Генератор импульсов тока

(50 4 Н 03 К 3/53 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 1(71) Тольяттинский политехнический институт(56) Авторское свидетельство СССР Ф 997236, кл. Н 03 К 3/53, 1983.Авторское свидетельство СССР У 919569, кл, Н 03 К 3/02, 1980. (54) ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА (57) Изобретение относится к импульсной технике и может бьггь использовано для питания потребителей импульсной электрической мощности, Цель изобретения - расширение области применения, повышение коммутационной устойчивости, частоты следования импульсов. Устройство содержит мостовую схему, в противоположные плечикоторой включены катушка 11 индуктивности и накопительный конденсатор 5,в другие противоположные плечи включены коммутаторы, Использование в качестве коммутаторов мостовых тиристор.ных коммутаторов, в диагонали которых включены соответственно коммутирующие конденсаторы 3,4, и подсоединение источника питания через эа"рядную цепь параллельно одному изэлементов мостовой схемы позволяетизменять форму импульсов тока, длительность фронтов импульсов, увеличить время, предоставляемое для выключения тиристорам коммутатора.3 з.п.ф-лы, 10 ил .1525872 Составитель И.БеляковаРедактор В. Ковтун ТехредМ.Ходанич Коррект Гирня Заказ 7241/53 Тираж 884 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 ГКНТ СССР Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10Изобретение относится к импульснойтехнике и может быть использованодля питания потребителей импульснойэлектрической мощности,5Цель изобретения - расширение области применения, повышение коммутационной устойчивости, частоты следования импульсов.На фиг.1 изображена принципиальная 1 Осхема генератора импульсов тока приподключении источника питания параллельно накопительному конденсатору;на фиг,2 - варианты выполнения порогового ключевого элемента; на фиг.3 - 15графики тока нагрузки и напряжений наотдельных элементах генератора импульсов тока по фиг1 при Формировании треугольных импульсов тока; на.Фиг.4 - графики тока нагрузки и напряжений на. элементах генератора прирегулировании длительности Фронта импульса тока; на фиг.5 - то же, прирегулировании длительности спадаимпульса тока; на фиг.б - то же, . 25при формировании квазипрямоугольныхимпульсов тока; на фиг.7 - принципиальная схема генератора при подключении источника питания параллельно одному из тиристорных коммутаторов; на Фиг.8 - графики тока нагрузки и напряжения на элементах генератора в схеме по фиг.7; на фиг.9 -принципиальная схема генератора приподключении источника питания параллельно одному из пороговых ключевых35элементов; на фиг.1 о - графики токанагрузки и напряжения на элементахгенератора в схеме по фиг,9.Генератор импульсов тока содержит 40источник 1 питания постоянного тока,зарядную цепь 2, первый 3, второй4 коммутирующие конден 1 аторй, накопительный конденсатор 5, первыймостовой тиристорный коммутатор из 45первого 6, второго 7, третьего 8 ичетвертого 9 тиристоров с первымконденсатором 3 в диагонали, первыйключевой пороговшй элемент, напримерна тиристоре 1 О, в первое плечо мос"товой схемы рключена катушка 11 индуктивности, а во второе плечо, противоположное первому, включен конденсатор 5, второй мостовой тиристорный коммутатор из пятого 12,55шестого 13, седьмого 14, восьмого 15тиристоров со вторым конденсатором4 в диагонали, второй ключевой пороговый элемент, например на тиристоре 16,причем первый коммутатор включен в третье плечо мостовой схемы, второй коммутатор включен в четвертое плечо мостовой схемы, Тиристор 10 включен в первую диагональ мостовой схемы, а тиристор 16 включен во вторую ее диагональ, Источник 1 питания через зарядную цепь 2 подключен параллельно второму плечу мостовой схемы с конденсатором 5. Управляющие электроды всех тиристоров присоединены к блоку 17 управления.Пороговые ключевые элементы могут быть выполнены различным образом. На Фиг,2 представлены варианты выполнения ключевых пороговых элементовОнн могут быть выполнены в виде диода 18, обеспечивающего минимальный порог срабатывания, а также в виде динистора 19, у которого порог срабатывания может быть вьппе; порог срабатывания в этих вариантах нерегулируем. С регулируемым порогом срабатывания ключевые пороговые элементы могут быть выполнены в виде последовательно соединенных диода 20 и дросселя 21 насьпцения, порог срабатывания в этом случае определяется временем перемагничивания сердечника, которое зависит от количества витков его обмотки, Изменением количества витков его обмотки, например, с помощью скользящего контакта можно регулировать порог срабатывания. Ключевые пороговые элементы могут быть выполнены в виде последовательно соединенных диода 22 и первичной обмотки 23 дросселя 24 насьпцения, вторичная обмотка 25 которого присоединена к блоку 17 управления. Регулируемость порога срабатывания обеспечивается изйенением величины тока 1 подмагничивания. Ключевые пороговые элементы могут быть выполнены в виде тиристора 26, управляющие электроды которого присоединены к блоку 17 управления. Регулирование порога срабатывания производится за счет изменения тока 1 управления от нуля до тока спрямления или сдвигом импульсов управления по времени. На фиг, 3, 4, 5, 6, 8, 10 кривая 27 - график напряжения на конденсаторе 5; кривая 28 - график тока через катушку 11, кривая 291525872 6крываются тиристоры 6,8, 13 и 14, В остальном схема работает аналогично,В исходном состоянии конденсаторы 3, 4 и 5 заряжены до требуемого уровня напряжения с полярностью, показанной на фиг. 1. В момент времени Ср (фиг.3) включаются тиристоры 7, 10 9, 12 и 15. Конденсатор 5 разряжается по цепи: конденсатор 5 - тиристор 7 - конденсатор 3 - тиристор 9 катушка 11 - конденсатор 4 - тиристор 12 - конденсатор 5, Допустим, 15 через управляющие электроды тиристоров 10 и 16 протекают токи, равные или превышающие их ток спрямленияВ этом случае тиристор, как и диод, включается при минимальном прямом напряже нии, В момент С к тиристорам 10.и 16 прилокено обратное напряжение и они заперты, 11 ри этом ток в катушке 11 увеличивается, а напряжение на конденсаторах 3 и 4 умень шается и они перезаряжаются током катушки 11, При одинаковых емкостях конденсаторов 3 и 4, меньших емкости конденсатора 5, напряжения на конденсаторах 3 и 4 изменяются оди наково и в момент С, они перезаряжены до напряжения, равного напряжению на конденсаторе 5, К тиристорам 10 и 16 прикладывается положительное напряжение и практически в этот ке момент с они включаются, так как пороговое напряжение у них минимально, При этом тиристоры 7, 9, 12 и 15 обесточиваются и выключаются, а ток катушки 11 замыкается по кон туру: катушка 11 - тиристор 1 О - конденсатор 5 - тиристор 16 - катушка 11. Энергия, запасенная в магнитном поле катушки 11, рекуперирует в конденсатор 5. В момент С вся энергия из катушки 11 рекуперировала в конденсатор 5 и ток в ней прекращается. Ток через тиристоры 10 и 16 такке прекращается и они запираются. Конденсаторы 3 и 4 остаются переэаряженными до момента С-начала формирования следующего импульса тока, а конденсатор 5 заряжается от источника 1 питания через зарядную цепь 2. В моментнапряжение на конденсаторе 5 достигает первоначальной величины и схема возвращается в исходное состояние, Для формирования следующего импульса в нагрузке отграфик напряжения на конденсаторе 3; кривая 30 - на конденсаторе 4,Генератор импульсов тока (фиг.1) работает следующим образом. Регулирование длительности фронта импульса тока может быть обеспечено неодновременностью включения тиристорных мостов, при этом генератор импульсов тока работает следующим образом. В момент й, (фиг,4) блоком 17 управления включаются тиристоры 7 и 9. При этом к тиристору 10 прикладывается прямое напряжение, большее его порогового напряжения, и он включается. Конденсатор 3 раэрякается по цепи: 3 - 9 - 11 - 10 -7 - 3. Напряжение на нем уменьшается,а ток через катушку 11 увеличивается, В это время конденсатор 5 заряжается от источника 1 питания череззарядную цепь.2. В момент с, включаются тиристоры 12 и 15, При этомк тиристору 10 прикладывается обратное напрякение и он запирается, аконденсатор 5 разряжается по цепи:конденсатор 5 - тиристор 7 - конденсатор 3 - тиристор 9 - катушка 11тиристор 15 - конденсатор 4 - тиристор 12 - конденсатор 5 током катушки 11. Напряжение на конденсаторе5 уменьшается, а конденсаторы 3 и 4перезарякаются током катушки 11.Когда напряжение на конденсаторе 3достигает напряжения на конденсаторе 5, к тиристору 16 прикладываетсяположительное напряжение и при превышении его порога срабатывания вмомент с он включается. Тиристоры7 и 9 обесточиваются и выключаютсяПоскольку из-за разряда на интервале 1 й, напряжение на конденсаторе 3 раньше достигнет напряжения конденсатора 5, чем напряжениена конденсаторе 4, то тиристор 10 вэтот момент остается запертьи, аток катушки 11 замыкается по цепи:катушка 11 - тиристор 15 - конденсатор 4 - тиристор 12 - тиристор16 - катушка 11, и перезаряжает конденсатор 4 до напряжения на конденсаторе 5 в момент . Конденсатор 5на интервале сс подзаряжается от источника 1 питания через зарядную цепь 2. В момент йз к тиристору 10 прикладывается положительноенапряжение и при превышении его порога срабатывания он включается.При этом тиристоры 15 и 12 обесточиваются и выключаются, а ток катушки11 замыкается по цепи: катушка 11тиристор 10 - конденсатор 5 - тиристор 16 - катушка 11, уменьшаясь по величине за счет рекуперации энергии магнитного поля катушки 11 в конденсатор 5. Конденсатор 3 остается перезаряженным до моментаначала формирования следующего импульса тока в нагрузке, конденсатор 4 - до момента , определяемого блоком 17 управления, а конденсатор 5 заряжается от источника 1 питания через зарядную цепь 2 до момента С, В момент С- схема возвращается в исходное состояние, Для формирования следующего импульса в нагрузке открываются в момент тиристоры 6 и 8, а в моменттиристоры 13 и 14. Далее схема работает аналогично. Изменяя длительность интервала СС с помощью блока 17 управления можно регулировать длительность фронта импульса тока.1 О1520 35 Регулирование спада импульсовтока в нагрузке и их амплитуды может быть обеспечено изменением порогового напряжения срабатываниятиристоров 10 и 16 эа счет, например, регулирования их тока управления от нуля до тока спрямления,при этом генератор импульсов токаработает следующим образом, В момент й 0 (фиг.5) блоком 17 управления включаются тиристоры 7, 9, 12и 15. Конденсатор 5 разряжается поцепи; конденсатор з . тиристор 7/конденсатор 3 - тиристор 9 - катушка 11 - тиристор 15 - конденсатор 4 - тиристор 12 - конденсатор 405. Ток в катушке 11 увеличивается,а напряжение на конденсаторах 3,4 и 5 уменьшается, В моментконденсаторы 3 и 4 перезаряжаютсядо напряжения на конденсаторе 5 и к 45тиристорам 10 и 16 начинает прикла-,дываться положительное напряжение,Однако тиристоры 10 и 16 не включаются,так как этоф напряжение меньше ихпорогового напряжения 13 срабатывания.11 оэтому происходит дальнейший процессразряда конденсатора 5 и перезарядаконденсаторов 3 и 4. Ток в катушке 11уменьшается за счет рекуперации ееэнергии в конденсаторы 3 и 4. В момент Т, когда к тиристорам 10 и 16приложится напряжение Б, они включаются. При этом тиристоры 7, 9,12 и 15 обесточиваются н выключаются,а ток катушки 11 замыкается по цепи;катушка 11 - тиристор 10 - конденсатор 5 - тиристор 16 - катушка 11.Энергия магнитного поля катушки 11рекуперирует в конденсатор 5 и токв ней уменьшается, В момент з рекуперация оканчивается, тиристоры 10и 1 Ь обесточиваются и выключаются,а конденсатор 5 заряжается от источ-ника 1 питания через зарядную цепь 2.Чем выше пороговое напряжение Уясрабатывания тиристоров 10 и 16,тембольшая часть энергии рекуперирует вконденсаторы 3 и 4 к моменту Сз. Приэтом интервал ССз рекуперацииэнергии в конденсатор 5 уменьшается,что ведет к уменьшению длительностиспада импульса тока,В моментнапряжение на конденсаторах 3 и 4 превышает напряжениена них в момент , и в моментначала формирования следующего импульса тока к катушке 11 при включении тиристоров 6, 8, 13 и 14 прикладывается более высокое напряжениечем в момент Г.0, Это приводит кувеличению амплитуды импульсов тока,Таким образом, увеличение напряжения,Б срабатывания тиристоров 10 и16 увеличивает амплитуду импульсовтока.В случае формирования трапецеидальных импульсов тока генератор работает следующим образом.В момент Т (фиг,6) блоком 17 управления включаются тиристоры 7, 9,12 и 15; Конденсатор 5 разряжается поцепи: конденсатор 5 - тиристор 7 -конденсатор 3 - тиристор 9 - катушка 11 - тиристор 15 - конденсатор 4тиристдр 12 - конденсатор 5, Ток вкатушке 11 увеличивается, а напряжение на конденсаторах 3 и 4 уменьшается. В момент С конденсаторы3 и 4 перезаряжаются до напряженияна конденсаторе 5. К тиристорам 10и 16 начинает прикладываться прямоенапряжеиие и практически в этот жемомент т, они включаются, так какпороговое напряжение Уд у них мини"мально. При этом тиристоры 12 и 15обесточиваются и выключаются. В этотже момент с, блоком 17 управлениявключается тиристор 8. Тиристор 9выключается обратньи напряжением перезарядившегося конденсатора 3, аток катушки 11 замыкается поцепи:катушка 11 - тиристор 10 - тирис9 15 тор 7 - тиристор 8 - катушка 11, и затухает в этой цепи с постоянной времени, определяемой индуктивностью катушки 11 и суммарного активного сопротивления этой цепи до моментауменьшаясь по величине.В моментблоком 17 управления включается тиристор 6. Тиристор 7 выключается обратным напряжением конденсатора 3, а ток катушки 11 замыкается по цепи: катушка 11 - тиристор 10 - тиристор 6 - конденсатор 3 гиристор 8 - катушка 11, Конденсатор 3 перезаряжается током катушки 11 до момента С, когда напряжение на нем достигнет напряжения на конденсаторе 5, который на интервалезаряжается от источника 1 питания через зарядную цепь 2. В моментк тиристору 16 прикладывается положительное напряжение и он включается, 11 ри этом тиристоры 6 и 8 обесточиваются и выключаются, а ток катушки 11 замыкается по цепи; катушка 11 - тиристор 10 - конденсатор 5 - тиристор 16 - катушка 11. Энергия магнитного поля катушки 11 рекуперирует в конденсатор 5 и ток в ней уменьшается. В момент - рекулерация оканчивается и тиристоры 10 и 16 выключаются, а конденсатор 5 заряжается от источника 1 питания через зарядную цепь 2.При формировании следующего импульса включаются тиристоры 7, 9, 13 и 14. Для формирования плоской части импульса снова включается тиристор 8, а формирование спада импульса производится при включении тиристора 6.Для уменьшения длительности спада импульса тока можно увеличить пороговое напряжение Б до величины, большей начального напряжения на конденсаторе 5, При этом в момент сэ тиристор 16 не включается, вся энергия катушки 11 будет рекуперирована в конденсатор 3. Пос.кольку его емкость меньше емкости конденсатора 5, тодлительность рекуперации энергии уменьшится, что уменьшит длительность среза импульса. Кривые тока и напряжений для уменьшенной длительности среза импульса тока показаны на фиг.6 пунктиром. Таким образ ом, изменяя мом енти величину порогового напряжения 11 птиристора 16, можно регулировать дли 25872 10 жение Б у него минимальное. При этомтиристоры 7 и 9 обесточиваются и выключаются. Ток катушки 11 замыкаетсяпо цепи: катушка 11 - тиристор 16 -тиристор 12 - конденсатор 4 - тиристор 15 - катушка 11, обеспечиваядальнейший перезаряд конденсатора 4.Входной ток источника 1 питания замыкается по цепи: источник 1 - заряднаяцепь 2 - тиристор 16 - конденсатор 5 -источник 1, подзаряжая конденсатор5. В момент е напряжение на конден 50 55 5 10 15 20 25 30 35 40 45 тельность импульса тока и время его среза.Источник 1 питания может быть подключен через зарядную цепь 2 параллельно и другим элементам мостовой схемы, например, параллельно первому тиристорному мосту из тиристоров 6, 7, 8, 9, как показано на фиг.7, при этом генератор импульсов тока (фиг.7) работает следующим образом.В исходном состоянии конденсаторы 3, 4, 5 заряжены до требуемого уровня напряжения с полярностью, показанной на фиг,7. Допустим, что емкости конденсаторов 3 и 4 одинаковы и меньше емкости конденсатора 5, а через управляющие электроды тиристоров 10 и 16 протекают токи не меньше их токов спрямления. Напряжение на конденсаторе 4 несколько больше напряжения на конденсаторе 3,В момент(фиг,8) блоком 17 управления включаются тиристоры 7, 9, 12 и 15. Конденсатор 5 разряжается по цепи: конденсатор 5 - тиристор 12 - конденсатор 4 - тиристор 15 - катушка 11 - тиристор 9 - конденсатор 3 - тиристор 7 - конденсатор 5. Ток в катушке 11 увеличивается, а напряжение на конденсаторах 3 и 4 уменьшается. Причем на конденсаторе 3 напряжение уменьшается быстрее и он быстрее перезаряжается, так как его перезаряд производится суммарным током катушки 11 и входного тока от источника 1 питания, который в моментзамыкается по цепи: источник 1 зарядная цепь 2 - тиристор 9 - конденсатор 3 - тиристор 7 - источник 1. В момент С конденсатор 3 перезаряжается до напряжения на конденсаторе 5. К тиристору 10 в прямом направлении начинает прикладываться напряжение и практически в этот же момент С он включается, так как пороговое напрясаторе 4 достигает величины напряже ния конденсатора 5. К тиристору 10начинает прикладываться напряжение нпрямом направлении и практически вэтот же момент С он включается, так5как пороговое напряжение Б у негоминимально, При этом ток катушки 11замыкается по цепи: источник 11 - тиристор 16 - конденсатор 5 - тиристор 10 - катушка 11; а тиристоры 12и 15 обесточиваются и выключаются.Энергия магнитного поля катушки 11рекуперирует в конденсатор 5 и токв ней уменьшается, В момент Сз рекуперация оканчивается, тиристор 16 обесточивается и выключается, а конденсатор 5 заряжается от источника 1 питания через зарядную цепь 2 и тиристор 16. В момент Т схема возвращается в исходное состояние и для формирования следующего импульса включаются тиристоры 6, 8, 13 и 14, Тиристор",16 при этом выключается, Далее схемаработает аналогично, 25Источник 1 питания может быть под-,ключен через зарядную цепь 2 параллельно элементам мостовой схемы, расположенных и в ее диагоналях, например, параллельно тиристору 16, какпоказано на фиг.9,Генератор импульсов тока по фиг,9 работает следующим образом.В исходном состоянии конденсаторы 3, 4, 5 заряжены до требуемого уров ня напряжения с полярностью, показанной на фиг,9, Конде.-оратор 5 заряжается от источника 1 питания через зарядную цепь 2, катушку 11 и тиристор 10, Поэтому в исходном состоянии че рез катушку 11 протекает ток, равный по величине входному току 1.(В момент(фиг,10) блоком 17 уп-. равления включаются тиристоры 7, 9,45 12 и 15.Тиристор 10 при этом запирается. Конденсатор э разряжается по цепи: конденсатор 5 - тиристор 7 - конденсатор 3 - тиристор 9 - катушка 11 - тиристор 15 - конденсатор 4 - 50 тиристор 12 - конденсатор 5. Ток в катушке 11 увеличивается, а напряжение на конденсаторах 3 и 4 уменьшается. Причем на конденсаторе 3 напряжение уменьшается медленнее, так как его 55 перезаряд производится разностью токов катушки 11 и входного тока 1 д от источника 1 питания, который в момент С, замыкается по цепи: источ 1525872 12ник 1 - зарядная цепь 2 - тиристор 9конденсатор 3 - тиристор 7 - конденсатор 5 - источник 1. В моментконденсатор 4 перезаряжается до напряжения на конденсаторе 5, К тиристору10 в прямом направлении начинаетприкладываться напряжение и практически в этот момент С он включается, так как пороговое напряжение Япу него минимально, При этом тириЕторы 12 и 15 обесточиваются и выключаются.Ток катушки 11 замыкается поцепи: катушка 11 - тиристор 10 - тиристор 7 - конденсатор 3 - тиристор 9 - катушка 11, обеспечивая дальнейший перезаряд конденсатора 3.Входной ток источника 1 питания замыкается по цепи: источник 1 - зарядная цепь 2 - катушка 11 - тиристор 10 - конденсатор 5 - источник 1,подзаряжая конденсатор 5. В моментнапряжение на конденсаторе 4 дос 2тигает величины напряжения конденсатора 5. К тиристору 16 начинает прикладываться напряжение в прямом направлении и практически в этот же моментон включается, так как пороговое напряжение Б у него минимально. При этом ток катушки 1) замыкается по цепи: катушка 11 - тиристор10 - конденсатор 5 - тиристор 16 -катушка 11, а тиристоры 7 и 9 обесточиваются и выключаются. Энергиямагнитного поля катушки 11 рекуперирует в конденсатор 5 и ток в нейуменьшается, Через тиристор 16 протекает разность токов катушки 11и входного тока 1, источника 1 питания. При снижении тока в катушке11 до величины тока 1 д в моменттиристор 16 обесточивается и выключается, а конденсатор 5 заряжаетсяот источника 1 питания через зарядную цепь 2, тиристор 10 и катушку11. В моментсхема возвращаетсяв исходное состояние и для формирования следующего импульса включаются тиристоры 6,8, 13 и 14. Тиристор10 при этом выключается. Далее схемаработает аналогично.Генераторы импульсов тока пофиг.7 и 9 имеют такие же возможности по регулированию длительности импульса и, в частности, его фронта исреза, как и генератор по фиг.1.ф о р м у л а изобретения1. Генератор импульсов тока, содержащий источник питания постоянно152го тока, зарядную цепь, мостовую схему, в противоположные плечи которой включены катушка индуктивности и накопительный конденсатор, в другие противоположные плечи - соответственно первый и второй коммутаторы, в диагонали мостовой схемы включены соответственно первый и второй комуОтаторы, в диагонали мостовой схемы включены соответственно первый и второй ключевые пороговые элементы, первый и второй коммутирующие конденсаторы, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения области применения, повышения коммутационной устойчивости, частоты следования импульсов, в качестве первого и второго коммутаторов использованы мостовые тиристорные коммутаторы, в другую диагональ которых включены соответ 5872 14ственно первый и второй коммутирующие конденсаторы, источник питаниячерез зарядную цепь подсоединен параллельно одному из элементов мостовой схемы.2. Генератор по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что источник питаниячерез зарядную цепь подсоединен па раллельно накопительному конденсатору3. Генератор по п.1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что источникпитания через зарядную цепь подсоединен параллельно одному из мостовыхтиристорньщ коммутаторов.4, Генератор по п.1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что источник питаниячерез зарядную цепь подсоединен па раллельно одному из ключевых пороговых элементов,