which leads to increased accuracy in reproducing the output signals and increasing the interval of regulation of their frequency and, as a result, to expanding the range of regulation of the parameters of the output pulses.

С целью повышения электробезопасности при консервации, зарядке аккумуляторных батарей и для остановки работы источника в случае возникновения аварии разработана и реализована система разрыва всех токовых контуров источника на основе механического рубильника с предохранителями, расположенного на выходе силовой части формирователя, и коммутаторов, расположенных на каждой ступени.In order to increase electrical safety during conservation, charging of batteries and to stop the source in the event of an accident, a system for breaking all current source circuits based on a mechanical switch with fuses located at the output of the power part of the former and switches located at each stage has been developed and implemented.

На фиг.1 приведена общая структурная схема однокаскадного импульсного генератора, выбранного в качестве примера конкретного исполнения заявляемого устройства. На фиг.2 представлена электрическая схема генератора. На фиг.3 приведен алгоритм формирования синусоидального двуполярного импульса.Figure 1 shows the General structural diagram of a single-stage pulse generator, selected as an example of a specific implementation of the inventive device. Figure 2 presents the electrical circuit of the generator. Figure 3 shows the algorithm for generating a sinusoidal bipolar pulse.

Импульсный генератор (фиг.1, 2) содержит формирователь, выполненный в виде одного каскада с первой 10 и второй 11 выходными клеммами, замыкающим диодом 16 и n-ступенями, каждая из которых содержит источник напряжения 1.1 (1.2-1.n), соединительные провода с индуктивностью 18.1(18.2-18n) и управляемый коммутатор 2.1 (2.2-2.n). Источник напряжения 1.m-1 предыдущей ступени подключается последовательно к источнику напряжения следующей ступени 1.m через управляемый коммутатор 2.m-1, где m=2,…, n, причем в каждой последующей ступени использован источник напряжения 1.m с разностью потенциалов, в 2 раза превосходящей напряжение источника предыдущей ступени 1.m-1. Каждая из ступеней шунтирована диодом 3.1 (3.2-3.n), включенным обратно по отношению к полярности источника напряжения 1.1 (1.1-1.n). Между выходом управляемого коммутатора последней ступени 2.n и первой выходной клеммой 10 включена интегрирующая цепочка, состоящая из сглаживающего дросселя 4 и конденсатора 5. Параллельно выходным клеммам 10, 11 каждого каскада подключена схема контроля параметров выходных импульсов 13, а параллельно каждому источнику напряжения 1.1 (1.2-1.n) подключена схема, осуществляющая контроль его состояния 24.1 (24.2-24.n). Параллельно выводам каждого управляемого коммутатора 2.1 (2.2-2.n) подключена схема 25.1 (25.2-25.n), защищающая его от коммутационного импульсного перенапряжения, а замыкающий диод 16 включен параллельно выводам сглаживающего дросселя 4 обратно по отношению к их полярности, при этом параллельно выводам конденсатора 5 через управляемый коммутатор 14 включен резистор 15. Дополнительно параллельно выводам каждого переключателя полярности 6, 7, 8, 9 и управляемого коммутатора 14 подключены идентичные схемы 26, защищающие их от коммутационного импульсного перенапряжения. Кроме того, для аварийной остановки работы импульсного генератора в каждой ступени между положительной клеммой источника напряжения 1.1 (1.2-1.n) и входом управляемого коммутатора 2.1 (2.2-2.n), а также между выходом управляемого коммутатора последней ступени 2.n и первой выходной клеммой 27 сглаживающего дросселя 4 включены соответственно размыкатели 17.1-17.n и 19.The pulse generator (figure 1, 2) contains a shaper made in the form of one stage with the first 10 and second 11 output terminals, a closing diode 16 and n-steps, each of which contains a voltage source 1.1 (1.2-1.n), connecting wires with inductance 18.1 (18.2-18n) and managed switch 2.1 (2.2-2.n). The voltage source 1.m-1 of the previous stage is connected in series to the voltage source of the next stage 1.m through the managed switch 2.m-1, where m = 2, ..., n, and in each subsequent stage the voltage source 1.m with the difference potentials 2 times higher than the voltage of the source of the previous stage 1.m-1. Each of the steps is shunted by the diode 3.1 (3.2-3.n), which is switched back on with respect to the polarity of the voltage source 1.1 (1.1-1.n). An integrating circuit consisting of a smoothing inductor 4 and a capacitor 5 is connected between the output of the last-stage managed switch 2.n and the first output terminal 10. A circuit for controlling the parameters of the output pulses 13 is connected in parallel with the output terminals 10, 11 of each stage and 1.1 ( 1.2-1.n) a circuit is connected that monitors its state 24.1 (24.2-24.n). In parallel with the outputs of each managed switch 2.1 (2.2-2.n), a circuit 25.1 (25.2-25.n) is connected, which protects it from switching surge voltage, and the closing diode 16 is connected in parallel with the outputs of the smoothing inductor 4 back with respect to their polarity, while a resistor 15 is connected in parallel to the terminals of the capacitor 5 through the managed switch 14. Additionally, identical circuits 26 are connected parallel to the terminals of each polarity switch 6, 7, 8, 9 and the managed switch 14, which protect them from switching switching overvoltage. In addition, for an emergency stop of the pulse generator in each stage between the positive terminal of the voltage source 1.1 (1.2-1.n) and the input of the managed switch 2.1 (2.2-2.n), as well as between the output of the managed switch of the last stage 2.n and The first output terminal 27 of the smoothing inductor 4 includes, respectively, breakers 17.1-17.n and 19.

Импульсный генератор работает следующим образом.The pulse generator operates as follows.

В начальном состоянии коммутаторы 1.1-1.n и 14, а также переключатели полярности 6, 7, 8, 9 и размыкатели 17.1-17.n и 19 каждого из каскадов находятся в разомкнутом состоянии. Далее на все размыкатели 17.1-17.n и 19 одновременно подается общий импульс управления. После включения размыкателей импульс управления поступает на управляемый коммутатор 14, через который осуществляется разрядка конденсатора 5 на резисторе 15. Алгоритм формирования импульса представлен на примере синусоидального сигнала (фиг.3).In the initial state, the switches 1.1-1.n and 14, as well as the polarity switches 6, 7, 8, 9 and the breakers 17.1-17.n and 19 of each of the cascades are in the open state. Further, all breakers 17.1-17.n and 19 simultaneously receive a common control pulse. After the breakers are turned on, the control pulse is supplied to the managed switch 14, through which the capacitor 5 is discharged to the resistor 15. The pulse generation algorithm is presented using the sinusoidal signal as an example (Fig. 3).

В первый момент времени открываются переключатели полярности 6, 7, определяющие положительное направление тока в нагрузке 12. Затем управляемый коммутатор 2.1 включает источник напряжения 1.1 на нагрузку 12. Одновременно с этим управляемый коммутатор 14 выключается. Ток I_1.1 протекает по цепи «источник напряжения 1.1 - коммутатор 2.1 - диод 3.2-… - диод 3.n - дроссель 4 - переключатель полярности 6 - нагрузка 12 - переключатель полярности 7», замыкаясь на отрицательный полюс источника напряжения 1.1. Дроссель 4 и конденсатор 5 сглаживают резкие скачки тока и напряжения на нагрузке. Следующий шаг - одновременное отключение 2.1 и включение 2.2, посредством чего осуществляется подключение источника напряжения 1.2 к нагрузке 12. Затем включением управляемого коммутатора 2.1 к источнику напряжения 1.2 добавляется 1.1 и на выходных клеммах 10, 11 возникает напряжение холостого хода U_12xx=U_1.1+U_1.2=3×U_1.1. В общем случае

т.е. напряжение холостого хода U_12xx на клеммах 10, 11 изменяется по двоичной логике. Шаг изменения напряжения на выходных клеммах 10, 11 U₁₂ и, соответственно, точность воспроизведения импульса заданной формы, определяется разностью потенциалов U_1.1. Под действием обратной разности потенциалов источника напряжения 1.2 диод 3.2 закрывается и ток I_1.1+1.2 протекает по цепи «источник напряжения 1.1 - коммутатор 2.1- источник напряжения 1.2 - коммутатор 2.2 - диод 3.3-… - диод 3.n - дроссель 4 - переключатель полярности 6 - нагрузка 12 - переключатель полярности 7», возвращаясь на отрицательный полюс источника напряжения 1.1. В момент переключения тока с 3.2 в 2.2 ток дросселя 4 замыкается диодом 16, что защищает элементы импульсного генератора от выбросов напряжения.At the first moment of time, the polarity switches 6, 7 open, determining the positive direction of the current in the load 12. Then, the managed switch 2.1 turns on the voltage source 1.1 to the load 12. At the same time, the managed switch 14 is turned off. Current I _1.1 flows through the circuit "voltage source 1.1 - switch 2.1 - diode 3.2- ... - diode 3.n - inductor 4 - polarity switch 6 - load 12 - polarity switch 7", closing to the negative pole of voltage source 1.1. Choke 4 and capacitor 5 smooth out sudden surges in current and voltage at the load. The next step is the simultaneous shutdown of 2.1 and the inclusion of 2.2, whereby the voltage source 1.2 is connected to the load 12. Then, by switching on the managed switch 2.1, voltage is added to voltage source 1.2 and 1.1 and the open circuit voltage U _12xx = U _1.1 + U _1.2 = 3 × U _1.1 . In general

those. open circuit voltage U _12xx at terminals 10, 11 is changed according to binary logic. The step of the voltage change at the output terminals 10, 11 U ₁₂ and, accordingly, the accuracy of reproduction of a pulse of a given shape, is determined by the potential difference U _1.1 . Under the action of the inverse potential difference of the voltage source 1.2, the diode 3.2 closes and the current I _{1.1 + 1.2} flows through the circuit "voltage source 1.1 - switch 2.1- voltage source 1.2 - switch 2.2 - diode 3.3- ... - diode 3.n - inductor 4 - polarity switch 6 - load 12 - polarity switch 7 ", returning to the negative pole of the voltage source 1.1. At the time of switching the current from 3.2 to 2.2, the current of the inductor 4 is closed by the diode 16, which protects the elements of the pulse generator from voltage surges.

При замыкании управляемых коммутаторов 2.3-2-n остальных ступеней подключения источников напряжения 1.3-1.n к нагрузке 12 происходят аналогично. Выходной ток растет с увеличением числа включенных ступеней. На заключительном этапе все коммутаторы 2.1-2.n замкнуты, напряжение на нагрузке 12 имеет максимально достижимое значение и составляет

, где U_1.k - разность потенциалов на k-м источнике напряжения; U_2.k - падение напряжения на k-м управляемом коммутаторе; U_15.k - падение напряжения на внутреннем сопротивлении k-го источника напряжения; U₆, U₇ - падения напряжений на переключателях полярности 6 и 7 соответственно. При этом ток в нагрузке составляет сумму токов всех n ступеней

When the managed switches 2.3-2-n are closed, the remaining stages of connecting voltage sources 1.3-1.n to load 12 occur in the same way. The output current increases with the number of steps included. At the final stage, all the switches 2.1-2.n are closed, the voltage at the load 12 has the maximum attainable value and is

where U _1.k is the potential difference at the k-th voltage source; U _2.k - voltage drop on the k-th managed switch; U _15.k is the voltage drop at the internal resistance of the k-th voltage source; U ₆ , U ₇ - voltage drops on the polarity switches 6 and 7, respectively. The current in the load is the sum of the currents of all n stages

Таким образом, на нагрузке 12 формируется фронт токового импульса. Формирование спада тока производится выключением коммутаторов 2.1-2.n в обратной последовательности, начиная с n-й ступени и завершая первой ступенью. Когда ток в нагрузке I₁₂ уменьшается до нуля, цикл формирования импульса завершен.Thus, on the load 12, the front of the current pulse is formed. Formation of the current drop is done by turning off the switches 2.1-2.n in the reverse sequence, starting from the nth stage and ending with the first stage. When the current in the load I ₁₂ decreases to zero, the pulse formation cycle is completed.

В случае формирования двухполярного импульса между импульсами противоположной полярности на короткий временной интервал Т («мертвое время») открывается коммутатор 14 и через резистор 15 происходит разрядка сглаживающего конденсатора 5 и частичный вывод магнитной энергии сглаживающего дросселя 4. Резистор 15 ограничивает ток короткого замыкания. По окончании интервала «мертвого времени» коммутатор 14 и переключатели полярности 6, 7 отключаются. Одновременно с этим включаются переключатели полярности 8, 9, отвечающие за обратное направление тока в нагрузке. Формирование отрицательной полуволны осуществляется по той же схеме, что и положительная.In the case of the formation of a bipolar pulse between pulses of opposite polarity for a short time interval T (dead time), the switch 14 opens and the smoothing capacitor 5 is discharged through the resistor 15 and the magnetic energy of the smoothing inductor 4 is partially withdrawn. Resistor 15 limits the short-circuit current. At the end of the dead time interval, the switch 14 and the polarity switches 6, 7 are turned off. At the same time, polarity switches 8, 9 are activated, which are responsible for the reverse direction of the current in the load. The formation of the negative half-wave is carried out in the same way as the positive.

В заявляемом устройстве с помощью первой выходной клеммы 10 и второй выходной клеммы 11 подключена схема контроля параметров выходных импульсов 13, состоящая из датчиков тока и напряжения. Схема контроля 13 производит измерения параметров выходных импульсов в нагрузке. Проведение измерений необходимо для организации обратной связи между нагрузкой 12 и микропроцессором 21. Обратная связь позволяет получать с повышенной точностью заданную форму и амплитуду выходных импульсов, корректировать их непосредственно во время работы генератора в зависимости от изменения активной и реактивной компонент нагрузки. Также обратная связь необходима для синхронной работы нескольких каскадов. Корректировка выходных сигналов осуществляется за счет отводимого на это диапазона напряжения, который составляет -10% от максимального напряжения холостого хода на клеммах 10, 11.In the inventive device using the first output terminal 10 and the second output terminal 11 connected to the control circuit of the parameters of the output pulses 13, consisting of current and voltage sensors. The control circuit 13 measures the parameters of the output pulses in the load. Measurements are necessary for the organization of feedback between the load 12 and the microprocessor 21. Feedback allows obtaining the specified shape and amplitude of the output pulses with increased accuracy, correcting them directly during generator operation depending on changes in the active and reactive components of the load. Feedback is also necessary for the synchronous operation of several cascades. The output signals are adjusted due to the voltage range allocated to this, which is -10% of the maximum open-circuit voltage at terminals 10, 11.

Генерация сигналов управления для коммутаторов 1.1-1.n, 14, а также для переключателей полярности 6, 7, 8, 9 осуществляется по следующей схеме. После преобразования аналогового сигнала с задающего генератора 23 аналого-цифровым преобразователем АЦП 22 цифровой код поступает на вход микропроцессора 20. После программной обработки цифрового кода 20 вырабатывает параллельные сигналы управления для коммутаторов 1.1-1.n, 14, а также для переключателей полярности 6, 7, 8, 9. Далее схема контроля параметров выходных импульсов 13 осуществляет непрерывные измерения силы тока и напряжения в нагрузке 12. После преобразования сигналов с 13 при помощи АЦП 21 цифровые коды передаются в микропроцессор 20, который сравнивает коды и при несовпадении по специальному алгоритму вырабатывает компенсирующий код, который суммируется с кодом, поступающим с АЦП 22. Таким образом, импульсный генератор формирует на нагрузке 12 импульс, подобный по форме и аналогичный по временным характеристикам сигналу с задающего генератора 23. Параллельно каждому источнику напряжения 1.1 (1.2-1.n) подключена схема 24.1 (24.2-24.n), осуществляющая контроль его состояния и автоматическую подзарядку до заданного значения. Контроль уровня заряда источников напряжения 1.1-1.n производится гальванически развязанными компараторами. При уменьшении напряжения до некоторого определенного значения, которое задается номиналами резисторов делителя напряжения на входе компаратора, происходит зарядка источника.The generation of control signals for switches 1.1-1.n, 14, as well as for polarity switches 6, 7, 8, 9, is carried out according to the following scheme. After converting the analog signal from the master oscillator 23 by the analog-to-digital converter of the ADC 22, the digital code is fed to the input of the microprocessor 20. After software processing the digital code 20, it generates parallel control signals for the switches 1.1-1.n, 14, as well as for the polarity switches 6, 7 , 8, 9. Next, the control circuit of the parameters of the output pulses 13 carries out continuous measurements of current and voltage in the load 12. After converting the signals from 13 using the ADC 21, the digital codes are transmitted to the microprocessor 20, which compares the codes and, if it does not match, it generates a compensation code using a special algorithm, which is summed with the code coming from the ADC 22. Thus, the pulse generator generates a pulse on load 12, similar in shape and similar in time to the signal from the master oscillator 23. In parallel with each the voltage source 1.1 (1.2-1.n) is connected to circuit 24.1 (24.2-24.n), which monitors its state and automatically recharges to a predetermined value. The charge level control of voltage sources 1.1-1.n is carried out by galvanically isolated comparators. When the voltage is reduced to a certain value, which is set by the values of the resistors of the voltage divider at the input of the comparator, the source is charged.

Из-за наличия во всех ступенях импульсного генератора паразитных индуктивностей 18.1-18.n соединительных проводов при переключениях управляемых коммутаторов 2.1-2.n на их клеммах возникают импульсные перенапряжения, оказывающие на коммутаторы разрушительные воздействия. Для защиты от этих воздействий параллельно выводам каждого из коммутаторов 2.1-2.n подключены схемы 25.1-25.n, которые представляют собой размещенные непосредственно на клеммах последовательные RC-цепочки, выполненные из низкоиндуктивных элементов.Due to the presence of connecting wires in all stages of the pulse generator of spurious inductances 18.1-18.n during switching of controlled switches 2.1-2.n, surge terminals appear on their terminals, which have destructive effects on the switches. To protect against these influences, circuits 25.1-25.n are connected in parallel with the terminals of each of the switches 2.1-2.n, which are serial RC circuits located directly on the terminals made of low-inductance elements.

Конденсатор С поглощает выброс напряжения с энергетикой, равной запасенной на паразитной индуктивности магнитной энергией, и рассеивает накопленную таким образом электрическую энергию на резисторе R.The capacitor C absorbs a voltage surge with an energy equal to the magnetic energy stored on the stray inductance and dissipates the electrical energy thus accumulated on the resistor R.

Емкости конденсаторов защитных схем 25.1-25.n выбираются из условия, чтобы выбросы напряжения на коммутаторах 2.1-2.n при запирании не превышали допустимых паспортных значений. Емкости могут быть оценены как

, где L_18.1-18.n- значения паразитных индуктивностей соединительных проводов 18.1-18.n; I_2.1-2.n - токи через коммутаторы 2.1-2.n в моменты их выключений; U_max - паспортное значение максимально допустимого импульсного напряжения на коммутаторах 2.1-2.n. Номинал резисторов защитных схем 25.1-25.n определяется из условия U_max/I_2.1-2n≥R_25.1-25n≥U_1.1-1n/I_max, где I_max- паспортное значение предельно допустимого импульсного тока через 2.1-2.n; U_1.1-1.n- номинал источников напряжения 1.1-2.n.Capacitors capacitances of protective circuits 25.1-25.n are selected from the condition that the voltage surges on the switches 2.1-2.n when locked do not exceed the permissible rating values. Capacities can be rated as

where L _18.1-18.n are the values of the parasitic inductances of the connecting wires 18.1-18.n; I _2.1-2.n - currents through switches 2.1-2.n at the moments of their shutdowns; U _max - the passport value of the maximum allowable surge voltage on the switches 2.1-2.n. The value of the resistors of the protective circuits 25.1-25.n is determined from the condition U _max / I _2.1-2n ≥R _25.1-25n ≥U _1.1-1n / I _max , where I _max is the passport value of the maximum permissible pulse current through 2.1-2.n; U _1.1-1.n - nominal voltage sources 1.1-2.n.

С целью повышения уровня защиты управляемого коммутатора 14 и переключателей полярности 6, 7, 8, 9 параллельно их выводам подключена идентичная для всех защитная схема 26, которая состоит из последовательной RC-цепочки. Номинал ее элементов определяется по аналогии с защитными схемами для коммутаторов 2.1-2.n.In order to increase the level of protection of the managed switch 14 and polarity switches 6, 7, 8, 9, a parallel protection circuit 26, which consists of a serial RC circuit, is connected in parallel with their terminals. The rating of its elements is determined by analogy with protective circuits for switches 2.1-2.n.

При переполюсовке выходного сигнала за время Т магнитная энергия дросселя 4 частично рассеивается на резисторе 15. Включение замыкающего диода 16 параллельно выводам сглаживающего дросселя 4 обратно по отношению к их полярности обеспечивает полное рассеивание его магнитной энергии на собственном сопротивлении дросселя 4. При этом такое включение диода 16 в схему импульсного генератора позволяет формировать в нагрузке 12 биполярные импульсы, не отключая диод 16.When the output signal is reversed during time T, the magnetic energy of the inductor 4 is partially dissipated by the resistor 15. Turning on the closing diode 16 in parallel with the terminals of the smoothing inductor 4 back with respect to their polarity ensures the complete dissipation of its magnetic energy on the inherent resistance of the inductor 4. Moreover, this inclusion of the diode 16 into the pulse generator circuit allows you to generate bipolar pulses in the load 12 without disconnecting the diode 16.

В целях обеспечения электробезопасности при настройке и подготовке импульсного генератора к работе, консервации, зарядке источников напряжения 1.1-1.n и для остановки работы генератора в случае возникновения аварии применены размыкатели всех токовых контуров 17.1-17.n и 19, которые осуществляют механический визуально наблюдаемый разрыв по окончании их общего импульса управления.In order to ensure electrical safety when setting up and preparing the pulse generator for operation, preservation, charging of voltage sources 1.1-1.n and to stop the operation of the generator in the event of an accident, circuit breakers of all current circuits 17.1-17.n and 19 are used, which carry out a mechanically visually observed gap at the end of their total control pulse.

В общем случае значение коэффициента n выбирается в зависимости от разности потенциалов используемых источников напряжения, необходимого уровня выходного напряжения и мощности генератора, параметров нагрузки, временных характеристик импульсов согласно методике проведения эксперимента.In the general case, the value of the coefficient n is selected depending on the potential difference of the used voltage sources, the required level of the output voltage and the generator power, load parameters, time characteristics of the pulses according to the experimental technique.

В частности, реализован 6-ступенчатый импульсный генератор, в котором напряжение U_1.1≈12,5 В, U_1.6≈400 В. Максимальное напряжение источника ≈800 В, энергозапас ≈0,16 ГДж. Источники напряжения U_1.1-U_1.6 состоят из разного количества последовательно соединенных стартерных аккумуляторных батарей с напряжением 12,5 В и током разряда до 500 А в течении 10 с.In particular, a 6-stage pulse generator was implemented in which the voltage is U _1.1 ≈12.5 V, U _1.6 ≈400 V. The maximum voltage of the source is ≈800 V, the energy reserve is ≈0.16 GJ. Voltage sources U _1.1 -U _1.6 consist of a different number of series-connected starter batteries with a voltage of 12.5 V and a discharge current of up to 500 A for 10 s.

Данный источник использовался для глубинного электромагнитного мониторинга, для запитки соленоидов с большим энергозапасом в целях создания магнитного поля высокой напряженности ~1 кЭ в объемах ~10 м³, для исследования работы мощного электрооборудования в различных режимах и др.This source was used for in-depth electromagnetic monitoring, for feeding solenoids with a large energy reserve in order to create a high magnetic field of ~ 1 kOe in volumes of ~ 10 m ³ , to study the operation of powerful electrical equipment in various modes, etc.

В экспериментах, связанных с мониторингом слоев грунта различной глубины, в качестве нагрузки применялся геофизический диполь с характерным размером ~1 км. В диполь вводились различные, в том числе биполярные, импульсы мощностью ~1 МВт (напряжение ~1 кВ, ток ~1 кА) в течение времени до 10 с.In experiments related to monitoring soil layers of various depths, a geophysical dipole with a characteristic size of ~ 1 km was used as a load. Various, including bipolar, pulses with a power of ~ 1 MW (voltage ~ 1 kV, current ~ 1 kA) were introduced into the dipole over a period of up to 10 s.

Для создания магнитного поля в больших объемах была использована система соленоидов с энергозапасом ~1 МДж. Получено однородное магнитное поле заданной напряженности (точность воспроизведения требуемых параметров ~95%). Также возможно формирование неоднородного магнитного поля.To create a magnetic field in large volumes, a system of solenoids with an energy reserve of ~ 1 MJ was used. A uniform magnetic field of a given intensity was obtained (the accuracy of reproducing the required parameters is ~ 95%). The formation of an inhomogeneous magnetic field is also possible.

При исследовании работоспособности электрооборудования в различных режимах от импульсного генератора на входные клеммы электрооборудования подавалась заданная последовательность неидентичных импульсов нестандартной формы с изменяющейся частотой. Длительность последовательности достигала 40 с при максимальной вводимой мощности до 400 кВт.In the study of the operability of electrical equipment in various modes, a predetermined sequence of non-identical non-standard shape pulses with a varying frequency was supplied to the input terminals of the electrical equipment from a pulse generator. The sequence duration reached 40 s with a maximum input power of up to 400 kW.

При выходной мощности генератора ~1 МВт и энергозапасе - 0,2 ГДж его вес не превышает 1,5 тонн, габаритные размеры - не более 1 м × 1,6 м × 2,5 м.With a generator output of ~ 1 MW and an energy reserve of 0.2 GJ, its weight does not exceed 1.5 tons, and overall dimensions are not more than 1 m × 1.6 m × 2.5 m.

По сравнению с прототипом заявляемый импульсный генератор имеет аналогичные энергетические и мощностные характеристики, и его применение позволит повысить точность воспроизведения, расширить диапазон регулирования параметров выходных импульсов и повысить рабочий ресурс основных узлов. Кроме того, значительно поднят уровень электробезопасности конструкции.Compared with the prototype, the inventive pulsed generator has similar energy and power characteristics, and its use will improve the accuracy of reproduction, expand the range of regulation of the parameters of the output pulses and increase the working life of the main nodes. In addition, significantly increased the level of electrical safety of the structure.

Claims

1. A pulse generator, including a driver, made in the form of at least one stage with the first and second output terminals, a closing diode and n-steps, each of which contains a voltage source, while the voltage source of the previous stage is connected in series to the voltage source the next stage through the managed switch, in addition, each of the stages is shunted by a diode connected back to the polarity of the voltage source, and between the output of the managed switch of the last neither the first output terminal includes an integrating circuit consisting of a smoothing inductor and capacitor, characterized in that a circuit for controlling the parameters of the output pulses is connected parallel to the output terminals of each stage, in each subsequent stage, starting from the first, a voltage source with a potential difference of 2 times the voltage of the source of the previous stage, and in parallel to each voltage source, a circuit is connected that monitors its state, and in parallel with each th connected controlled switch circuit which protects it from surge, and a diode connected in parallel with normally open terminals of the smoothing choke back relative to their polarity.

2. The device according to claim 1, characterized in that in each stage between the positive terminal of the voltage source and the input of the managed switch, as well as between the output of the managed switch of the last stage and the first output terminal of the smoothing inductor, disconnectors are included to stop the source in the event of an accident.