WO2019216793A1 - Устройство высоковольтного питания электрофизических аппаратов - Google Patents

Устройство высоковольтного питания электрофизических аппаратов Download PDF

Info

Publication number
WO2019216793A1
WO2019216793A1 PCT/RU2019/050036 RU2019050036W WO2019216793A1 WO 2019216793 A1 WO2019216793 A1 WO 2019216793A1 RU 2019050036 W RU2019050036 W RU 2019050036W WO 2019216793 A1 WO2019216793 A1 WO 2019216793A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
electrophysical
capacitors
thyratron
parallel
Prior art date
Application number
PCT/RU2019/050036
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Александр Залманович ПОНИЗОВСКИЙ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Лучшие Технологии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Лучшие Технологии" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Предприятие "Лучшие Технологии"
Publication of WO2019216793A1 publication Critical patent/WO2019216793A1/ru

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H03K3/55—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a gas-filled tube having a control electrode

Definitions

  • the utility model relates to high voltage technology, namely, to devices for high-voltage power supply of electrophysical devices with high constant and frequency-pulse voltage.
  • the utility model can be used to generate low-temperature plasma in reaction chambers for plasma cleaning, disinfection of air and exhaust gases, plasma modification of the surface properties of various materials, ozone production, in power systems of optical quantum generators, electron and ion beam accelerators, in which high-power pulse generation is necessary short duration with a high repetition rate.
  • a device for powering devices for plasma cleaning of exhaust gases with high constant and frequency-pulse voltage [1].
  • the disadvantages of such a device is, firstly, the presence of two sources of constant voltage, one low voltage source to power the pulse forming device, and the second high voltage to supply the device with constant voltage.
  • the device requires an isolating capacitor at both ends at the full output operating voltage.
  • Free from these drawbacks is a device for the simultaneous supply of electrophysical apparatus with a high constant and frequency-pulse voltage of the submicrosecond range. It contains a high-voltage charging unit, supplying a direct voltage to the electrophysical apparatus and a pulse voltage generator connected in parallel to the electrophysical apparatus, consisting of an odd number of series-connected capacitors, two groups of charging inductors connected in parallel to the capacitors through one, a pulse transformer and a starting block, with a series connection high voltage charging unit and electrophysical apparatus is carried out through one of the groups of charging inductors, the pulse voltage generator additionally contains thyratrons connected in parallel to even capacitors, thyratron filament stabilization units with isolation power transformers and thyratron control units, while the filament stabilizer is connected thyratrons are carried out through isolation power transformers, and thyratron control units are connected to the start blocks through the secondary windings of pulse transformers. [2].
  • the generation of pulses in such a device occurs due to the inductive reversal of the polarity of even capacitors when thyratrons are triggered, and the imposition of pulses on a constant voltage - due to the direct connection of the electrophysical apparatus through a group of charging inductances to a constant voltage source.
  • the disadvantage of this device is the low energy efficiency due to the difference between the equivalent frequencies of the inductive reversal of the polarity of the capacitors and the equivalent frequency of the entire discharge circuit, including a pulse voltage generator and a load (electrophysical apparatus).
  • the utility model is aimed at solving the problem of increasing the energy efficiency of the device, which is its technical result.
  • the technical result is achieved by introducing an adjustable inductance into the discharge circuit of the thyratron, which makes it possible to adjust the equality of the equivalent frequency of the thyratron circuit - capacitor - inductance to the frequency of the discharge circuit from the total capacitance of a series of capacitors connected in series, their inductances and inductances and capacitance of the electrophysical apparatus.
  • FIG. 1 A schematic diagram of the proposed device is presented in figure 1. It contains a high-voltage charger 1, an n-cascade (n> 1) pulse voltage generator 14, and an electrophysical apparatus 3.
  • the first stage of the generator consists of 3x series-connected capacitors 4, subsequent stages of 2x-series capacitors 4.
  • Each stage, in addition to capacitors, consists of of two charging inductors 5 and 6, one end of which is connected to the charger and the other connected to the capacitors through one, and the coil 6 is connected to the capacitors through diode 7, dash the throne 8, connected in parallel to the middle in the first stage and the first in the remaining stages of the capacitor through an adjustable inductor 9.
  • the thyratron control means are made in the form of a pulse transformer 10, the primary winding of which is connected to the starting block 11 powered from the network, and the secondary windings are connected to the cathode and thyratron grid.
  • Power Supplies the thyratron is made in the form of a separation filament transformer 12, the primary winding of which is connected to the network, and the secondary winding is connected to the filament of the thyratron.
  • Cascades 2 of the generator 14 are connected in series, and the entire generator 14 and the electrophysical apparatus 3 are connected to the charger 1 in parallel.
  • Figure 2 presents the equivalent electrical circuit of the electrophysical apparatus, including the capacity of the apparatus (SZ) and non-linear resistance Yraz, simulating the discharge process.
  • the proposed device operates as follows.
  • a high voltage (Pzar) is applied to the electrophysical apparatus 3 and capacitors 4 are simultaneously charged, moreover, in the first stage, the even polarity of the charging capacitor is opposite to that of the odd capacitors and the charging polarity of the remaining cascades is pairwise opposite.
  • the supply of a start pulse from block 11 to the primary winding of the pulse transformer 10 common to all cascades leads to the simultaneous opening of all thyratrons 8.
  • An inductive reversal of the voltage polarity of the capacitors connected to the thyratrons takes place and addition of the voltages of the capacitors of all cascades.
  • a pulse is generated with an amplitude relative to the grounded point Un ⁇ (2n + 1) -11zar.
  • the equivalent frequency of the discharge circuit of the claimed device is determined by the expression f ⁇ 2l / 1LZ- (2p + 1) -C4-SZ / SZ + (2p + 1) -C4 (2), where L13 is the equivalent inductance of the discharge circuit and the electrophysical apparatus, SZ - equivalent capacitance of an electrophysical apparatus, C4 is the capacitance of capacitors 4. Since the maximum transfer of energy stored by the capacitors to the electrophysical apparatus occurs when the indicated effective frequencies coincide, the equality of conditions (1) and (2) can be achieved by tuning the adjustable inductor 9.
  • the most effective mode of operation of the device is the mode with the highest value of peak power in the electrophysical apparatus.
  • the values of Imax and Pmax, as can be seen from the table, are a function of the value of L9. Therefore, the criterion for regulating the inductance of the coil L9 should be taken as the condition that the peak power reaches its maximum value.
  • the electrophysical apparatus is affected by a constantly applied high voltage, on which the pulse component is superimposed (Fig. 2).
  • the presence of high DC voltage allows, firstly, the preionization of the active medium in the electrophysical apparatus, and secondly, if it is used as an apparatus for purifying exhaust gases, the conversion of impurities and air purification from the conversion products and fine aerosols in one volume are performed [3].
  • the optimal ratio between constant and pulse voltage is carried out by selecting the number of stages of the generator.

Landscapes

  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к технике высоких напряжений, а именно, к устройствам высоковольтного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением. Техническим результатом полезной модели является повышение энергетической эффективности устройства. Устройство содержит: высоковольтное зарядное устройство, генератор импульсного напряжения, n- каскадов которого, где n≥1, содержит три последовательно соединенных конденсатора в первом каскаде и два последовательно включенных конденсатора в остальных каскадах, две зарядные катушки индуктивности, подключенные параллельно конденсаторам через один, причем одна из катушек присоединена через диод, тиратрон, подключенный параллельно среднему конденсатору в первом каскаде и первому конденсатору в остальных каскадах, средства обеспечения питания и управления тиратроном, подключение электрофизического аппарата к высоковольтному зарядному устройству осуществляется через последовательное соединение зарядных катушек индуктивности, подключенных к диодам, генератор импульсного напряжения и электрофизический аппарат подключены параллельно, отличающееся тем, что в анодную цепь тиратрона включена регулируемая катушка индуктивности, критерием настройки которой является достижение максимального значения пиковой мощности в электрофизическом аппарате.

Description

Устройство высоковольтного питания электрофизических аппаратов
Полезная модель относится к технике высоких напряжений, а именно, к устройствам высоковольтного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением. Полезная модель может быть использована для генерации низкотемпературной плазмы в реакционных камерах плазменной очистки, дезинфекции воздуха и выбросных газов, плазменной модификации поверхностных свойств различных материалов, производства озона, в системах питания оптических квантовых генераторов, ускорителей электронных и ионных пучков, в которых необходима генерация мощных импульсов малой длительности с большой частотой следования.
Известно устройство для питания аппаратов плазменной очистки выбросных газов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением [1]. Недостатками такого устройства является, во-первых, наличие двух источников постоянного напряжения, одного низковольтного источника для питания устройства формирования импульсов, второго - высоковольтного для питания аппарата постоянным напряжением. Во-вторых, устройство требует изолированного с двух концов разделительного конденсатора на полное выходное рабочее напряжение.
Свободным от этих недостатков является устройство для одновременного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением субмикросекундного диапазона. Оно содержит высоковольтный зарядный блок, питающий постоянным напряжением электрофизический аппарат и подключенный параллельно электрофизическому аппарату генератор импульсного напряжения, состоящий из нечетного количества последовательно включенных конденсаторов, двух групп зарядных катушек индуктивностей, присоединенных параллельно конденсаторам через один, импульсного трансформатора и блока запуска, при этом последовательное соединение высоковольтного зарядного блока и электрофизического аппарата осуществляют через одну из групп зарядных катушек индуктивностей, генератор импульсного напряжения дополнительно содержит подключенные параллельно четным конденсаторам тиратроны, блоки стабилизации тока накала тиратронов с разделительными силовыми трансформаторами и блоки управления тиратронов, при этом подключение блоков стабилизации тока накала тиратронов осуществляют через разделительные силовые трансформаторы, а блоки управления тиратронов подключают к блокам запуска через вторичные обмотки импульсных трансформаторов. [2].
Генерация импульсов в таком устройстве происходит за счет индуктивного переворота полярности четных конденсаторов при срабатывании тиратронов, а наложение импульсов на постоянное напряжение - за счет непосредственного подключения электрофизического аппарата через группы зарядных индуктивностей к источнику постоянного напряжения.
Недостатком данного устройства является низкая энергетическая эффективность работы из-за различия эквивалентных частот индуктивного переворота полярности конденсаторов и эквивалентной частоты всего разрядного контура, включающего генератор импульсных напряжений и нагрузку (электрофизический аппарат).
Полезная модель направлена на решение задачи повышения энергетической эффективности устройства, что и является её техническим результатом.
Технический результат достигается за счет введения в разрядный контур тиратрона регулируемой индуктивности, позволяющей настроить равенство эквивалентной частоты цепи тиратрон - конденсатор - индуктивность частоте разрядной цепи из суммарной емкости цепочки последовательно включенных конденсаторов, их индуктивностей и индуктивности и емкости электрофизического аппарата.
Принципиальная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Она содержит высоковольтное зарядное устройство 1, n-каскадный (п>1) генератор импульсного напряжения 14 и электрофизический аппарат 3. Первый каскад генератора состоит из Зх последовательно включенных конденсаторов 4, последующие каскады - из 2х последовательно включенных конденсаторов 4. Каждый каскад помимо конденсаторов состоит из двух зарядных катушек индуктивностей 5 и 6, один конец которых подключен к зарядному устройству, а другой присоединен к конденсаторам через один, причем катушка 6 присоединяется к конденсаторам через диод 7, тиратрона 8, подключенного параллельно среднему в первом каскаде и первому в остальных каскадах конденсатору через регулируемую катушку индуктивности 9. Средства управления тиратроном выполнены в виде импульсного трансформатора 10, первичная обмотка которого подключена к питаемому от сети блоку запуска 11 , а вторичные обмотки подключены к катоду и сетке тиратронов. Средства обеспечения питания тиратрона выполнены в виде разделительного накального трансформатора 12, первичная обмотка которого подключена к сети, а вторичная обмотка подсоединена к накалу тиратрона. Каскады 2 генератора 14 включаются последовательно, а весь генератор 14 и электрофизической аппарат 3 подключаются к зарядному устройству 1 параллельно. На фиг.2 представлена эквивалентная электрическая схема электрофизического аппарата, включающая емкость аппарата (СЗ) и нелинейное сопротивление Яраз, имитирующее разрядный процесс.
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. При включении высоковольтного зарядного устройства 1 происходит подача высокого напряжения (Пзар) на электрофизический аппарат 3 и одновременно происходит зарядка конденсаторов 4, причем в первом каскаде полярность зарядки четного конденсатора противоположна полярности зарядки нечетных конденсаторов, а полярность зарядки конденсаторов остальных каскадов попарно противоположена. Подача импульса запуска от блока 11 на общую для всех каскадов первичную обмотку импульсного трансформатора 10 приводит к одновременному открытию всех тиратронов 8. Происходит индуктивный переворот полярности напряжения подключенных к тиратронам конденсаторов и сложение напряжений конденсаторов всех каскадов. В результате генерируется импульс с амплитудой относительно заземленной точки Un ~ (2п+1)-11зар. Импульс содержит постоянную составляющую, равную Цзар и переменную составляющую с амплитудой ~ 2п-Цзар. Так как переменная составляющая импульса имеет форму, близкую к синусоиде, то можно рассчитать ее эквивалентную частоту как fg= 2 L9C4 (1), где С4 - емкость конденсатора генератора импульсных напряжений, L9 - индуктивность регулируемой катушки индуктивности.
Работу однокаскадного устройства в режиме холостого хода иллюстрирует осциллограмма напряжения на выходе первого каскада генератора (фиг.З), на которой переменная составляющая с амплитудой ~2Цзар, накладывается на постоянное напряжение, равное Цзар. В результате амплитуда импульса относительно заземленной точки Un ~ З-Цзар.
Эквивалентная частота разрядной цепи заявляемого устройства определяется выражением f ~ 2л /1ЛЗ-(2п+1)-С4-СЗ/СЗ+(2п+1)-С4 (2), где L13 - эквивалентная индуктивность разрядной цепи и электрофизического аппарата, СЗ - эквивалентная емкость электрофизического аппарата, С4 - емкость конденсаторов 4. Поскольку максимальная передача накопленной конденсаторами энергии электрофизическому аппарату происходит при совпадении указанных эффективных частот, равенство условий (1) и (2) может быть обеспечено путем настройки регулируемой катушки индуктивности 9.
Пример:
Для подтверждения вышесказанного были получены осциллограммы напряжения (U), тока (I), а также мощности (P=UT) на электрофизическом аппарате при следующих параметрах устройства: генератор имеет один каскад, Цзар = 20 кВ, С4= 2200 пФ,
L9 = 0 4- 2,5 мкГн, 1ЛЗ=З.ЗмкГн, С3=550 пФ (фиг.4). В таблице 1 приведены зависимости 1мах и Рмах от значения L9.
Таблица 1
Figure imgf000006_0001
Очевидно, что наиболее эффективным режимом работы устройства является режим с наибольшим значением пиковой мощности в электрофизическом аппарате. Величины Imax и Ртах, как видно из таблицы, являются функцией значения L9. Следовательно, за критерий регулирования индуктивности катушки L9 должно быть принято условие достижения пиковой мощностью своего максимального значения.
На электрофизический аппарат воздействует постоянно приложенное высокое напряжение, на которое накладывается импульсная составляющая (рис.2). Наличие высокого постоянного напряжения позволяет осуществить, во-первых, предионизацию активной среды в электрофизическом аппарате, а во-вторых, в случае использования его в качестве аппарата для очистки выбросных газов, производить в одном объеме конверсию примесей и очистку воздуха от продуктов конверсии и мелкодисперсной аэрозоли [3]. Оптимальное соотношение между постоянным и импульсным напряжением осуществляется путем подбора количества каскадов генератора.
Источники: [1] G.JJ.Winands, Keping Yan, A.J.M. Pemen et.al. An Industrial Streamer Corona Plasma System for Gas Cleaning. IEEE Trans. on Plasma Science vol.34 #5 October 206 pp. 2426-2433. [2] Патент RU JVT°2453022 Кл. H02J3/00, H03K3/543 опубл. 10.06.2012.
[3] Патент РФ 2320422 от 02.08.2006

Claims

Формула
Устройство для одновременного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением, содержащее: высоковольтное зарядное устройство, генератор импульсного напряжения, каждый из h-каскадов которого, где п>1, содержит три последовательно соединенных конденсатора в первом каскаде и два последовательно включенных конденсатора в остальных каскадах, две зарядные катушки индуктивности, подключенные параллельно конденсаторам через один, причем одна из катушек присоединена через диод, тиратрон, подключенный параллельно среднему конденсатору в первом каскаде и первому конденсатору в остальных каскадах, средства обеспечения питания и управления тиратроном, подключение электрофизического аппарата к высоковольтному зарядному устройству осуществляется через последовательное соединение зарядных катушек индуктивности, подключенных к диодам, генератор импульсного напряжения и электрофизический аппарат подключены параллельно, отличающееся тем, что в анодную цепь тиратрона включена регулируемая катушка индуктивности, критерием настройки которой является достижение максимального значения пиковой мощности в электрофизическом аппарате.
PCT/RU2019/050036 2018-05-07 2019-03-28 Устройство высоковольтного питания электрофизических аппаратов WO2019216793A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018116852 2018-05-07
RU2018116852 2018-05-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019216793A1 true WO2019216793A1 (ru) 2019-11-14

Family

ID=68467053

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2019/050036 WO2019216793A1 (ru) 2018-05-07 2019-03-28 Устройство высоковольтного питания электрофизических аппаратов

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2019216793A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57135690A (en) * 1981-02-12 1982-08-21 Mitsubishi Electric Corp Impulse voltage generator
US4818892A (en) * 1986-09-26 1989-04-04 Hitachi, Ltd. Laser device with high-voltage pulse generator, high-voltage pulse generator and pulse generating method
RU2340082C1 (ru) * 2007-11-09 2008-11-27 Сергей Константинович Воробьев Ключевой каскодный умножитель напряжения постоянного тока высоковольтный ккунптвв
RU2453022C2 (ru) * 2010-06-17 2012-06-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют" (ФГУП "НПЦ газотурбостроения "Салют") Устройство для одновременного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением субмикросекундного диапазона (варианты)

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57135690A (en) * 1981-02-12 1982-08-21 Mitsubishi Electric Corp Impulse voltage generator
US4818892A (en) * 1986-09-26 1989-04-04 Hitachi, Ltd. Laser device with high-voltage pulse generator, high-voltage pulse generator and pulse generating method
RU2340082C1 (ru) * 2007-11-09 2008-11-27 Сергей Константинович Воробьев Ключевой каскодный умножитель напряжения постоянного тока высоковольтный ккунптвв
RU2453022C2 (ru) * 2010-06-17 2012-06-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр газотурбостроения "Салют" (ФГУП "НПЦ газотурбостроения "Салют") Устройство для одновременного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением субмикросекундного диапазона (варианты)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3732703B1 (en) Inductively coupled pulsed rf voltage multiplier
Zhang et al. A compact, high repetition-rate, nanosecond pulse generator based on magnetic pulse compression system
CN107040244B (zh) 基于frspt和反谐振网络的全固态高电压微秒脉冲发生器
CN106879155B (zh) 一种微秒脉冲等离子体射流一体机装置及其使用方法
CN102931867B (zh) 一种重复频率的脉冲倍压发生装置
WO2017219489A1 (zh) 一种适用于脉冲电源的串联式脉冲产生器
Liu et al. A repetitive high voltage pulse adder based on solid state switches
RU180174U1 (ru) Устройство высоковольтного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением
WO2019216793A1 (ru) Устройство высоковольтного питания электрофизических аппаратов
Tabrizi et al. A high-gain bipolar pulse power generator employed bidirectional switch for dielectric barrier discharge applications based on resonance charging technique
RU2584004C2 (ru) Способ электропитания разрядного несимметричного генератора озона
CN115208229A (zh) 一种电感储能脉冲发生器
Huiskamp et al. Ozone generation with a flexible solid-state Marx generator
Liu et al. An all solid-state pulsed power generator based on Marx generator
RU94965U1 (ru) Устройство электропитания газоразрядного озонатора
CN112054786A (zh) 一种纳秒高压脉冲电源、臭氧发生器和静电除尘器
Kołek et al. Resonant, high voltage power supply for non-thermal plasma reactors
CN112366976A (zh) 一种多级磁脉冲压缩电源
Tang et al. Circuit analysis and modeling of a soft-switching pulse power supply based on full-bridge inverter for DBD application
Balcerak et al. Topology of a high voltage pulse generator using parasitic parameters of autotransformers for non-thermal plasma generation
CN219458922U (zh) 适用介质阻挡放电的高功率因数双极性脉冲式供电电源
Tang et al. Analysis and experimental validation of an integrated current-source power supply with high power factor for DBD applications
Krupski et al. The push-pull plasma power supply-a combining technique for increased stability
Balcerak et al. High voltage pulse generator using transformer parasitic components for pulsed corona discharge generation
Abdel-Azim et al. A Voltage-Doubler/Marx-Generator-Based Multi-Module High-Voltage Pulse Generator with High-Frequency Charger for Electrostatic Precipitators

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19800201

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 16/03/2021)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19800201

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1