генератор импульсов на индуктивных накопителях энергии

Формула изобретения

1. Генератор импульсов на индуктивных накопителях энергии, содержащий два индуктивных накопителя энергии, два размыкателя, разрядник и нагрузку, отличающийся тем, что он дополнительно содержит два одинаковых синхронных генератора импульсов напряжения, два одинаковых униполярных генератора импульсов тока, второй разрядник, блок управления, датчик Холла и трансформатор, выполненный в виде размещенных на сердечнике из материала с узкой петлей намагничивания двух пар встречно включенных обмоток, при этом обмотка каждой пары, имеющая больше число витков, является основной, а другая - дополнительной, незаземленный вывод каждого синхронного генератора импульсов напряжения соединен с первым выводом соответствующего индуктивного накопителя энергии, вторые выводы которых соединены с нагрузкой через соответствующий разрядник, а также соответственно с первым и вторым выводами основных обмоток, другие выводы которых заземлены, к выходу каждого униполярного генератора импульсов тока подключена цепочка из последовательно соединенных дополнительной обмотки и размыкателя, датчик Холла размещен между сердечником и обмотками трансформатора и соединен своим выходом с входом блока управления, первый вывод которого соединен с управляющими входами первого синхронного генератора импульсов напряжения и первого униполярного генератора импульсов тока, второй вывод блока управления соединен с управляющими входами второго синхронного генератора импульсов напряжения и второго униполярного генератора импульсов тока, третий к четвертый выходы блока управления соединены с управляющими входами соответственно первого и второго размыкателя, а пятый и шестой выходы блока управления - с поджигающим электродом соответственно первого и второго разрядника.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что число витков основной обмотки по крайней мере на порядок превышает число витков дополнительной обмотки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для питания импульсных ускорителей электронных пучков, источников рентгеновского и нейтронного излучения, лазеров, а также в устройствах для обработки поверхности различных материалов.

Из предшествующего уровня техники известен генератор импульсов на индуктивных накопителях энергии (см. Sargent. G. et al, Rev. Scient. Inst. v. 30, N 11, 1965 г., p. 1032), содержащий источник тока, по крайней мере два индуктивных накопителя и два размыкателя, соединенных последовательно, а также нагрузочную цепь с разрядником-обострителем и нагрузкой, включенными последовательно.

Недостатком известного генератора является невысокий КПД передачи энергии в нагрузку, причем КПД тем меньше, чем больше число каскадов.

Известен также генератор импульсов на индуктивных накопителях энергии (см.авторское свидетельство СССР N 635605, кл. H 03 K 3/53, 1977 г.), взятый в качестве прототипа и содержащий источник тока, два индуктивных накопителя энергии, два размыкателя, разрядник и нагрузку, при этом один полюс источника тока соединен о первым выводом нагрузки через последовательно соединенные первый индуктивный накопитель энергии и разрядник, а со вторым выводом нагрузки через первый размыкатель, второй полюс источника тока соединен со вторым выводом нагрузки через второй индуктивный накопитель энергии, а с точкой соединения первого индуктивного накопителя энергии с разрядником - через второй размыкатель.

Недостаток известного генератора импульсов на индуктивных накопителях энергии заключается в том, что он не обеспечивает высокоэффективной передачи энергии из индуктивных накопителей в нагрузку, поскольку время переключения достаточно большое - порядка единиц миллисекунд.

Кроме того, известный генератор не обеспечивает высокой частоты следования импульсов.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по повышению эффективности передачи энергии из накопителей в нагрузку за счет уменьшения времени переключения тока накачки накопителя энергии на нагрузку до (1-5)10^-6 сек, что, по существу, приводит к повышению КПД устройства, а также к увеличению частоты следования импульсов: 1-10 кГц.

Поставленная задача решена тем, что генератор импульсов на индуктивных накопителях энергии, содержащий два индуктивных накопителя энергии, два размыкателя, разрядник и нагрузку, согласно изобретению дополнительно содержит два одинаковых синхронных генератора импульсов напряжения, два одинаковых униполярных генератора импульсов тока, второй разрядник, блок управления, датчик Холла и трансформатор, выполненный в виде размещенных на сердечнике из материала с узкой петлей намагничивания двух пар встречно включенных обмоток, при этом обмотка каждой пары, имеющая больше число витков, является основной, а другая - дополнительной, незаземленный вывод каждого синхронного генератора импульсов напряжения соединен с первым выводом соответствующего индуктивного накопителя энергии, вторые выводы которых соединены с нагрузкой через соответствующий разрядник, а также соответственно с первым и вторым выводами основных обмоток, другие выводы которых заземлены, к выходу каждого униполярного генератора импульсов тока подключена цепочка из последовательно соединенных дополнительной обмотки и размыкателя, датчик Холла размещен между сердечником и обмотками трансформатора и соединен своим выходом с входом блока управления, первый вывод которого соединен с управляющими входами первого синхронного генератора импульсов напряжения и первого униполярного генератора импульсов тока, второй вывод блока управления соединен с управляющими входами второго синхронного генератора импульсов напряжения и второго униполярного генератора импульсов тока, третий и четвертый выходы блока управления соединены с управляющими входами соответственно первого и второго размыкателя, а пятый и шестой выходы блока управления - с поджигающим электродом соответственно первого и второго разрядника.

Целесообразно, чтобы число витков основной обмотки по крайней мере на порядок превышало число витков дополнительной обмотки.

Такое выполнение генератора импульсов на индуктивных накопителях позволяет при использовании в цепи дополнительных обмоток обычных контактных размыкателей с временами коммутации 10^-3 сек повысить эффективность передачи энергии от индуктивных накопителей в нагрузку за счет импульсного изменения величины индуктивного сопротивления цепи основных обмоток трансформатора.

Действительно, при размыкании цепи дополнительной обмотки за счет тока, протекающего по соответствующей ей основной обмотке, происходит перемагничивание сердечника трансформатора (переход его из насыщенного состояния с индукцией магнитного поля, равной, например, B₀, в насыщенное состояние, но с индукцией магнитного поля, равной (B₀). В процессе перемагничивания сердечника индуктивность основной обмотки сначала скачкообразно увеличивается в _д/_н~ 10⁴ раз, где _д - динамическая магнитная проницаемость материала 9 сердечника в ненасыщенном состоянии, а _н - магнитная проницаемость материала сердечника в насыщенном состоянии, а затем (в результате повторного намагничивания сердечника в другом направлении) индуктивность также быстро уменьшается до величины, определяемой _н. Таким образом, индуктивное сопротивление основной обмотки за время перемагничивания сердечника, равное (1-5)10⁶ сек? изменяется по закону, близкому к прямоугольному импульсу очень малой длительности, что приводит к повышению эффективности передачи энергии в нагрузку.

Введение блока управления и датчика Холла позволяет повысить частоту следования импульсов за счет возможности подачи токов в основную и дополнительную обмотки одной пары в момент времени, когда переходной процесс в основной обмотке другой пары еще не закончился. Иными словами, к моменту установления режима холостого хода в цепи одного индуктивного накопителя энергии накачка второго индуктивного накопителя энергии уже закончилась.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предложенного генератора; на фиг. 2 - временные зависимости выходных напряжений и токов.

Генератор импульсов на индуктивных накопителях энергии содержит первый синхронный генератор 1 импульсов напряжения, первый индуктивный накопитель 2 энергии, первый разрядник 3, нагрузку 4, второй разрядник 5, второй индуктивный накопитель 6 энергии, второй синхронный генератор 7 импульсов напряжения (идентичные соответственно генератору 1 и накопителю 2), трансформатор 8 с сердечником из материала с узкой прямоугольной петлей намагничивания, с двумя основными обмотками 9 и 9" и с двумя дополнительными обмотками 10 и 10", первый 11 и второй 12 размыкатели, первый 13 и второй 14 униполярные генераторы импульсов тока, датчик 15 Холла и блок 16 управления. Датчик 15 Холла устанавливается между обмотками трансформатора 8 и его сердечником.

Незаземленный вывод синхронного генератора 1 импульсов напряжения соединен с первым выводом индуктивного накопителя 2 энергии, второй вывод которого через разрядник 3 соединен с нагрузкой 4, а также с первым выводом основной обмотки 9 трансформатора 8, второй вывод которой заземлен. Аналогично незаземленный вывод синхронного генератора 7 импульсов напряжения соединен с первым выводом индуктивного накопителя 6, второй вывод которого через разрядник 5 соединен с нагрузкой 4, а также со вторым выводом основной обмотки 9 трансформатора 8, первый вывод которой заземлен. Нагрузка 4 может быть либо общей для обоих индуктивных накопителей 2 и 6 энергии, либо отдельной для каждого накопителя (на чертеже показано пунктиром).

К выходу первого униполярного генератора 13 импульсов тока подсоединены последовательно соединенные размыкатель 11 и дополнительная обмотка 10, при этом ее первый вывод заземлен. Аналогично к выходу второго униполярного генератора импульсов тока 14 подсоединены последовательно соединенные размыкатель 12 и дополнительная обмотка 10", второй вывод которой заземлен.

Информационный выход датчика 15 Холла подключен к входу блока 16 управления, первый выход которого соединен с управляющим входом генератора 1 и генератора 13, второй выход - с управляющим входом генератора 7 и генератора 14, третий и четвертый выходы - соответственно с управляющими входами размыкателей 11 и 12, а пятый и шестой выходы - с поджигающими электродами соответственно разрядников 3 и 5.

На фиг. 2 используются следующие обозначения: U₁ и U₁₃ - выходной сигнал соответственно генератора 1 и 13, I₉, I_9", I₁₀, I_10", - токи в соответствующих обмотках 9, 9", 10 и 10" трансформатора 8; U₇ и U₁₄ - выходной сигнал соответственно генератора 7 и 14; U_н - напряжение на нагрузке 4; U_Х - сигнал с датчика 15 Холла.

Генератор импульсов на индуктивных накопителях энергии работает следующим образом. В начальный момент времени сердечник трансформатора 8 находится либо в ненасыщенным состоянии, либо в любом другом состоянии. В момент времени t₀ (фиг.2) по команде "Пуск" на первом и третьем выходах блока управления формируются управляющие сигналы, которые поступают соответственно на управляющие входы генераторов 1 и 13 и запускают их, а также на управляющий вход размыкателя 11, переводя его в замкнутое состояние. В результате происходит нарастание тока I₉(t) в обмотке 9 и тока T₁₀(t) в обмотке 10 трансформатора 8. Параметры схемы, а также число витков W₉ и W₁₀ соответственно в обмотках 9 и 10 рассчитываются так, чтобы возрастание токов во встречно включенных обмотках 9 и 10 происходило по одному и тому же закону и выполнялось соотношение:

I₉(t) W₉ - I₁₀(t) W₁₀ = 0, (1)

при этом W₉ > W₁₀.

Длительность _o и амплитуда пусковых (первых) импульсов на выходах генераторов 1 и 13 меньше последующих рабочих импульсов (см.фиг. 2). По окончании первых импульсов (т.е. через интервал времени, равный _o, после команды "Пуск") на третьем выходе блока 16 управления формируется сигнал на размыкание размыкателя 11. Одновременно с пятого выхода блока 16 управления сигнал поступает на поджигающий электрод разрядника 3. В этот момент времени ток в обмотке 9 достигает пикового значения. При срабатывании размыкателя 11 ток в обмотке 10 трансформатора 8 быстро спадает до нуля, а сердечник намагничивается до насыщения за счет протекания тока по обмотке 9 трансформатора 8. Здесь следует отметить, что для исключения "очень сильного" намагничивания сердечника током, протекающим по обмотке 9, подается сигнал на поджигающий электрод разрядника 3. В результате в интервале времени, соответствующем нахождению сердечники трансформатора 8 в ненасыщенном состоянии, излишняя запасенная энергия выделяется в нагрузке (на фиг. 2 показано пунктирной кривой) через разрядник 3. При этом сигнал на выходе датчика 15 Холла сначала возрастает за счет намагничивания сердечника трансформатора 8, а затем уменьшается так же, как и ток в обмотке 9, по экспоненциальному закону с постоянной времени, определяемой омическим сопротивлением шин обмотки 9 и индуктивного накопителя 2 энергии, а также приведенной индуктивностью рассматриваемой цепи. Таким образом, сигнал на выходе датчика 15 Холла соответствует величине напряженности магнитного поля в сердечнике трансформатора 8, а его знак - направлению магнитного поля. В блоке 16 управления выделяется сначала компонента сигнала с выхода датчика 15 Холла, для которой Иными словами, дальнейшей обработке подвергается сигнал с датчика 15 Холла только в те интервалы времени, когда его значение по модулю уменьшается во времени. При достижении сигналом с датчика 15 Холла заданного значения на втором и четвертом выходах блока 16 управления формируются управляющие сигналы, которые поступают соответственно на управляющие входы соответственно генераторов 7, 14 и размыкателя 12. В результате на выходах генераторов 7 и 14 формируются импульсы соответственно напряжения и тока с длительностью ₁> _o (рабочие импульсы) и большей амплитуды, чем у пусковых. При этом параметры схемы, а также число витков W_9" и W_10" соответственно в обмотках 9" и 10" рассчитываются так, чтобы возрастание токов во встречно включенных обмотках 9" и 10" происходило по одному и тому же закону и выполнялось соотношение:

I_9"(t) W_9" - I_10"(t) W_10" = 0 (2)

аналогичное (1), при этом W_9" = W₉ и W_10" = W₁₀.

В результате в обмотках 9 и 10 не будет наводиться ЭДС взаимоиндукции, а состояние сердечника трансформатора 8 будет определяться только затухающим током в обмотке 9. При спадании тока в обмотке 9 до нуля напряженность магнитного поля также уменьшится до нуля, а сигнал с выхода датчика 15 Холла также станет равным нулю. В момент достижения сигналом на выходе датчика 15 Холла нулевого значения на четвертом и шестом выходах блока 16 управления формируются сигналы на срабатывание размыкателя 12 и поджиг разрядника 5. При срабатывании размыкателя 12 ток в обмотке 10" трансформатора быстро спадает до нуля. В результате намагниченность сердечника трансформатора 8 будет определяться током, протекающим по обмотке 9". Поскольку направление напряженности магнитного поля, создаваемого током в обмотке 9", имеет противоположное направление напряженности магнитного поля, создаваемого током в обмотке 9, то сердечник перемагничивается под действием тока, протекающего по обмотке 9". При этом в момент достижения излома кривой намагничивания сердечник выходит из состояния насыщения, а индуктивность обмотки 9" возрастает в _д/_н, где _д= 10⁵ - динамическая магнитная проницаемость сердечника в ненасыщенном состоянии, а _н= 2-7 - магнитная проницаемость сердечника в насыщенном состоянии.

Изменение индуктивного сопротивления в цепи генератора 7 во время перемагничивания сердечника приводит к возникновению скачка потенциала в точке соединения элементов 6, 9 и 5 между собой. В результате происходит пробой разрядника 5, поскольку на его поджигающий электрод подан сигнал, и переключение тока накачки индуктивного накопителя 6 на нагрузку 4. Здесь необходимо отметить, что скачок разности потенциалов на обмотке 9" не вызовет дуги в размыкателе 12, поскольку число витков в обмотке 9" (в предпочтительном варианте) на порядок больше числа витков в обмотке 10". Кроме того, не произойдет пробоя и разрядника 3, так как на его поджигающий электрод не подан сигнал.

После достижения напряженностью магнитного поля значения, соответствующего излому кривой намагничивания сердечника при другом направлении намагниченности, индуктивность обмотки 9" вновь уменьшится до прежней величины, соответствующей магнитной проницаемости сердечника - _н, при этом сигнал на выходе датчика 15 Холла будет иметь противоположный знак.

Далее, аналогично описанному выше, при заданном значении убывающего во времени модуля выходного сигнала с датчика 15 Холла формируются управляющие сигналы на первом и третьем выходах блока 16 управления. В результате на выходах генераторов 1 и 13 формируются соответственно импульс напряжения с длительностью ₁ и импульс тока той же длительности, а, кроме того, обмотка 10 трансформатора 8 подключается к генератору 13. Поскольку при этом выполняется условие (1), то состояние сердечника определяется лишь величиной тока в обмотке 9". В момент достижения сигналом на выходе датчика 15 Холла нулевого значения на третьем выходе блока 16 управления формируется сигнал на срабатывание размыкателя 11, а на пятом выходе - сигнал, поступающий на поджигающий электрод разрядника 3. При срабатывании размыкателя 11 ток в обмотке 10 быстро спадает до нуля, а намагниченность сердечника трансформатора будет уже определяться током, протекающим по обмотке 9. При перемагничивании сердечника (поскольку токи в обмотках 9 и 9" имеют противоположное направление) происходит увеличение индуктивного сопротивления в цепи генератора 1, пробой разрядника 3 (т.к. на его поджигающем электроде сигнал не равен нулю), а следовательно, переключение тока накачки индуктивного накопителя 2 энергии на нагрузку 4.