Магнитный импульсный генератор

(51) 5 НОЗКЗ 53 Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .,:К БАТЕНТУ(73) Научно-исследовательский институт при Томском политехническом университете(54) МАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР(57) Использование: в наносекундной ееульснойтехнике для зарядки формирующей пинии ускорителей, а также для возбуждения импульсно-периодических газовых лазеров и других устройств с нелинейными характеристиками. Сущность изобретения: генератор включает корпус, накопитель 2, коммутатор 3, импульсный трансформатор 4, конденсаты 5- 8, дроссели 9- 11, индуктивность 12, источник 13. Особенностью изобретения является введение конденсатора 6 и подключение к нему индуктивности и источника 15, что позволило повысить надежность и упростить конструкцию. 4 ил.Предлагаемое изобретение относится к наносекундной импульсной технике и предназначено для зарядки формирующих линий ускорителей, а также для возбуждения импульсно-периодических газовых лазеров и других устройств с нелинейными характеристиками.Известны генераторы мощных высоковольтных наносекундных импульсов на основе магнитных звеньев сжатия, емкости которых выполняются из блоков стандартных конденсаторов, Например, генератор для возбуждения мощных импульсно-периодических газовых лазеров формирует на емкостной нагрузке импульсы амплитудной 20 кВ, длительностью фронта 300 нс, следующие с частотой ЗООО Гц. Получение импульсов с более короткими фронтами в десятки наносекунд ограничено иэ-за большой паразитной индуктивности звеньев генератора, складывающейся в основном из индуктивности монтажа конденсаторных блоков и существенной собственной индуктивности конденсаторов. Вследствие этого КПД таких генераторов не превышает 50 60 .При формировании на нагрузке однополярных импульсов напряжения к началу каждого последующего импульса. все ферромагнитные сердечники генератора должны быть возвращены в исходное магнитное состояние в области их отрицательного насыщения.Известны генераторы наносекундных импульсов на основе магнитных звеньев сжатия, в которых предварительное размагничивание ферромагнитных сердечников звеньев осуществляется с помощью дополнительных обмоток размагничивания, уложенных на сердечниках и эапитываемых последовательно от одного или параллельно от нескольких источников тока,Недостатком таких генераторов является их сложность и снижение надежности из-за большого количества дополнительных обмоток и источников питания,Известны также генераторы, в которых предварительное размагничивание. ферромагнитных сердечников звеньев сжатия осуществляется через основные рабочие обмотки этих сердечников током заряда емкости входного звена генератора от импульсного источника питания. Однако применение таких генераторов ограничено, так как этот ток заряда замыкается также через нагрузку. В случае нагрузки с ярко выраженной нелинейной характеристикой, какой, например, является электродная система газового лазера, применение таких генераторов без использования специаль 45 50 55 При такам выполнении генератора в процессе работы обкладки конденсатора с витками намагничивания образуют кааксиальную или симметричную полосковую линию, которая подключается к нагрузке. Это позволяет исключить согласующие передающие линии, снизить до минимума параэитную индуктивность монтажа, а также эа счет существенного уменьшения собственной индуктивности конденсаторов улучшить соотношение индуктивнастей витков дросселей насыщения ступеней сжатия и индуктивностей конденсаторов, Следствием этого является увеличение КПД генератора и воэможность формирования на нагрузке наносекундных импульсов с крутыных дополнительных цепей, шунтирующих нагрузку, невозможно.Наиболее близким из известных технических решений к данному предложению 5 является магнитный импульсный генератор,содержащий импульсный источник питания, входное звена, состоящее иэ зарядной С- цепи. коммутатора, звенья сжатия, включающие дроссели насыщения, выполненные в виде тороидальных ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к которым подключены конденсаторы. Генератор содержит также размагничивающую систему с источником 5 тока, Выходное звено генератора подключается к нагрузке.К виткам намагничивания первого звена сжатия через входноеС-звено подключается импульсный источник питания и один 20 вывод системы размагничивания, расположенной по внутренней поверхности дросселей насыщения и вторым свободным выводом подключенной к источнику токаОсобенностью генератора является то, 25 что в нем вместо стандартных используютсяспециальные полосковые конденсаторы, При этом обкладки конденсаторов каждого звена сжатия выполнены по ширине равными высоте набора сердечников дросселей 30 насыщения, разделены на частей и уложены по спирали Архимеда поверх дросселей, В свою очередь обмотки дросселей насыщения разделены на 2 п витков, кроме обмотки дросселя выходного звена, выполненной в 35 виде сплошного витка, К внешним выводамвитков подключены потенциальные обкладки конденсаторов, а другие обкладки, "заземленные", соединены с корпусом.Выводами, расположенными на внутренней 40 поверхности дросселей, обмотки соединены между собой. При этом конструктивно все ступени сжатия помещены в общем цилиндрическом корпусе.ми фронтами, порядка нескольких десятков наносекунд.Недостатками этого устройства я вляются: во-первых, сложность получения в нагрузке мощных высоковольтных импульсов с амплитудой порядка 100 кВ и более, поскольку все основные элементы генератора от импульсного источника питания до выходного звена сжатия должны быть выполнены практически на полное напряжение нагрузки, во-вторых, осуществление размагничивания всдх ферромагнитных сердечников ступеней сжатия общим витком, проходящим через центральную часть корпуса и запитываем от низковольтного источника, существенно усложняет конструкцию генератора и затрудняет согласование выходного звена сжатия с нагрузкой, поскольку между ними нарушается однородность коаксиального высоковольтного .перехода, который должен быть весьма малоиндуктивным.Все это существенно уменьшает надежность генератора и ограничивает возможность его применения.Целью изобретения является повышение надежности работы генератора и обеспечение воэможности его работы на нелинейную нагрузку, а также упрощение его конструкции и эксплуатации.Эта цель достигается тем, что в предлагаемом магнитном импульсном генераторе, как и в прототипе, содержащем импульсный источник питания, включающий емкостной накопитель энергии, коммутатор и повышающий импульсный трансформатор входное звено, размагничивающую систему, включающую емкостной накопитель энергии, коммутатор и повышающий импульсный трансформатор входное звено, размагничивающую систему, включающую балластную индуктивность и источник тока, а также расположенные в общем цилиндрическом корпусе звенья сжатия, включающие дроссели насыщения, выполненные в виде тороидальных ферромагнитных сердечников, охваченных витками намагничивания, к которым подключены конденсаторы, выполненные в виде полосковых линий, уложенных по спирали Архимеда поверх дросселей насыщения, в отличие от прототипа входное звено генератора выполнено из двух последовательно соединенных конденсаторов, где параллельно первому конденсатору подключена вторичная обмотка импульсного трансформатора импульсного источника питания, а параллельно второму конденсатору подключена размагничивающая система, при этом балластная индуктивность системы подключена к общей точке соеди 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 нения конденсаторов. а выходное звено сжатия подключено к импульсным одновитковым трансформаторам коаксиального исполнения, обмотки которых выполнены из ряда параллельных витков, охватывающих сердечник трансформатора и радиально распределенных между корпусом и центральным выходным электродом генератора. При этом и звенья сжатия, и одновитковые трансформаторы расположены в общем цилиндрическом корпусе.Существенность отличия предлагаемого устройства заключается в том, что помимо сжатия во времени получаемого при разряде емкостного накопителя энергии импульсного источника питания относительно низковольтного импульса осуществляется увеличение его амплитуды в 1,61,9 раза во входном звене и в 24 раза на выходе генератора непосредственно перед нагрузкой. Это позволяет использовать для импульсного источника и входного звена низковольтные стандартные элементы, в том числе мощные, частотные полупроводниковые коммутирующие приборы, а на элементах звеньев сжатия иметь напряжение в 2 - 4 раза меньше, чем формируемое в нагрузке. В результате существенно повышается надежность работы генератора, а также упрощается его конструкция и эксплуатация. Кроме того, подключение системы размагничивания к общей точке последовательно соединенных конденсаторов входного звена и использование на выходе генератора одновитковых трансформаторов коаксиального исполнения позволяет, практически не ухудшая временных и энергетических характеристик импульсов в нагрузке размагничивать все ферромагнитные сердечники генератора, не замыкая ток размагничивания через нагрузку и не применяя дополнительных обмоток размагничивания. Это позволяет обеспечить возможность надежной работы генератора как на линейную, так и нелинейную нагрузку, включая межэлектродный промежуток газового импульсного лазера,На фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемого генератора; на фиг. 2 - эпюры токов и напряжений в элементах генератора;на фиг, 3-4 - схемы, поясняющие его работу.На фигурах обозначено: 1, 1 - одновитковые импульсные трансформаторы, 1 корпус генератора, 2 - емкостной накопитель энергии. 3 - коммутатор, 4 - повышающий импульсный трансформатор, 5, б - конденсаторы входного звена, 7, 8- конденсаторы звеньев сжатия, 9 - дроссель насыщения входного звена, 10. 1, - дроссели5 10 20 ЗО 35 55 насыщения звеньев сжатия, 12 - балластная индуктивность, 13 - источник постоянного тока, 14 - намагничивающие витки импульсных трансформаторов, 1, И, 15 - ферромагнитные тороидальные сердечники импульсных трансформаторов 1, И, 16- резистор нагрузки, 17 - межэлектродный зазор нагрузки, 17 - межэлектродный зазор нагрузки, 18 - центральный выходной электрод, 19 - напряжение на емкостном накопителе 2, 20 - напряжение на конденсаторе 5, 21 - напряжение на конденсаторе 6, 22 - напряжение на конденсаторе 7, 23 - напряжение на конденсаторе 8; 24 - напряжение в токах е,на выходе импульсного трансформатора, 25 - напряжение в точках, К а на выходе генератора. 26 - ток заряда конденсаторов 5, 6, 27 - ток дросселя насыщения 9. 28 - ток дросселя насыщения 10, 29 ток дросселя насыщения 11. 30 - ток на выходе импульсного трансформатора 1 на участке б, 31 - ток в резисторе 16 (на участке 1-в). Магнитный импульсный генератор содержит импульсный источник питания, включающий емкостной накопитель энергии 2, разряжаемый через коммутатор 3, например, тиристор, на первичную обмотку повышающего импульсного трансформатора 4. 11 араллельно вторичной обмотке этого трансформатора подключен конденсатор 5, образующий с последовательно подключенными к нему конденсатором 6 и дросселем насыщения 9 входное звено генератора. К общей точке соединения конденсаторов 5, 6 и вторичной обмотке импульсного трансформатора 4 подключена балластная индуктивность 12 системы размагничивания, запитываемая током размагничивания от источника постоянного тока 13. Величина 40 балластной индуктивности 12 выбирается из расчета, чтобы она существенно не шунтировала конденсатор 6 во время его зарядки,Магнитный импульсный генератор содержит несколько звеньев сжатия, каждое из которых имеет дроссель насыщения Ю, 11, которые как и дроссель насыщения 9 входного звена выполнены в виде тороидальных ферромагнитных сердечников, охваченных намагничивающими витками. К внешним выводам этих витков подключены потенциальные обкладки соответствующих конденсаторов 7, 8, другие обкладки которых, "заземленные", подключены к корпусу 1. Конструктивно конденсаторы 7, 8 ступени сжатия выполнены в виде полосковых линий, уложенных по спирали Архимеда вокруг соответствующих им дросселей насыщения (см, фиг, 3). Последнее, выходное звено сжатия подключено к импульсным одновитковым трансформаторами И коаксиального исполнения, первичные обмотки 14 которых с целью наиболее малоиндуктивного исполнения выполнены из ряда параллельных витков, охватывающих тороидальный ферромагнитный сердечник 15 соответствующего трансформатора и радиально распределены между корпусом и центральным выходным электродом 18 генератора. Конструктивно дроссель 9 входного звена, звенья сжатия и импульсные трансформаторы 1 и И размещены в общем цилиндрическом корпусе 1. При этом внутренние выводы обмоток дросселя выходного звена сжатия и импульсных трансформаторов 1 и И соединены между собой и образуют центральный выходной электрод 18 генератора, который выполняется в виде цилиндра и образует с корпусом 1 коаксиал (см, фиг. 3), к которому подключается нагрузка 18, Данный генератор способен возбуждать практически любой тип нагрузки, В данном случае рассматривается нелинейная нагрузка типа межэлектродного промежутка импульсного газового лазера, на фиг. показанная в виде последовательно соединенных резистора 16 и зазора 17.Устройство работает следующим образом, В исходном состоянии(111) конденсаторы 5-8 входного звена и звеньев сжатия разряжены, а емкостной накопитель 2 заряжен с указанной на фиг, 1 полярностью, От источника постоянного тока 13 через индуктивность 12 протекает ток размагничивания 1, замыкающийся по цепи вторичной обмотки импульсного трансформатора 4, обмотка дросселей насыщения 9-11 и параллельно соединенным обмоткам 14 импульсных трансформаторов 1 и И. Этим током размагничиваются полностью до состояния отрицательного насыщения - ВЯ- сердечники трансформатора 4 и дросселя 9 входного звена. поскольку их обмотки имеют значительное число витков и одновитковых трансформаторови 11 размагничиваются частично, При включении в момент времени ц коммутатора 3 начинается разряд емкостного накопителя 2 через первичную обмотку импульсного трансформатора 4, Наводимое на его вторичной обмотке напряжение через конденсатор 6 и насыщенный дроссель 9 прикладывается к обмоткам дросселей 10, 11 и трансформаторов 1, И, дораэмагничивая их сердечники также полностью до магнитного состояния - ВЯ, В результате конденсаторы 5, 6 входного звена по отношению ко вторичной обмотке трансформатора 4 ока 2003219 10эываются подключенными параллельно и в течение времени т 2-т 1 зарякаются до требуемого максимального значения напряжения Оо импульсного источника питания фиг. 2, эпюры 20, 21, соответственно. В момент времени т 2 процесс зарядки заканчивается, коммутатор 3 выключается. Под действием напряжения конденсатора 5 через его вторичную обмотку. Начиная с момента времени 2 сердечник дросселя 9 выходит из отрицательного насыщения и начинает перемагничиваться, так как к его обмотке начинает прикладываться возрастающее напряжение, равное сумме О напряжений конденсаторов 5, 6 перестающих уравновешивать друг друга. В момент времени тз, когда процесс перезаряда конденсатора 5 близок к завершению и О=(1,6.1,9)Оо сердечник дросселя 9 вновь насыщается, но уже при индукции+ В 5. Его индуктивность уменьшается в р раз, где д - относительная магнитная проницаемость материала сердечника и начинается процесс разряда последовательно соединенных конденсаторов 5, 6 через обмотку насыщенного дросселя 9 на конденсатор 7 последующего звена сжатия. Под действием напряжения конденсатора 5 по вторичной обмотке трансформатора 4 протекает ток, переводящий его сердечник в ненасыщенное состояние, которое препятствует обратному перезаряду конденсатора 5 через обмотку трансформатора.В момент времени и конденсатор 7 заряжаетсядо напряжения О, а конденсаторы 5, 6 разряжаются до нуля,Процесс разряда конденсатора 7 на конденсатор 8 аналогичен процессу, описанному выше, однако длительность разряда конденсатора 7 на конденсатор 8 намного меньше(промежуток времени 16-15, эпюры 22, 23 на фиг. 2). По мере передачи импульса от звена к звену длительность его уменьшается, достигая на последнем звене требуемой величины. При этом амплитуда напряжения остается примерно постоянной, а амплитуда импульса тока увеличивается пропорционально, уменьшению его длительности.После выхода в насыщение сердечника дросселя 11 последнего звена сжатия начинается разряд емкости 8 последнего звена нэ одновитковую обмотку 14 импульсного трансформатора , Направление намотки витков 14 трансформаторов ,определяется назначением генератора. При формировании весьма высоковольтных импульсов на высокоимпедансной нагрузке витки 14 выполняются таким образом, чтобы индуцируемая трансформаторами ,ЭДС на центральном выходном электроде 18 совпадалапо направлению с ЭДС конденсатора 8 последнего звена сжатия, В этом случае (см.5 фиг, 3) трансформаторыиоказываютсявключенными по автотрансформаторнойповышающей схеме, где первичным витком,подключенным к выходному звену, являетсявиток а, Ь, Ь, с, а, а двумя вторичными вит 10 ками - Ь, е, 1, Ь, Ь для трансформатораи е,К гп, 1, е, для трансформатора , Для уменьшения потоков рассеяния, а, следовательно, и минимальной собственнойиндуктивности, трансформаторы еыполня 15 ются с витком 14 практически полностьюзакрывающим сердечник 15, В результатенапряжение с выхода последнего звенасжатия повышается каждым трансформатором в(1,6 1,9) раза при соответственном20 уменьшении тока, с учетом тока намагничивания сердечников р, не передаваемого внагрузку. Следует отметить, что величинатока намагничивания (сотни ампер - единицы килоампер) много меньше величины тока25 нагрузки (десятки - сотни килоампер). Сечение трансформатораопределяется величиной напряжения О на выходе последнего.звена сжатия и длительностью 1 и импульсав нагрузке30 О ти4 ВэКстгде Вэ - индукция насыщения материаласердечника трансформатора, Кст - коэффициент заполнения сталью, Сечение сердеч" ника каждого последующеготрансформатора удваивается,При работе генератора на малоимпеданскую нагрузку, когда основным являетсяполучение относительно низковольтных им 40 пульсов с весьма большим током, витки 14трансформаторови И выполняются противоположно вышеописанному, чтобы индуцируемая на оси ЭДС трансформатораимела направление встречное направление45 ЭДС конденсатора последнего звена сжатия (см. фиг. 4). Здесь трансформаторы оказываются включенными поавтотрансформаторной понижающей схеме, где первичными двумя витками, нэпри 50 мер, для трансформатораявляется контура, Ь, Ь, с, а вторичным витком контур Ь, е, 1,Ь, В результате получаемый с последнейступени сжатия ток увеличивается нэ каж. дом трансформаторе в - (1.6- 1,9) раза, нопри соответственном уменьшении напряжения. Как и в предыдущем случае, обмотки 14выполняются максимально закрывающимисердечники 15; иэ ряда параллельных витков, охватывающих сердечники трэнсфор12 2003219 5 10 15 20 25 30 Формул а и зоб рете ни яМАГНИТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий импульсный источник35 питания, включающий емкостный накопитель энергии, коммутатор и повышающий импульсный трансформатор. клеммы вторичной обмотки которого являются первой и второй выходными клеммами импульсного источника питания, входное звено сжатия, И звеньев сжатия, которые расположены в общем корпусе, выходное звено сжатия, включающие дроссели насы . щения, выполненные в виде охваченных намагничивающими витками тороидальных ферромагнитных сердечников, и конденсаторы, выполненные в виде полосковых линий, улаженных по спирали Архимеда 50 поверх дросселей насыщения, нагрузку и размагничивающую систему, включающую соединенные последовательно балластную индуктивность и источник тока, отличающийся тем, что конденсатор входного зве на генератора выполнен иэ двух последовательно соединенных конденсаторов, причем первый конденсатор соединен параллельно с первой и второй выходными клеммами импульсного источника питания, а второй конденсатор соединен параллельно с размагничиваю щей системой, причем балластная индуктивность системы подключена к общей точке соединения первого и второго конденсаторов, выходные клеммы выходного звена сжатия подключены к входным клеммам импульсных одновитковых трансформаторов, которые выполнены коаксиальными и обмотки которых образованы рядом параллельных витков, охватывающих сердечники трансформатора и радиально распределенных между корпусом и центральным выходным электродом генератора. маторав и радиально распределенных между корпусом и центральным выходным электродом, а сечение трансформатораопределяется величиной напряжения на выходе последнего звена сжатия и длительностью импульса в нагрузке. Далее сечение сердечника каждого последующего трансформатора, примерно, вдвое уменьшается.Таким образом, в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, помимо сжатия во времени получаемого при разряде емкостного накопителя энергии относительно низковольтного импульса осуществляется увеличение его амплитуда в1,6-1,9 раза во входном звене и в 2 - 4 раза на выходе генератора непосредственно перед нагрузкой. Это позволяет на элементах звеньев сжатия иметь напряжение в 2-4 раза меньшее, чем формируемое в нагрузке, и использовать для импульсного источника и входного звена низковольтные стандартные элементы, что существенно повышает надежность работы генератора, упрощает его конструкцию и эксплуатацию. Подключение системы размагничивания к общей тачке соединения конденсаторов входного звена и использование на выходе генератора одновитковых трансформаторов, практически не ухудшая временных и энергетических характеристик импульсов в нагрузке, позволяет размагничивать все ферромагнитные сердечники генератора, не замыкая ток размагничивания через нагрузку и не применяя дополнительнь 1 х обмоток размагничивания, Это позволяет без дополнительного усложнения перехода генератор - нагрузка и без применения дополнительных устройств обеспечивать возможность надежной работы генератора как на линейную, так и нелинейную нагрузку типа межэлектродного зазора.В предлагаемом устройстве, с целью упрощения конструкции и эксплуатации генератора. при его работе в длительномнепрерывном импульсно-периодическом режиме с постоянной частотой следования импульсов в десятки - сотни импульсов в секунду возможно исключение источника постоянного тока в системе размагничивания. В этом случае она выполняется в виде цепи из последовательно соединенных балластной индуктивности 12 и резистора, где индуктивность подключается к общей точке соединения конденсаторов 5, 6 входного звена. а резистор - к корпусу 1. 56) Авторское свидетельство СССРМ. 1521224, кл, Н 03 К зиз, 1987.2003219 Составитель 8,ВасильевТехред М. Моргентал ректор О.Густ актор И,Семенов Подп Тираж НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раушска аз 3237 енно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгор агарина, 10 Произ