RU2619779C1

RU2619779C1 - Cold cathode thyratron control device

Info

Publication number: RU2619779C1
Application number: RU2015154282A
Authority: RU
Inventors: Андрей Владимирович Степанов; Виталий Игоревич Шаманин; Евгений Иванович Луконин; Виктор Сергеевич Есипов
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-05-18

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: control device includes a step-up voltage pulse transformer (9), a capacitive energy storage (5), a pulse hydrogen thyratron (15) and a trigger generation unit containing a thyristor (8) included in the transformer primary circuit (9), a shunting capacitor (18) connected to the thyristor control electrode (8), a saturation throttle (6) and the second shunting capacitor (7), which reduces the stress rate across the thyristor (8). To delay the voltage supply to the grid of the pulse hydrogen thyratron (15) relative to the trigger of the thyristor (8) to the thyristor (8) control electrode and a clock pulse generator (19) is connected to the grid of the hydrogen thyratron (15). A capacitive energy storage (5) can be connected to an alternating voltage circuit via a step-up voltage pulse transformer (9) and a mains single-ended rectifier (1).

EFFECT: possibility of using the device in generator schemes, both with pulse charging of the storage capacitor, and with DC charging, increasing reliability due to reducing the number of elements and operating efficiency, providing parallel operation of two thyratrons of the TDI series.

2 cl; 3 dwg

Description

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и предназначено для управления тиратроном с холодным катодом серии ТДИ посредством формирования импульсов поджига с нормированной крутизной фронта и следующих с высокой частотой следования импульсов, а также может быть использовано для запуска управляемых разрядников.The invention relates to a high-voltage pulse technique and is intended for controlling a TDI series cold cathode thyratron by generating ignition pulses with a normalized slope of the front and subsequent pulses with a high pulse repetition rate, and can also be used to launch controlled arresters.

Для управления тиратроном требуются импульсы поджига амплитудой 5±0,5 кВ, с крутизной фронта 5±0,5 кВ/мкс и величиной тока 100±50 А. Для обеспечения указанной крутизны фронта блок управления должен находиться в непосредственной близости от тиратрона ТДИ, в этом случае индуктивность соединительного кабеля будет минимальной. Устройство управления тиратроном должно иметь надежную защиту от мощной электромагнитной помехи, которая возникает при включении тиратрона ТДИ и, воздействуя на блок управления, нарушает его работу.To control the thyratron, ignition pulses with an amplitude of 5 ± 0.5 kV, with a front slope of 5 ± 0.5 kV / μs and a current value of 100 ± 50 A are required. To ensure the specified steepness of the front, the control unit must be in close proximity to the TDI thyratron, In this case, the inductance of the connecting cable will be minimal. The thyratron control device should have reliable protection against powerful electromagnetic interference that occurs when the TDI thyratron is turned on and, acting on the control unit, disrupts its operation.

Известно устройство блока управления ПБ-3Д тиратрона серии ТДИ (Bochkov V.D., Bochkov D.D., Gnedin I.N., Bak P.A., Pihl C.J., Andreason S.P., Slough J. Research and development of pseudospark switch drivers // 2012 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference, IPMHVC 2012, San Diego, CA, 03-07 июня 2012, P. 552-554), содержащее повышающий импульсный трансформатор напряжения, твердотельный коммутатор, емкостной накопитель. Основной недостаток устройства в том, что блок ПБ-3Д имеет низкий диапазон частоты следования импульсов поджига 20 имп/с, который ограничен коммутационными характеристиками используемого искрового разрядника. Кроме того, ПБ-3Д формирует импульс поджига только для одного тиратрона.A device for the control unit PB-3D of the TDI series thyratron (Bochkov VD, Bochkov DD, Gnedin IN, Bak PA, Pihl CJ, Andreason SP, Slough J. Research and development of pseudospark switch drivers // 2012 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference , IPMHVC 2012, San Diego, CA, June 03-07, 2012, P. 552-554) containing a step-up switching voltage transformer, solid-state switch, capacitive storage. The main disadvantage of the device is that the PB-3D unit has a low pulse repetition rate of the ignition pulse of 20 pulses / s, which is limited by the switching characteristics of the spark gap used. In addition, the PB-3D generates an ignition pulse for only one thyratron.

Наиболее близким к предложенному решению является блок управления тиратроном ТДИ (I.S. Egorov, V.S. Esipov, Ε.I. Lukonin and Α.V. Poloskov A Self-Triggering System for a Cold-Cathode Thyratron in a Pulse Voltage Generator // Instruments and Experimental Techniques, 2015, Vol. 58, № 1, pp. 64-66). Данный блок генерирует высоковольтные импульсы поджига отрицательной полярности относительно земли. Блок управления содержит емкостной накопитель, который заряжается через повышающий импульсный трансформатор напряжения, включенный в цепь зарядки накопительного конденсатора генератора, импульсный водородный тиратрон ТГИ 500/16, включенный в цепь емкостного накопителя. Коммутация емкостного накопителя блока управления осуществляется импульсным водородным тиратроном ТГИ 500/16, который срабатывает при приложении к нему импульса напряжения с блока формирования импульса запуска, выполненного в виде пик-трансформатора. Пик-трансформатор также включен в цепь накопительного конденсатора генератора, в момент окончания зарядки которого пик-трансформатор формирует импульс запуска ТГИ 500/16. При срабатывании водородного тиратрона ТГИ 500/16 формируется импульс поджига тиратрона ТДИ.Closest to the proposed solution is the TDI thyratron control unit (IS Egorov, VS Esipov, I.I. Lukonin and Α.V. Poloskov A Self-Triggering System for a Cold-Cathode Thyratron in a Pulse Voltage Generator // Instruments and Experimental Techniques 2015, Vol. 58, No. 1, pp. 64-66). This unit generates high voltage ignition pulses of negative polarity relative to the ground. The control unit contains a capacitive storage, which is charged through a step-up pulse voltage transformer included in the charging circuit of the storage capacitor of the generator, a pulsed hydrogen thyratron TGI 500/16, included in the capacitive storage circuit. Switching of the capacitive storage of the control unit is carried out by a pulsed hydrogen thyratron TGI 500/16, which is triggered when a voltage pulse is applied to it from the start pulse generating unit, made in the form of a peak transformer. The peak transformer is also included in the storage capacitor circuit of the generator, at the time of completion of charging of which the peak transformer generates a triggering pulse of TGI 500/16. When the TGI 500/16 hydrogen thyratron is triggered, an ignition pulse of the TDI thyratron is formed.

Основным недостатком данного блока управления является то, что его возможно использовать только в схемах генераторов с импульсной зарядкой коммутируемого накопительного конденсатора. Часть энергии запасаемой в коммутируемом накопительном конденсаторе расходуется на зарядку емкостного накопителя блока управления и на перемагничивание сердечников пик-трансформатора и импульсного высоковольтного трансформатора напряжения, что существенно снижает эффективность работы генератора. Недостатком данного блока является также и то, что амплитуда импульса поджига зависит от напряжения зарядки накопительного конденсатора генератора, т.е. при напряжении на накопительном конденсаторе генератора ниже 30 кВ, амплитуда импульса поджига составит менее 5 кВ, и его энергии будет не достаточно для срабатывания тиратрона ТДИ. Необходимо отметить и то, что данный блок управления обеспечивает работу одного тиратрона и исключает параллельную работу нескольких тиратронов серии ТДИ.The main disadvantage of this control unit is that it can only be used in generator circuits with pulse charging of a switched storage capacitor. Part of the energy stored in the switched storage capacitor is spent on charging the capacitive storage of the control unit and on the magnetization reversal of the cores of the peak transformer and pulse high-voltage voltage transformer, which significantly reduces the efficiency of the generator. The disadvantage of this unit is also that the amplitude of the ignition pulse depends on the charging voltage of the storage capacitor of the generator, i.e. when the voltage at the storage capacitor of the generator is lower than 30 kV, the amplitude of the ignition pulse will be less than 5 kV, and its energy will not be enough to trigger the TDI thyratron. It should be noted that this control unit provides the operation of one thyratron and excludes the parallel operation of several thyratrons of the TDI series.

Технический результат предложенного изобретения заключается в возможности использования его в схемах генераторов как с импульсной зарядкой накопительного конденсатора, так и с зарядкой постоянным током, повышении надежности за счет уменьшения количества элементов и эффективности работы, обеспечении параллельной работы двух тиратронов серии ТДИ.The technical result of the proposed invention consists in the possibility of using it in generator circuits with both pulse charging of a storage capacitor and direct current charging, increasing reliability by reducing the number of elements and operating efficiency, and ensuring the parallel operation of two TDI series thyratrons.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве управления тиратроном с холодным катодом, содержащим, как и прототип, повышающий импульсный трансформатор напряжения, емкостной накопитель энергии, импульсный водородный тиратрон и блок формирования импульса его запуска, в отличие от прототипа блок формирования импульса запуска водородного тиратрона содержит тиристор, включенный в цепь первичной обмотки повышающего импульсного трансформатора напряжения, шунтирующий конденсатор, соединенный с управляющим электродом тиристора, дроссель насыщения и второй шунтирующий конденсатор, который уменьшает скорость изменения напряжения на тиристоре, а для задержки подачи напряжения на сетку импульсного водородного тиратрона относительно импульса запуска тиристора к управляющему электроду тиристора и к сетке водородного тиратрона подключен генератор тактовых импульсов.The specified technical result is achieved by the fact that in the control device of a thyratron with a cold cathode, containing, like the prototype, increasing the pulse voltage transformer, capacitive energy storage, pulsed hydrogen thyratron and a pulse generating unit for triggering it, in contrast to the prototype, a pulse generating unit for generating a hydrogen thyratron contains a thyristor included in the primary circuit of a step-up pulse voltage transformer, a shunt capacitor connected to a control electrode a thyristor, a saturation inductor and a second shunt capacitor, which reduces the rate of change of voltage on the thyristor, and a clock generator is connected to the thyristor control electrode and the thyratron control grid to delay the voltage supply to the thyristor trigger grid relative to the thyristor trigger pulse.

Целесообразно, чтобы емкостной накопитель был подключен к сети переменного напряжения через повышающий импульсный трансформатор напряжения и сетевой однотактный выпрямитель.It is advisable that the capacitive storage device is connected to an alternating voltage network through a step-up pulse voltage transformer and a single-phase network rectifier.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-3, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема предложенного устройства управления, на фиг. 2 - осциллограммы тока зарядки первичного емкостного накопителя и напряжения на тиристоре, на фиг. 3 осциллограмма напряжения импульса поджига.The invention is illustrated in FIG. 1-3, where in FIG. 1 shows a circuit diagram of the proposed control device, FIG. 2 - oscillograms of the charging current of the primary capacitive storage and the voltage across the thyristor, FIG. 3 waveform of the ignition pulse voltage.

Устройство управления тиратроном с холодным катодом состоит из сетевого однотактного выпрямителя 1, диода 2, линейного зарядного дросселя 3, балластной индуктивности 4, первичного емкостного накопителя 5, дросселя насыщения 6, второго шунтирующего конденсатора 7, который уменьшает скорость изменения напряжения на тиристоре 8, повышающего импульсного трансформатора напряжения 9, разделительного (отсекающего) диода 10, токоограничивающего резистора 11, вторичного емкостного накопителя 12, токоограничивающих резисторов 13 и 14, импульсного водородного тиратрона 15 (ТГИ 500/16), накального трансформатора 16 (ТН58-127/220-50), экрана 17, первого шунтирующего конденсатора 18. Для задержки подачи напряжения на сетку импульсного водородного тиратрона 15 относительно импульса запуска тиристора 8 к управляющему электроду тиристора 8 и к сетке водородного тиратрона 15 подключен генератор тактовых импульсов 19. Повышающий импульсный трансформатор напряжения 9 сухого исполнения с секционированной вторичной обмоткой. Высоковольтная часть устройства управления закрыта перфорированным стальным экраном 17 и имеет собственную земляную шину. Устройство управления смонтировано в стандартном корпусе и расположено в непосредственной близости от коммутаторов ТДИ.The cold cathode thyratron control device consists of a single-phase network rectifier 1, diode 2, a linear charging inductor 3, a ballast inductance 4, a primary capacitive storage 5, a saturation inductor 6, a second shunt capacitor 7, which reduces the rate of change of voltage across the thyristor 8, raising the pulse voltage transformer 9, isolation (cut-off) diode 10, current-limiting resistor 11, secondary capacitive storage 12, current-limiting resistors 13 and 14, pulsed water one thyratron 15 (TGI 500/16), a filament transformer 16 (TN58-127 / 220-50), a screen 17, the first shunt capacitor 18. To delay the supply of voltage to the grid of a pulsed hydrogen thyratron 15 relative to the start pulse of thyristor 8 to the thyristor control electrode 8 and a clock pulse generator 19 is connected to the grid of the hydrogen thyratron 15. The step-up pulse voltage transformer 9 is of dry design with a sectioned secondary winding. The high-voltage part of the control device is closed by a perforated steel screen 17 and has its own earth bus. The control unit is mounted in a standard case and is located in close proximity to the TDI switches.

Заявляемое устройство обеспечивает управление тиратроном с холодным катодом, посредством формирования напряжения поджига Uп с нормированной крутизной фронта, импульса тока поджига Iп. Параметры импульсов полностью соответствуют паспортным значениям выбранного типа тиратрона и, при необходимости, легко корректируются. Устройство питается от трехфазной сети переменного напряжения - 3×380 В. Активные элементы блока управления - тиристор 8 и маломощный импульсный водородный тиратрон 15 (ТГИ 500/16).The inventive device provides control of a thyratron with a cold cathode, by generating an ignition voltage Uп with a normalized front slope, an ignition current pulse Iп. The parameters of the pulses are fully consistent with the passport values of the selected type of thyratron and, if necessary, are easily adjusted. The device is powered by a three-phase AC voltage network - 3 × 380 V. The active elements of the control unit are thyristor 8 and low-power pulsed hydrogen thyratron 15 (TGI 500/16).

Работу устройства (фиг. 1) рассмотрим на примере конкретного выполнения. Энергия от сети переменного напряжения запасается в первичном емкостном накопителе 5 (40 мкФ) через однотактный выпрямитель 1, линейный дроссель 3 (247 мГн) и первичную обмотку (например, 17 витков) повышающего импульсного трансформатора напряжения 9 (ШП32×50×50) до напряжения UC1, равного 310 В (фиг. 1). Током зарядки 20 (фиг. 2) первичного емкостного накопителя 5 размагничивается сердечник повышающего импульсного трансформатора напряжения 9, поскольку трансформатор 9 работает в режиме формирования однополярных импульсов. При достижении зарядного напряжения U_C1 на первичном емкостном накопителе 5 генератором тактовых импульсов 19 открывается тиристор 8 (ТБ251-80-11) и энергия из первичного емкостного накопителя 5 передается во вторичный емкостной накопитель 12 (95 нФ), за время, определяемое величинами емкостей накопителей 5 и 12, индуктивностью рассеяния трансформатора 9 и балластной индуктивностью 4. Коэффициент трансформации импульсного трансформатора напряжения 9 выбирают исходя из амплитудного значения напряжения импульса поджига Uп, рекомендованного изготовителем тиратронов. Как правило, величина напряжения Uп лежит в пределах 3÷6 кВ, запасаемая во вторичном емкостном накопителе 12 энергия - 0,9÷1,4 Дж. После зарядки накопителя 12, высоковольтная часть схемы устройства управления отсекается от зарядной разделительным диодом 10.The operation of the device (Fig. 1) we consider the example of a specific implementation. The energy from the AC voltage network is stored in the primary capacitive storage 5 (40 μF) through a single-cycle rectifier 1, a linear choke 3 (247 mH) and the primary winding (for example, 17 turns) of a step-up pulse voltage transformer 9 (Ш3232 × 50 × 50) to a voltage UC1 equal to 310 V (Fig. 1). The charging current 20 (Fig. 2) of the primary capacitive storage 5 demagnetizes the core of the step-up pulse voltage transformer 9, since the transformer 9 operates in the mode of formation of unipolar pulses. When the charging voltage U _C1 at the primary capacitive storage 5 is reached, the thyristor 8 (TB251-80-11) opens and the energy from the primary capacitive storage 5 is transferred to the secondary capacitive storage 12 (95 nF), during the time determined by the values of the storage capacities 5 and 12, the dissipation inductance of the transformer 9 and the ballast inductance 4. The transformation coefficient of the pulse voltage transformer 9 is selected based on the amplitude value of the voltage of the ignition pulse Up recommended by the manufacturer Itel thyratrons. As a rule, the voltage Uп lies in the range 3–6 kV, the energy stored in the secondary capacitive storage 12 is 0.9–1.4 J. After charging the storage 12, the high-voltage part of the control device circuit is cut off from the charging isolation diode 10.

Тиристор 8 остается открытым до полного вывода энергии, запасенной в индуктивности намагничивания сердечника трансформатора 9 и балластной индуктивности 4, введенной для растягивания процесса зарядки емкостного накопителя 5 и уменьшения импульсной нагрузки на сеть переменного напряжения. Первичный емкостной накопитель 5 перезаряжается до напряжения (0,1÷0,2)U_C1 и к тиристору 8 прикладывается отрицательное напряжение 21 (фиг. 2). Спустя время, необходимое для восстановления вентильных свойств (около 50 мкс), тиристор 8 запирается.The thyristor 8 remains open until the energy stored in the magnetization inductance of the core of the transformer 9 and the ballast inductance 4 is introduced to stretch the charging process of the capacitive storage 5 and reduce the pulse load on the alternating voltage network. The primary capacitive storage 5 is recharged to a voltage of (0.1 ÷ 0.2) U _C1 and a negative voltage 21 is applied to the thyristor 8 (Fig. 2). After the time required to restore the valve properties (about 50 μs), the thyristor 8 is locked.

Затем с задержкой 1÷2 мс относительно первоначального импульса запуска тиристора 8 в момент, когда анодное напряжение на тиристоре 8 отрицательно (фиг. 2), генератор тактовых импульсов 19 подает напряжение на сетку импульсного водородного тиратрона 15. Импульсный водородный тиратрон 15 включается, и формируются два импульса поджига (фиг. 3) тиратронов ТДИ. В дальнейшем первичный емкостной накопитель 5 перезаряжается до первоначального уровня U_C1.Then, with a delay of 1 ÷ 2 ms relative to the initial triggering pulse of thyristor 8 at the moment when the anode voltage on thyristor 8 is negative (Fig. 2), the clock generator 19 supplies voltage to the grid of a pulsed hydrogen thyratron 15. Pulse hydrogen thyratron 15 is turned on, and formed two ignition pulses (Fig. 3) of the TDI thyratrons. Subsequently, the primary capacitive storage 5 is recharged to the initial level U _C1 .

При первых включениях тиратронов серии ТДИ устройство управления подвергается воздействию мощной электромагнитной помехе. Введение задержки 1÷2 мс относительно импульса запуска тиристора 8 позволяет исключить закорачивание устройства управления в результате повторного включения тиристора 8 и нормализовать его работу. Диод 2 препятствует раскачке зарядного контура, исключая колебательную зарядку первичного емкостного накопителя 5. Потери энергии при этом незначительны и составляют 0,25/2 от запасаемой во вторичном емкостном накопителе 12. Величина задержки выбирается произвольно. При фиксированных значениях зарядной 3 и балластной 4 индуктивностях, задержка выбирается в пределах 2 мс. Поскольку спустя 2 мс, относительно импульса запуска тиристора 8, первичный емкостной накопитель 5 начинает повторно заряжаться от сети переменного напряжения.When the TDI series thyratrons are turned on for the first time, the control unit is exposed to powerful electromagnetic interference. The introduction of a delay of 1 ÷ 2 ms relative to the start pulse of the thyristor 8 eliminates the shorting of the control device as a result of the repeated switching on of the thyristor 8 and normalizes its operation. Diode 2 prevents the buildup of the charging circuit, excluding the oscillatory charging of the primary capacitive storage 5. The energy loss is negligible and amounts to 0.25 / 2 of the stored in the secondary capacitive storage 12. The delay value is chosen arbitrarily. With fixed values of charging 3 and ballast 4 inductances, the delay is selected within 2 ms. Since after 2 ms, relative to the start pulse of the thyristor 8, the primary capacitive storage 5 begins to re-charge from the AC voltage.

Дополнительно в цепь управляющего электрода тиристора 8 введены первый шунтирующий конденсатор 18 (440 нФ), дроссель насыщения 6, и второй шунтирующий конденсатор 7 (470 нФ), уменьшающий скорость изменения напряжения на тиристоре 8. Эти меры позволяют дополнительно обеспечить помехозащищенность устройства управления. Длина кабеля соединения устройства управления и тиратронов не превышает 1,5 м. Максимальная крутизна импульсов поджига около 18 кВ/мкс (фиг. 3), что намного превышает рекомендованную величину 5±0,5 кВ/мкс.Additionally, a first shunt capacitor 18 (440 nF), a saturation inductor 6, and a second shunt capacitor 7 (470 nF) are introduced into the thyristor 8 control electrode circuit, which reduces the rate of change of voltage across the thyristor 8. These measures can additionally provide noise immunity of the control device. The cable length of the connection between the control device and thyratrons does not exceed 1.5 m. The maximum steepness of the ignition pulses is about 18 kV / μs (Fig. 3), which far exceeds the recommended value of 5 ± 0.5 kV / μs.

Величины емкостного накопителя 12 и токоограничивающих резисторов 13 и 14, позволяют осуществить поджиг одновременно двух тиратронов серии ТДИ. Измеренный разброс амплитуд токов тиратронов ТДИ, включенных параллельно, без дополнительных цепей деления тока, не превышает 1%. Эффективность работы устройства управления составляет 85%. Максимально допустимая частота повторения поджигающих импульсов, около 150 имп/с.The values of the capacitive storage 12 and the current-limiting resistors 13 and 14 allow the ignition of two thyratrons of the TDI series at the same time. The measured spread of the amplitudes of the currents of thyratrons TDI connected in parallel, without additional current dividing circuits, does not exceed 1%. The efficiency of the control device is 85%. The maximum permissible repetition rate of firing pulses is about 150 imp / s.

Claims

1. The control device thyratron with a cold cathode containing a step-up pulse voltage transformer, a capacitive energy storage device, a pulsed hydrogen thyratron and a pulse generating unit for triggering it, characterized in that the unit for generating a pulse triggering hydrogen thyratron contains a thyristor included in the primary winding circuit of a boost pulse transformer voltage, a shunt capacitor connected to the thyristor control electrode, a saturation reactor and a second shunt capacitor, which minutes decreases the rate of change of voltage at the thyristor, wherein to the control electrode of the thyristor and to the net hydrogen thyratron connected clock generator.

2. The control device according to claim 1, characterized in that the capacitive storage device is connected to an alternating voltage network through a step-up pulse voltage transformer and a single-phase network rectifier.