RU90949U1 - Генератор импульсных напряжений - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в электрофизических установках с высоковольтными емкостными накопителями энергии.

В генератор импульсных напряжений, содержащий последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку между накопительным конденсатором и коммутатором включен тиристорный регулятор напряжения, содержащий N звеньев.

Введение тиристорного регулятора напряжения позволяет значительно уменьшить величины емкости и энергии, накопительного конденсатора, а также его массу и габариты при заданной величине пульсаций выходного напряжения на вершине импульса. Кроме того снижение энергоемкости накопительного конденсатора уменьшает негативные последствия аварийных режимов полного разряда накопительного конденсатора на нагрузку.

Description

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в электрофизических установках с высоковольтными емкостными накопителями энергии.

Известен генератор импульсных напряжений [1], содержащий ряд накопительных конденсаторов, тиристорных коммутаторов, токоограничивающих дросселей, вспомогательный генератор импульсов и активную нагрузку.

Недостатком известного устройства является сложность силовой схемы, увеличенные его масса и габариты.

В качестве прототипа выбран известный генератор импульсных напряжений [2], содержащий последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор и активную нагрузку.

Общим недостатком известных устройств является значительная энергоемкость накопительного конденсатора, его масса и габариты при формировании в активной нагрузке прямоугольных импульсов из-за постоянства сопротивления силового контура.

Предлагаемой полезной моделью решается задача снижения энергоемкости, массы и габаритов накопительных конденсаторов генераторов импульсных напряжений.

Технический результат от использования полезной модели состоит в постепенном уменьшении сопротивления силового контура генераторов импульсных напряжений и поддержании величины тока и напряжения в активной нагрузке в пределах заданной нестабильности.

Указанный технический результат достигается с помощью генератора импульсных напряжений, содержащего последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку и тиристорный регулятор напряжения, включенный между накопительным конденсатором и коммутатором, содержащий N звеньев, каждое из которых, кроме первого, содержит тиристор, к аноду которого присоединен шунтирующий резистор, причем катоды всех тнристоров объединены и присоединены к транзисторному высоковольтному коммутатору, а другие выводы шунтирующих резисторов объединены и подключены к положительной обкладке накопительного конденсатора, а первое звено содержит шунтирующий резистор, включенный между точкой соединения катодов тиристоров и положительной обкладкой накопительного конденсатора.

Введение тиристорного регулятора позволяет путем постепенного уменьшения вводимого последовательно с нагрузкой добавочного сопротивления поддерживать величину тока и напряжения нагрузки в пределах заданной нестабильности. Это дает возможность, по сравнению с прототипом, уменьшить энергоемкость, массу и габариты накопительного конденсатора при заданной нестабильности вершины импульсов выходного напряжения.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема генератора импульсных напряжений где: 1 - накопительный конденсатор, 2 - высоковольтный транзисторный коммутатор, 3 - активная нагрузка, 4 - тиристорный регулятор с числом звеньев N=6, 5, 6, 7, 8, 9 - тиристоры регулятора, 10, 11, 12, 13, 14, 15 - шунтирующие резисторы регулятора.

На фиг.2 приведены диаграммы работы генератора импульсных напряжений.

На диаграммах буквами обозначены: а - ток нагрузки 3; б - напряжение нагрузки 3; в - сигнал управления транзисторным коммутатором 2; г, д, е, ж, з - сигналы управления 5, 6, 7, 8, 9 тиристорами регулятора 4, соответственно.

Устройство содержит накопительный конденсатор 1, последовательно соединенный транзисторный коммутатор 2 и активную нагрузку 3. Между положительной обкладкой конденсатора 1 и транзисторным коммутатором 2 включен тиристорный регулятор 4, содержащий N звеньев, в каждом из которых кроме первого последовательно с тиристорами 5, 6, 7, 8, 9 включены шунтирующие резисторы 10, 11, 12, 13, 14. Катоды тиристоров 5, 6, 7, 8, 9 объединены и присоединены к транзисторному коммутатору 2, а другие выводы шунтирующих резисторов 10, 11, 12, 13, 14 объединены и подключены к положительной обкладке накопительного конденсатора. Первое звено регулятора 4 содержит шунтирующий резистор 15, включенный между точкой соединения катодов тиристоров 5, 6, 7, 8, 9 и положительной обкладкой накопительного конденсатора 1. Отпирание тиристоров 5, 6, 7, 8, 9 и управление коммутатором 2 производит система управления (на фиг.1 не показана).

Принцип работы предлагаемого устройства поясняется диаграммами, приведенными на фиг.2, и заключается в следующем.

На интервале формирования импульса напряжения в нагрузке в работе устройства можно выделить N интервалов непрерывности, соответствующих включенному состоянию транзисторного коммутатора 2 и тиристоров 5, 6, 7, 8, 9.

После зарядки накопительного конденсатора 1 от источника питания (на фиг.1 не показан) до заданного начального уровня напряжения U₀₁ система управления отпирает транзисторный коммутатор 2 и далее поочередно с заданной временной задержкой включает 5, 6, 7, 8, 9 тиристоры N-1 звеньев тиристорного регулятора 4. При этом накопительный конденсатор 1 разряжается на нагрузку 3 через параллельно включаемые тиристорами 5, 6, 7, 8, 9 шунтирующие резисторы звеньев регулятора 4, общее сопротивление которых по мере формирования импульса уменьшается. В результате, кривые тока и напряжения нагрузки изменяются между максимальными и минимальными значениями и имеют вид, представленный кривыми а, б на фиг.2.

На произвольном j-м интервале работы генератора, когда открыты тиристоры 1-го, 2-го, 3-го, … j-1-го звеньев регулятора 4, напряжение накопительного конденсатора 1 определяется из формулы

где U_0j, R_j - начальное напряжение конденсатора 1 и активное сопротивление силового контура на j-м интервале, соответственно; С - емкость накопительного конденсатора 1.

Максимальное значение напряжения нагрузки на j-м интервале равно

Минимальное значение напряжения нагрузки на этом интервале в соответствии с выражениями (1) и (2) будет

где τ_j - длительность j-го интервала.

Из выражения (1) с учетом (3) находим связь между значениями начальных напряжений накопительного конденсатора 1 на j и j+1-м интервалах работы регулятора 4

Из выражения (4) с учетом (2) находим соотношение между сопротивлениями силового контура на рассматриваемых интервалах

Для получения наименьших пульсаций тока и выходного напряжения генератора необходимо, чтобы минимальные и максимальные напряжения на нагрузке на интервалах работы регулятора 4 оставались неизменными, т.е.

При выполнении этих условий из выражения (5) следует система соотношений

где N - число звеньев регулятора 4; R_н - сопротивление нагрузки 3; U_н ^* - относительная величина минимального значения напряжения нагрузки, характеризующая величину пульсаций выходного напряжения на вершине импульса.

Из последнего выражения системы (7) определяем исходное значение сопротивления силовой цепи R₁ при выключенных ключах регулятора 4

Общие сопротивления регулятора при включенных тиристорах j и j+1 ступеней регулятора 4 определяются по формулам, соответственно

При переходе на j+1 ступень включают j+1-й шунтирующий резистор регулятора, сопротивление которого R_ш(j) находят из формулы

или

Решая совместно (7), (8) и (12), получаем выражение для расчета сопротивления j+1-го шунтирующего резистора регулятора 4

Из выражения (3) с учетом равенств (6), (7) определяем длительность j-го интервала

Задержка отпирания k-го тиристора 5 регулятора 4 относительно момента начала формирования выходного импульса определяется из формулы

где k=1…(N-1).

Длительность формируемого импульса равна

В известном генераторе импульсных напряжений, как следует из выражения (3), длительность формируемого импульса будет

где С₁ - величина емкости накопительного конденсатора известного устройства.

Из выражений (16) и (17) определяем соотношение между емкостями накопительных конденсаторов предлагаемого и известного генератора при формировании импульса с одинаковыми параметрами и при одном и том же сопротивлении нагрузки

Энергоемкость накопительного конденсатора предлагаемого генератора импульсных напряжений при учете выражений (2) и (8) будет равна

где - среднее значение напряжения нагрузки на интервале формируемого импульса.

Энергоемкость известного устройства с учетом (2) и (17) равна

Из выражений (19) и (20) находим соотношение энергоемкостей накопительных конденсаторов предлагаемого и известного устройства

Из формул (18) и (21) следует, что в предлагаемом устройстве, например, при значениях и N=10 требуемое значение емкости накопительного конденсатора равно С≈0,095C₁ при формировании импульса с одинаковыми параметрами (длительность, среднее значение, величина пульсаций выходного напряжения на вершине импульса) и одном и том же сопротивлении нагрузки. При этом энергоемкость накопительного конденсатора будет равна W_C≈0,115W_C1.

Из приведенного описания и выражений для расчета следует, что применение предлагаемого устройства позволяет значительно уменьшить величины емкости и энергии, накопительного конденсатора, уменьшить его массу и габариты при заданной величине пульсаций выходного напряжения на вершине импульса. Кроме того уменьшение энергоемкости накопительного конденсатора в предлагаемом устройстве позволяет уменьшить негативные последствия аварийных режимов, связанных с полным разрядом накопительного конденсатора на нагрузку при выходе из строя высоковольтного транзисторного ключа.

Источники информации:

1. А.с. 1003310 СССР, Н03К 3/53, Генератор высоковольтных импульсов / Кириенко В.П., Ваняев В.В. // Опубл. 07.03.83.

2. M.P.J.Gaudreau, J.A.Casey, T.P.Hawkey, J.M.Mulvaney, M.A.Kempkes, P.Ver Planck. Solid state modulator application in linear accelerators // Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999, p.1491-1493.

Claims (1)

1. Генератор импульсных напряжений, содержащий последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку, отличающийся тем, что между накопительным конденсатором и коммутатором включен тиристорный регулятор напряжения, содержащий N звеньев, каждое из которых, кроме первого, содержит тиристор, к аноду которого присоединен шунтирующий резистор, причем катоды всех тиристоров объединены и присоединены к транзисторному высоковольтному коммутатору, а другие выводы шунтирующих резисторов объединены и подключены к положительной обкладке накопительного конденсатора, а первое звено содержит шунтирующий резистор, включенный между точкой соединения катодов тиристоров и положительной обкладкой накопительного конденсатора.