RU2810296C1 - Высоковольтный импульсный источник - Google Patents
Высоковольтный импульсный источник Download PDFInfo
- Publication number
- RU2810296C1 RU2810296C1 RU2023118791A RU2023118791A RU2810296C1 RU 2810296 C1 RU2810296 C1 RU 2810296C1 RU 2023118791 A RU2023118791 A RU 2023118791A RU 2023118791 A RU2023118791 A RU 2023118791A RU 2810296 C1 RU2810296 C1 RU 2810296C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pulse
- capacitive storage
- voltage
- pulse transformer
- housing
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 39
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 38
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005347 demagnetization Effects 0.000 description 2
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 2
- 206010014357 Electric shock Diseases 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000746 Structural steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области сильноточной импульсной техники, а именно к генераторам для формирования импульса, и может быть использовано для генерирования мощных высоковольтных импульсов микросекундной и наносекундной длительности. Высоковольтный импульсный источник содержит корпус, в котором размещены коммутирующий элемент, соединенные между собой импульсный трансформатор с магнитопроводом и емкостный накопитель, выполненный из параллельно соединенных между собой цилиндрических конденсаторов. В качестве коммутирующего элемента использован управляемый коммутатор, к аноду которого присоединен емкостный накопитель. Виток первичной обмотки импульсного трансформатора образован немагнитным проводящим цилиндром, размещенным в окне магнитопровода, и немагнитными проводящими шинами, расположенными вдоль корпуса. Один конец цилиндра соединен с выводами емкостного накопителя, а другой конец цилиндра соединен с катодом управляющего коммутатора и с немагнитными проводящими шинам. Вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена из двух параллельно соединенных спиралей, охватывающих магнитопровод, и присоединена одним концом к емкостному накопителю, а вторым концом подключена к выводу высоковольтного импульсного источника. Спирали вторичной обмотки, выполненные из немагнитного проводящего материала, изолированы жидким диэлектриком, наполняющим корпус. Виток вторичной обмотки импульсного трансформатора, находящийся под половинным потенциалом, гальванически соединен с магнитопроводом. В корпусе установлен дроссель, содержащий диэлектрический каркас, на который намотан по спирали проводник в изоляции. Дроссель подключен к точке соединения емкостного накопителя с первичной обмоткой импульсного трансформатора и к источнику тока. Преобразователь напряжения подключен к точке соединения анода управляющего коммутатора и емкостного накопителя, а также к катоду управляющего коммутатора. Катод управляющего коммутатора соединен с корпусом, который заземлен. Технический результат: создание надежного и безопасного в эксплуатации высоковольтного импульсного источника, обеспечивавшего повторяемость параметров от импульса к импульсу. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к области сильноточной импульсной техники, а именно к генераторам для формирования импульса и может быть использовано для генерирования мощных высоковольтных импульсов микросекундной и наносекундной длительности, необходимых для обеспечения эффективной работы импульсной высоковольтной техники, ускорительной техники, электроразрядных технологий (бурение, дробление минерального сырья, вакуумно-искровая обработка изделий из металлических материалов, очистка и др.), испытаний высоковольтной изоляции.
Известен генератор высоковольтных наносекундных импульсов для возбуждения диффузных газовых разрядов при атмосферном давлении (Е.Г. Крастелев, С.П. Масленников, Э.Я. Школьников. Приборы и техника эксперимента, 2009, №5, с. 98-101), работающий с частотой повторения до 1 кГц, содержащий три каскада компрессии импульсов, которые представляют собой три функциональных узла: импульсное зарядное устройство с напряжением равным сетевому напряжению, высоковольтное зарядное устройство на основе повышающего трансформатора и формирователь наносекундных импульсов. В качестве коммутатора емкостного накопителя выходного каскада использован водородный тиратрон. Однако, малая величина выходного напряжения - до 50 кВ и, сравнительно небольшая частота повторения импульсов, до 1 кГц, ограничивают область его использования.
Известен, принятый за прототип, высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий [RU 2402873 C1, МПК H03K 3/53 (2006.01), опубл. 27.10.2010)], содержащий размещенные в одном цилиндрическом корпусе и соединенные последовательно многоканальный искровой разрядник, емкостный накопитель и импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником и высоковольтным электродом. Каждый искровой промежуток многоканального искрового разрядника снабжен управляющим электродом, соединенным через резистор с заземленным электродом, который служит крышкой многоканального искрового разрядника, и через конденсатор и кабель - с анодом стартового разрядника. Емкостный накопитель выполнен из параллельно соединенных цилиндрических конденсаторов. Ферромагнитный сердечник и высоковольтный электрод импульсного трансформатора электрически соединены.
Генератор работает следующем образом: преобразователь напряжения постоянным током заряжает конденсатор через первичную обмотку зарядного трансформатора до требуемого напряжения. Затем от блока управления запускается коммутирующий тиристор и конденсатор разряжается на первичную обмотку зарядного трансформатора. Напряжение на вторичной обмотке зарядного трансформатора подается на зарядку емкостного накопителя и через индуктивность и резистор на анод стартового разрядника. Когда напряжение на емкостном накопителе достигает максимального значения, формируется импульс напряжения, который запускает стартовый разрядник. Это приводит к коммутации основного многоканального искрового разрядника и как следствие разряд емкостного накопителя на первичный виток импульсного трансформатора, при этом на вторичной обмотке индуцируется высокое напряжение. Для предотвращения перезаряда емкости коммутируемой тиристором, при последующих срабатываниях генератора используется схема рекуперации.
При эксплуатации данного высоковольтного импульсного генератора межвитковая изоляция вторичной обмотки импульсного трансформатора подвергается интенсивной деградации, так как вторичная обмотка выполнена из шести секторных обмоток, которые намотаны по спирали медной лентой с твердотельной межслоевой изоляцией. Такая конструкция вторичной обмотки имеет сниженный срок службы из-за возникновения высокой напряженности на краях медной ленты, как следствие частичных разрядов в межслоевой изоляции, что приводит к сокращению ресурса работы всего генератора.
Кроме того, использование в качестве коммутатора многоканального искрового разрядника вызывает необходимость использования дополнительных блоков и элементов, усложняющих схему генератора. Первичная обмотка высоковольтного импульсного трансформатора образована корпусом генератора из нержавеющей стали, а это значит, что корпус генератора токоведущий и представляет опасность поражения электрическим током во время эксплуатации и так же является источником помех.
Технический результат предложенного изобретения заключается в создании надежного и безопасного в эксплуатации высоковольтного импульсного источника, обеспечивавшего повторяемость параметров от импульса к импульсу, с увеличенным ресурсом работы, ремонтопригодной конструкции.
Для достижения указанного технического результата высоковольтный импульсный источник, как прототип, содержит корпус, в котором размещены коммутирующий элемент, соединенные между собой импульсный трансформатор с магнитопроводом и емкостной накопитель, выполненный из параллельно соединенных между собой цилиндрических конденсаторов.
В отличие от прототипа, в качестве коммутирующего элемента использован управляемый коммутатор, к аноду которого присоединен емкостный накопитель. Виток первичной обмотки импульсного трансформатора образован немагнитным проводящим цилиндром, размещенным в окне магнитопровода, и немагнитными проводящими шинами, расположенными вдоль корпуса. Один конец цилиндра соединен с выводами емкостного накопителя, а другой конец цилиндра соединен с катодом управляющего коммутатора и с немагнитными проводящими шинам. Вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена из двух параллельно соединенных спиралей, охватывающих магнитопровод, и присоединена одним концом к емкостному накопителю, а вторым концом подключена к выводу высоковольтного импульсного источника. Спирали вторичной обмотки, выполненные из немагнитного проводящего материала, имеют самонесущую конструкцию и изолированы жидким диэлектриком, наполняющим корпус. Виток вторичной обмотки импульсного трансформатора, находящийся под половинным потенциалом, гальванически соединен с магнитопроводом. В корпусе установлен дроссель, содержащий диэлектрический каркас, на который намотан по спирали проводник в изоляции. Дроссель подключен к точке соединения емкостного накопителя с первичной обмоткой импульсного трансформатора и к источнику тока. Преобразователь напряжения подключен к точке соединения анода управляющего коммутатора и емкостного накопителя, а также к катоду управляющего коммутатора. Блок запуска соединен с преобразователем напряжения и с управляющим электродом управляющего коммутатора, катод управляющего коммутатора соединен с корпусом, который заземлен.
Таким образом, конструкция с согласующим автотрансформатором и принудительным размагничиванием магнитопровода перед формированием импульса напряжения, увеличивает ресурс работы и обеспечивает оптимальные условия работы устройства.
Конструктивное исполнение первичной обмотки импульсного трансформатора исключает протекание силового тока через корпус высоковольтного импульсного источника. В отличие от прототипа корпус высоковольтного импульсного источника не является первичной обмоткой трансформатора и соответственно не проводит электрический ток, что делает конструкцию более безопасной в эксплуатации. Вторичная обмотка трансформатора уменьшает вероятность пробоя и не требует замены. Использование жидкой изоляции в отличие от твердотельной, как в прототипе, исключает деградацию изоляции обмоток импульсного трансформатора, что обеспечивает бесперебойную и безопасную работу высоковольтного импульсного источника. Использование управляемого коммутатора в качестве коммутатора емкостного накопителя, увеличивает ресурс работы, обеспечивает высокую повторяемость амплитуды выходного импульса, фронта импульса и задержки срабатывания, повышает надежность устройства. Нетоковедущий корпус снижает уровень помех, создаваемый высоковольтным импульсным источником, а также позволяет использовать обычную конструкционную сталь, например, типа Ст308ПС. Таким образом, вышеперечисленные изменения позволили создать надежный, безопасный в эксплуатации и ремонтопригодный высоковольтный импульсный источник.
На фиг. 1 приведен чертеж осевого сечения высоковольтного импульсного источника.
На фиг. 2 приведена электрическая схема подключения.
Высоковольтный импульсный источник содержит корпус 1, внутри которого расположен управляемый коммутатор 2 (УК), например, тиратрон ТД4-100К/75П, емкостной накопитель 3 и импульсный трансформатор 4 с магнитопроводом 5.
Виток первичной обмотки 6 импульсного трансформатора 4 образован немагнитным проводящим цилиндром 7, размещенным в окне магнитопровода 5, и немагнитными проводящими шинами 8, расположенными вдоль корпуса 1.
Емкостный накопитель 3 содержит параллельно соединенные цилиндрические конденсаторы, одни выводы которых присоединены к аноду тиратрона 2 (УК), а другие - к одному концу цилиндра 7. Другой конец цилиндра 7 соединен немагнитными проводящими шинами 8 с катодом тиратрона 2 (УК).
Вторичная обмотка 9 импульсного трансформатора 4 выполнена из двух параллельно соединенных спиралей, охватывающих магнитопровод 5, и присоединена одним концом к емкостному накопителю 3, а вторым - к выводу высоковольтного импульсного источника 10. Виток вторичной обмотки 9 импульсного трансформатора 4 находящийся под половинным потенциалом гальванически соединен с магнитопроводом 5 импульсного трансформатора 4. Спирали вторичной обмотки 9, выполненные из немагнитного проводящего материала, имеют самонесущую конструкцию и изолированы жидким диэлектриком, например, трансформаторным маслом, наполняющим корпус высоковольтного импульсного источника 1.
В корпусе 1 установлен дроссель 11, содержащий жесткий диэлектрический каркас, на который намотан по спирали проводник в изоляции. Дроссель 11 подключен одной клеммой к точке соединения емкостного накопителя 3 с витком первичной обмотки 6 импульсного трансформатора 4 (ИТ), а другой - к источнику тока 12 (ИТ).
Преобразователь напряжения 13 (ПН) подключен одной клеммой к точке соединения анода тиратрона 2 (УК) и емкостного накопителя 3 (ЕН), а другой клеммой к катоду тиратрона 2 (УК). Блок запуска 14 (БЗ) соединен с преобразователем напряжения 13 (ПН) и управляемы электродом тиратрона 2. Катод тиратрона 2 (УК) соединен с корпусом 1, который заземлен.
В качестве преобразователь напряжения 13 (ПН) может быть использован, например, источник напряжения 50 кВ с регулировкой амплитуды. В качестве блока запуска 14 (БЗ), может быть использован, например, источник импульсного напряжения 10 кВ с регулировкой амплитуды и каналом обратной связи для синхронизации с преобразователя напряжения (ПН). В качестве управляемого коммутатора (УК) может быть использован управляемый триод -тиратрон, тригатрон или другие.
При подключении питания к высоковольтному импульсному источнику, питание подают к преобразователю напряжения 13 (ПН), блоку запуска 14 (БЗ), источнику тока 12 (ИТ). При подаче питания к преобразователю напряжения 1 происходит зарядка емкостного накопителя 3 (ЕН) током, протекающим через первичный виток 6 импульсного трансформатора 4 (ИТ).
В процессе работы происходит постоянное размагничивание магнитопровода 5 постоянным током, протекающим от источника тока 12 (ИТ) через дроссель 11 и виток первичной обмотки 6 импульсного трансформатора 4 (ИТ). Ток размагничивания протекает в противоположную сторону тока разряда емкостного накопителя 3 (ЕН). После завершения зарядки до установленного напряжения в блоке запуска 14 (БЗ) формируется высоковольтный пусковой импульс, запускающий управляемый коммутатор 2 (УК). Через управляемый коммутатор тиратрон 2 (УК) емкостный накопитель 3 (ЕН) разряжается через первичную обмотку 6, охватывающую магнитопровод 5 импульсного трансформатора 4 (ИТ). В результате на вторичной обмотке 9, охватывающей магнитопровод 5 импульсного трансформатора 4, индуцируется напряжение, которое складывается с напряжением на витке первичной обмотки 6 импульсного трансформатора 4 (ИТ). Таким образом формируется импульс напряжения на выводе 10 высоковольтного импульсного источника. За счет гальванической связи вторичной обмотки 9 и магнитопровода 5 импульсного трансформатора 4 (ИТ), магнитопровод 5 импульсного трансформатора 4 (ИТ) находится под потенциалом равным половине амплитуды выходного импульса напряжения. Это снижает максимальную разность потенциалов между магнитопроводом 5 и остальными элементами высоковольтного импульсного источника, и, следовательно, снижает нагрузку на изолирующие промежутки между элементами высоковольтного импульсного источника.
Claims (4)
1. Высоковольтный импульсный источник, содержащий корпус, в котором размещены коммутирующий элемент, соединенные между собой импульсный трансформатор с магнитопроводом и емкостной накопитель, выполненный из параллельно соединенных между собой цилиндрических конденсаторов, отличающийся тем, что в качестве коммутирующего элемента использован управляемый коммутатор, к аноду которого присоединен емкостный накопитель, виток первичной обмотки импульсного трансформатора образован немагнитным проводящим цилиндром, размещенным в окне магнитопровода, и немагнитными проводящими шинами, расположенными вдоль корпуса, при этом один конец цилиндра соединен с выводами емкостного накопителя, а другой конец цилиндра соединен с катодом управляющего коммутатора и с немагнитными проводящими шинами, вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена из двух параллельно соединенных спиралей, охватывающих магнитопровод, и присоединена одним концом к емкостному накопителю, а вторым концом подключена к выводу высоковольтного импульсного источника, причем спирали вторичной обмотки, выполненные из немагнитного проводящего материала, имеют самонесущую конструкцию и изолированы жидким диэлектриком, наполняющим корпус, виток вторичной обмотки импульсного трансформатора, находящийся под половинным потенциалом, гальванически соединен с магнитопроводом, в корпусе установлен дроссель, содержащий диэлектрический каркас, на который намотан по спирали проводник в изоляции, дроссель подключен к точке соединения емкостного накопителя с первичной обмоткой импульсного трансформатора и к источнику тока, преобразователь напряжения подключен к точке соединения анода управляющего коммутатора и емкостного накопителя, а также к катоду управляющего коммутатора, блок запуска соединен с преобразователем напряжения и с управляющим электродом управляющего коммутатора, катод управляющего коммутатора соединен с корпусом, который заземлен.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве жидкого диэлектрика использовано трансформаторное масло.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве управляющего коммутатора использован управляемый триод.
4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что в качестве триода использован тиратрон или тригатрон.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2810296C1 true RU2810296C1 (ru) | 2023-12-26 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3914617A (en) * | 1972-11-28 | 1975-10-21 | Thomson Csf | Very high voltage power supply generating a recurrent stepped voltage |
RU2034657C1 (ru) * | 1992-05-25 | 1995-05-10 | Институт теоретической и экспериментальной физики | Электроимпульсное дробильное устройство |
RU2340081C1 (ru) * | 2007-04-25 | 2008-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет Научно-исследовательский институт высоких напряжений | Погружной электроразрядный генератор |
RU2402873C1 (ru) * | 2009-06-29 | 2010-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3914617A (en) * | 1972-11-28 | 1975-10-21 | Thomson Csf | Very high voltage power supply generating a recurrent stepped voltage |
RU2034657C1 (ru) * | 1992-05-25 | 1995-05-10 | Институт теоретической и экспериментальной физики | Электроимпульсное дробильное устройство |
RU2340081C1 (ru) * | 2007-04-25 | 2008-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет Научно-исследовательский институт высоких напряжений | Погружной электроразрядный генератор |
RU2402873C1 (ru) * | 2009-06-29 | 2010-10-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101667819B (zh) | 用于触发系统的双电源脉冲发生器 | |
US4385261A (en) | Method and apparatus for the execution of gas discharge reactions | |
RU2402873C1 (ru) | Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий | |
RU2810296C1 (ru) | Высоковольтный импульсный источник | |
US4612477A (en) | Triggering device for a vacuum arc in a plasma centrifuge | |
Bushlyakov et al. | A megavolt nanosecond generator with a semiconductor opening switch | |
Kanaeva et al. | A high-voltage pulse generator for electric-discharge technologies | |
Chernyshev et al. | Electroexplosive foil 500 kV current opening switch characteristics research | |
US6608405B1 (en) | Method of obtaining the adjustable capacitor | |
US3735195A (en) | Spark-discharge apparatus for electrohydraulic crushing | |
RU184724U1 (ru) | Низкоиндуктивная конденсаторно-коммутаторная сборка | |
Kolyada et al. | The use of a magnetic switch for commutation of high-current pulse circuits | |
RU201615U9 (ru) | Устройство для питания газоразрядной лампы | |
Boyko et al. | Generators of high-voltage pulses with a repetition rate of 50000 pulses per second | |
Rim et al. | Repetitive nanosecond all-solid-state pulse generator using magnetic switch and SOS diodes | |
RU2736419C1 (ru) | Обостритель импульса ускорителя электронов | |
Krastelev et al. | A high-power generator of nanosecond pulses with an amplitude of up to 500 kV and a repetition rate of up to 50 Hz | |
Saiki | High-voltage Pulse Generation Using Electrostatic Induction in Capacitor | |
RU2766434C1 (ru) | Способ формирования импульса тока в индуктивной нагрузке | |
RU2126763C1 (ru) | Устройство для деформации конструкции и окружающей ее среды | |
RU2544845C2 (ru) | Сильноточный наносекундный ускоритель электронных пучков | |
Saiki | High-voltage Pulse Generation Based on Relaxed Self-Excited Oscillation Using Electrostatic Induction in External Capacitors | |
RU2019906C1 (ru) | Установка для электроимпульсного разрушения материала | |
SU1033772A1 (ru) | Устройство дл испытани взрывозащищенного электрооборудовани в режиме дугового короткого замыкани | |
SU409658A1 (ru) | Импульсный ускоритель электронов |