генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью

Формула изобретения

1. Генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью, содержащий источник питания, нагрузку, первичную и вторичную обмотки индуктивного накопителя энергии, при этом первичная обмотка подсоединена к источнику питания через первый размыкатель, вторичная обмотка выполнена из N одинаковых секций с неперекрывающимися между собой поперечными сечениями, которые полностью заполняют поперечное сечение первичной обмотки, а один из выводов каждой секции вторичной обмотки соединен через соответствующий замыкатель с первым выводом нагрузки, отличающийся тем, что он дополнительно содержит М-1 размыкателей, образующих с первым размыкателем первую группу из М размыкателей, первый управляемый разрядник, вторую группу из К размыкателей с взрывающимся проводником, Р плазменных прерывателей тока и дополнительный источник питания, индуктивный накопитель энергии снабжен секционированными первой и второй дополнительными обмотками, первичная обмотка индуктивного накопителя энергии выполнена из М секций, последовательно соединенных между собой через соответствующий размыкатель первой группы, первый управляемый разрядник подключен к выводам генератора тока, К секций первой дополнительной обмотки, которая выполнена с площадью поперечного сечения, равной 0,95-1,0 площади поперечного сечения первичной обмотки, последовательно соединены между собой посредством К-1 размыкателей с взрывающимся проводником, первая дополнительная обмотка своим первым выводом соединена с первым выводом дополнительного источника питания и согласно относительно первичной обмотки, а через К-й размыкатель с взрывающимся проводником - со вторым его выводом, вторая дополнительная обмотка выполнена из Р одинаковых изолированных друг от друга секций с неперекрывающимися поперечными сечениями, которые полностью заполняют поперечное сечение первой дополнительной обмотки, выводы каждой секции второй дополнительной обмотки соединены между собой через соответствующий плазменный прерыватель тока, а другие выводы каждой секции вторичной обмотки соединены со вторым выводом нагрузки.

2. Генератор импульсов по п.1, отличающийся тем, что размыкатели первой группы выполнены в виде мембранных размыкателей, а замыкатели - в виде неуправляемых разрядников.

3. Генератор импульсов по п. 1 или 2, отличающийся тем, что дополнительный источник питания выполнен в виде устройства для зарядки конденсатора и устройства для зарядки неоднородной длинной линии, выходы устройств через соответствующие выключатели соединены соответственно с выводами конденсатора и выводами неоднородной длинной линии, первые выводы которых соединены между собой через последовательно соединенные второй и третий управляемые разрядники, общая точка соединения которых является первым выводом дополнительного источника питания, вторым выводом которого являются соединенные между собой вторые выводы конденсатора и неоднородной длинной линии.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к устройствам импульсной энергетике, принцип действия которых основан на компрессии энергии.

Из предшествующего уровня техники известно, что процесс компрессии энергии - это достаточное медленное накопление электрической или магнитной энергии в одном объеме и более быстрая передача накопленной энергии в нагрузку или в следующий накопитель, иными словами в другой объем. При этом задача компрессии магнитной энергии сводится к сосредоточению ее в объеме с наименьшей индуктивностью. Однако это отнюдь не означает накопление магнитной энергии с большей объемной плотностью, поскольку уменьшение индуктивности объема позволяет увеличить скорость передачи накопленной в данном объеме магнитной энергии в нагрузку, другими словами к обострению мощности, выделяемой в нагрузке.

Например, в статье И.П. Верещагина, Анализ трансформаторной схемы индуктивного накопителя энергии, Труды МЭИ, вып. 45, 1963, с. 21-24, описан генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью, содержащей источник тока, выключатель, двухобмоточный индуктивный накопитель и замыкатель, при этом первичная обмотка, расположенная снаружи вторичной обмотки, подключена через выключатель к источнику тока, а вторичная обмотка через замыкатель подсоединена к нагрузке.

В известном генераторе при трансформации электрического тока из первичной обмотки во вторичную накопленная магнитная энергия остается в одном и том же объеме, однако КПД передачи энергии в нагрузку составляет всего 0,25. Столь низкий КПД обусловлен, во-первых, потерями при разрыве цепи питания первичной обмотки, а во-вторых, неполным выводом энергии из накопителя в нагрузку.

Известен также генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью (SU N 1029402, A, 1983), взятый в качестве прототипа и содержащий генератор тока, выключатель (размыкатель), двухобмоточный индуктивный накопитель, две группы по N замыкателей в каждой группе, N размыкателей и нагрузку, причем первичная обмотка расположена снаружи вторичной обмотки, которая выполнена из N секций, не связанных друг с другом по магнитному полю. У каждой из N секций вторичной обмотки один из выводов через один из N замыкателей первой группы подсоединен к первому выводу нагрузки и первому выводу соответствующего размыкателя. Второй вывод каждой из N секций вторичной обмотки соединен со вторым выводом нагрузки и вторым выводом соответствующего размыкателя, а генератор тока через выключатель подключен к выводам первичной обмотки. В предпочтительном варианте выполнения устройства каждая секция вторичной обмотки выполнена длиной, равной длине первичной обмотки, и с сечением в виде сектора круга с углом раствора, равным 2/N, и с радиусом, равным радиусу внутренней окружности первичной обмотки. В известном устройстве за счет последовательного во времени подключения секций вторичной обмотки к нагрузке обеспечивается существенное повышение КПД передачи энергии из вторичной обмотки в нагрузку. Однако при этом компрессии энергии в нагрузке не достигается. Кроме того, в известном устройстве разрыв цепи первичной обмотки сопровождается перенапряжением на межконтактном промежутке, а следовательно, дугообразованием и значительными потерями первоначально накопленной энергии при трансформации (переработке) тока из первичной обмотки во вторичную обмотку.

Настоящее изобретения направлено на решение технической задачи по обеспечению высокой скорости передачи первоначально запасенной энергии в нагрузку (иными словами обеспечению увеличения тока и скорости изменения тока) при одновременном снижении потерь энергии при всех коммутационных процессах.

Поставленная задача решена тем, что генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью, содержащий источник питания, нагрузку, первичную и вторичную обмотки индуктивного накопителя энергии, при этом первичная обмотка подсоединена к источнику питания через первый размыкатель, вторичная обмотка выполнена из N одинаковых секций с неперекрывающимися между собой поперечными сечениями, которые полностью заполняют поперечное сечение первичной обмотки, а один из выводов каждой секции вторичной обмотки соединен через соответствующий замыкатель с первым выводом нагрузки, согласно изобретению дополнительно содержит M-1 размыкателей, образующих с первым размыкателем первую группу из M размыкателей, первый управляемый разрядник, вторую группу из K размыкателей с взрывающимся проводником, P плазменных прерывателей тока и дополнительный источник питания, индуктивный накопитель энергии снабжен секционированными первой и второй дополнительными обмотками, первичная обмотка индуктивного накопителя энергии выполнена из M секций, последовательно соединенных между собой через соответствующий размыкатель первой группы, первый управляемый разрядник подключен к выводам генератора тока, K секций первой дополнительной обмотки, которая выполнена с площадью поперечного сечения, равной 0,95-1,0 площади поперечного сечения первичной обмотки, последовательно соединены между собой посредством K-1 размыкателей с взрывающимся проводником, первая дополнительная обмотка своим первым выводом соединена с первым выводом дополнительного источника питания и согласно относительно первичной обмотки, а через K-тый размыкатель с взрывающимся проводником - со вторым его выводом, вторая дополнительная обмотка выполнена из P одинаковых изолированных друг от друга секций с неперекрывающимися поперечными сечениями, которые полностью заполняют поперечное сечение первой дополнительной обмотки, выводы каждой секции второй дополнительной обмотки соединены между собой через соответствующий плазменный прерыватель тока, а другие выводы каждой секции вторичной обмотки соединены со вторым выводом нагрузки.

Кроме того, целесообразно, чтобы размыкатели первой группы были выполнены в виде мембранных размыкателей, а замыкатели - в виде неуправляемых разрядников.

Предпочтительно, чтобы дополнительный источник питания был выполнен в виде устройства для зарядки конденсатора и устройства для зарядки неоднородной длинной линии, выходы этих устройство через соответствующие выключатели были соединены соответственно с выводами конденсатора и выводами неоднородной длинной линии, первые выводы которых соединены между собой через последовательно соединенные второй и третий управляемы разрядники, общая точка соединения которых является первым выводом дополнительного источника питания, а вторым выводом которого является соединенные между собой вторые выводы конденсатора и неоднородной длинной линии.

Такое выполнение генератора импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью позволяет осуществлять все процессы коммутации и перекоммутации с сохранением накопленной магнитной энергии в первоначальном объеме, а вывод энергии из этого объема в нагрузку произвести на самом последнем этапе. В результате существенно повышается КПД преобразования (трансформации) электрического тока, а также осуществляется быстрая передача первоначально запасенной энергии в нагрузку. Действительно, создание с помощью дополнительного источника питания паузы тока в короткозамкнутой первичной обмотке позволяет осуществить разрыв ее без образования дуг, т.е. без потерь первоначально накопительной в заданном объеме магнитной энергии. Далее, "переброс" тока из первичной обмотки в первую дополнительную обмотку, содержащую размыкатели с взрывающимся проводником, позволяет осуществить бездуговое размыкание цепи первой дополнительной обмотки и с высокой эффективностью осуществить передачу энергии в секции второй дополнительной обмотки. Автоматическое срабатывание плазменных прерывателей тока позволяет за время 100 - 150 нс осуществить вывод первоначально запасенной энергии в нагрузку из секций вторичной обмотки, имеющей низкое значение индуктивности. Иными словами, предложение позволяет обеспечить высокую компрессию энергии в нагрузке при одновременном существенном снижении потерь энергии при коммутации.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной в формуле изобретения совокупностью существенных признаков ожидаемого технического результата.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема генератора импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью; на фиг. 2 - индуктивный накопитель энергии, поперечный разрез.

Генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью содержит источник питания, например генератор 1 тока, индуктивный накопитель 2 энергии, первую группу размыкателей 3", 3"",,,,3^M вторую группу размыкателей 4", 4"", ...4^K-1, 4^K, плазменные прерыватели 5", 5"",...5^P-1, 5^P тока, неуправляемые разрядники (замыкатели) 6", 6"",...6^N-1, 6^N, дополнительный источник 7 питания, нагрузку 8 и первый управляемый разрядник 9.

Индуктивный накопитель 2 энергии содержит M секций 10", 10"",...10^M-1, 10^M первичной обмотки 10, K секций 11", 11"",...11^K-1, 11^K первой дополнительной обмотки 11, P секций 12", 12"",...12^P-1, 12^P второй дополнительной обмотки 12 и N секций 13", 13"", ...13^N-1, 13^N вторичной обмотки 13. Дополнительный источник 7 питания включает устройство 14 для зарядки конденсатора 15 (УКЗ), устройство 16 для зарядки неоднородной длинной линии 17 (УЗДП), первый 18 и второй 19 выключатели, а также второй 20 и третий 21 управляемые разрядники.

К выводам генератора 1 тока подключен первый управляемый разрядник 9, управляющий вход которого синхронизирован с входом "СТОП" генератора 1 тока. Первый вывод генератора 1 тока соединен с первым выводом секции 10" первичной обмотки через размыкатель 3", второй вывод секции 10" соединен через размыкатель 3"" с первым выводом секции 10"". Аналогично соединены между собой и остальные M-2 секции первичной обмотки. Второй вывод секции 10^M соединен со вторым выводом источника 1 тока.

Секции 11", 11"",...11^K-1, 11^K первой дополнительной обмотки индуктивного накопителя 2 энергии последовательно соединены между собой через размыкатели 4", 4"",...4^K-1 с взрывающимся проводником, при этом первая дополнительная обмотка подключена через размыкатель 4^K к дополнительному источнику 7 питания и согласно по отношению к первичной обмотке. Дополнительный источник 7 питания включает конденсатор 15, соединенный через первый выключатель 18 с УЗК 14, и неоднородную длинную линию 17, которая подключена через второй выключатель 19 к выходам УЗДП 16. Первый вывод конденсатора 15 и первый вывод неоднородной длинной линии 17 соединены между собой через последовательно соединенные второй 20 и третий 21 управляемые разрядники, общая точка соединения которых является первым выводом дополнительного источника 7 питания. Соединенные между собой вторые выводы конденсатора 15 и неоднородной длинной линии 17 являются вторым выводом дополнительного источника 7 питания.

Дополнительный источник 7 питания может быть выполнен и на других электронных компонентах, а также на трансформаторах. Основное требование к нему может быть сформулировано следующим образом: выходной импульс тока должен иметь экспоненциальный передний фронт и постоянство величины тока в течение 20-25 мкс в цепи с разогреваемыми током проводниками.

Число P секций второй дополнительной обмотки 12 определяется предельными значениями тока в нагрузке 8, поскольку при временах накопления энергии (меньших 1 мс) предельная плотность энергии магнитного поля зависит от механических и электрических свойств материалов обмоток. Суммарная площадь поперечного сечения секций 12" - 12^P второй дополнительной обмотки 12 в предпочтительном варианте выполнения устройства равна суммарной площади поперечного сечения секций 13" - 13^N и составляет 0,9-0,05 площади поперечного сечения первичной обмотки 10. В случае, когда P=N и секции 12" - 12^P имеет конфигурацию, идентичную конфигурации секций 13" - 13^N, целесообразно, чтобы секции 12" - 12^P попарно с секциями 13" - 13^N были расположены с небольшим (до 5% площади поперечного сечения секции) смещением друг относительно друга для обеспечения синхронизированного срабатывания плазменных прерывателей 5" - 5^P тока. Иными словами, необходимо, чтобы каждая силовая трубка 22" - 22^P магнитного поля, пронизывающего все поперечное сечение первичной обмотки 10 и первой дополнительной обмотки 11, была связана с одной секцией 12" - 12^P второй дополнительной обмотки 12 и, по крайней мере, с двумя секциями (13" - 13^N) вторичной обмотки 13. Площадь же поперечного сечения первой дополнительной обмотки 11 в предпочтительном варианте равна 1,0-0,95 площади поперечного сечения первичной обмотки 10.

Концы каждой секции 12" - 12^P подключены к соответствующему плазменному прерывателю (5" - 5^P) тока, а первые выводы каждой секции 13" - 13^N через соответствующий неуправляемый разрядник (6" - 6^N) соединены с первым выводом нагрузки 8, второй вывод которой соединен со вторыми выводами секций 13" - 13^N.

Индуктивный накопитель 2 энергии может быть выполнен цилиндрической или тороидальной конфигурации, при этом витки первичной обмотки 10, первой дополнительной обмотки 11, второй дополнительной обмотки 12 и вторичной обмотки 13 расположены в чередующейся последовательности и соединены между собой перемычками.

В ряде случаев целесообразно, чтобы один вывод каждой секции (10" - 10^M) был заземлен через соответствующий управляемый разрядник (23" - 23^M-1), а один из выводов каждой секции (12" - 12^P) был заземлен через соответствующий неуправляемый разрядник (24" - 24^P).

Предлагаемый генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью работает следующим образом.

В исходном состоянии размыкатели 3" - 3^M первой группы, в качестве которых используются быстродействующие (с временем гарантированного разрыва цепи 20-10 мкс) коммутаторы, например, мембранные, а также размыкатели 4" - 4^K второй группы, выполненные в виде взрывающихся проводников (проволочек), находятся в замкнутом положении. Плазменные прерыватели 5" - 5^P тока и неуправляемые разрядники 6" - 6^N находятся в непроводящем состоянии, а элементы дополнительного источника питания 7, конденсатор 15 и неоднородная длинная линия 17 заряжены соответственно до напряжений U₁ и U₂, причем U₁>U₂. Таким образом, в исходном состоянии какие-либо короткозамкнутые контуры отсутствуют.

После запуска генератора 1 тока в первичной обмотке индуктивного накопителя 2 энергии возбуждается электрический ток и начинается процесс накопления энергии в магнитном поле, связанным с током в первичной обмотке индуктивного накопителя 2 энергии. После достижения током в первичной обмотке 10 индуктивного накопителя 2 энергии заданного значения (в предпочтительном варианте - максимального значения) срабатывает управляемый разрядник 9 и одновременно выключается генератор 1 тока. После завершения формирования электрического разряда в межконтактном промежутке управляемого разрядника 9 срабатывает управляемый разрядник 20 и конденсатор 15, заряженный до напряжения - U₁, возбуждает ток в первой дополнительной обмотке 11 индуктивного накопителя 2 энергии, включенной согласно его первичной обмотке 10 и полностью охватывающей возбужденное ею магнитное поле. В результате в короткозамкнутой первичной обмотке 10 индуктивного накопителя 2 энергии величины тока будет уменьшаться, а в первой дополнительной обмотке 11 величина тока будет увеличиваться. При этом, величина запасенной магнитной энергии меняться не будет, если запасенная в конденсаторе 15 энергия будет больше величины первоначально запасенной в индуктивном накопителе 2 энергии, умноженной на величину



где L₁₀ и L₁₁ - соответственно индуктивность первичной 10 и первой дополнительной 11 обмоток индуктивного накопителя 2 энергии, а M - коэффициент их взаимоиндукции. При выполнении указанного выше условия через некоторый интервал времени ток в первичной обмотке 10 станет равным нулю, иными словами, возникает так называемая "пауза тока", а следовательно, условия для бездугового (т.е. без потерь энергии) разрыва замкнутой накоротко первичной обмотки 10 индуктивного накопителя 2 энергии. Таким образом, в момент наступления "пауза тока" в первичной обмотке 10 осуществляется срабатывание размыкателей 3" - 3^M. Однако длительность "паузы тока" в первичной обмотке 10 индуктивного накопителя 2 энергии должна быть достаточной для осуществления размыкателями 3" - 3^M гарантированного разрыва первичной обмотки 10 индуктивного накопителя 2 энергии. Число размыкателей 3" - 3^M выбирается из условия сохранения электрической прочности межконтактных промежутков размыкателей 3" - 3^M при возникновении скачков напряжения в момент вывода запасенной энергии в нагрузку 8.

Наличие же конденсатора 15 в цепи первой дополнительной обмотки 11 может привести к возникновению колебательного процесса, а именно: после разряда конденсатора 15 на индуктивность L₁₁ начнется обратный процесс передачи энергии. Для исключения возможности возникновения колебательного процесса и для обеспечения требуемой длительности "паузы тока" после достижения током в первичной обмотке 10 нулевого значения последовательно осуществляется размыкание управляемого разрядника 20 и замыкание управляемого разрядника 21, при этом необходимо, чтобы в момент размыкания напряжение на конденсаторе 15 было равно U₂. В результате к первой дополнительной обмотке 11 подключается неоднородная длинная линия 17, заряженная до напряжения U₂. Поскольку первая дополнительная обмотка 11 представляет собой чередующуюся последовательность секций 11" - 11^K и взрывающихся проводников, сопротивление которых за счет нагрева протекающего по ним тока увеличивается, то как показано в (Int. Conf. on High-Power Particle Beams, "Beams-92", Washington, May 25-29, 1992, pp. 425-430) использование заряженной неоднородной линии обеспечит постоянство величины тока в указанной выше цепи в течение 20-25 мкс. Этого времени вполне достаточно для гарантированного срабатывания мембранных размыкателей 3" - ^M.

С другой стороны, время, за которое ток в первичной обмотке 10 достигнет нулевого значения (момента наступления "паузы тока") зависит от величины емкости конденсатора 15 и напряжения на нем в момент срабатывания управляемого разрядника 20. При этом, чем меньше емкость конденсатора 15 и чем больше напряжение, до которого он первоначально заряжен, тем меньше интервал времени до момента наступления "паузы тока" в первичной обмотке 10 индуктивного накопителя 2 энергии. Таким образом, накопленная в заданном объеме (за достаточно большое время 0,1-5 с) магнитная энергия, связанная с током, протекающим по первичной обмотке 10, за существенно меньшее время 1,0-2,0 мкс с помощью дополнительного источника 7 питания (заряженного конденсатора 15 с энергией, величина которой на порядок меньше величины запасенной магнитной энергии) будет сохранена в том же объеме (заперта) с помощью тока, протекающего по другой обмотке, содержащей размыкатели 4" - ^K с взрывающимся проводником. Суммарная длина взрывающихся проводников (для обеспечения бездугового размыкания цепи) должна быть больше некоторого критического значения, зависящего от максимальной плотности протекающего по ним тока, при этом к моменту гарантированного срабатывания (разрыва цепи) размыкателей 3" - 3^M джоулева энергии, выделившаяся во взрывающихся проводниках размыкателей 4" - 4^K, должна быть равна энергии, необходимой для начала испарения металла, из которого выполнены взрывающиеся проводники. Время срабатывания размыкателей 4" - 4^K равно приблизительно 2 мкс.

Что касается плазменных прерывателей 5" - 5^P тока, то момент их запуска, осуществляемый после срабатывания управляемого разрядника 9, определяется временем, необходимым для создания требуемой концентрации и однородности плазмы в их межконтактных промежутках к моменту срабатывания размыкателей 4" - 4^K. Иными словами, необходимо, чтобы к моменту бездугового размыкателя цепи первой дополнительной обмотки 11 индуктивного накопителя 2 энергии секции 12" - 12^P второй дополнительной обмотки 12 были замкнуты накоротко.

Таким образом, в результате бездугового размыкания цепи первой дополнительной обмотки 12 индуктивного накопителя 2 энергии (согласно закону сохранения магнитного потока) ток в первой дополнительной обмотке, связанный со всей запасенной магнитной энергией, преобразуется в совокупность электрических токов, текущих в соответствующих секциях 12" - 12^P второй дополнительной обмотки 12 индуктивного накопителя 2 энергии. При этом наведенные (в результате коммутации цепи первой дополнительной обмотки 11) в каждой секции 12" - 12^P второй дополнительной обмотки токи будут связаны с той частью запасенной магнитной энергии, которая заключена в силовой трубке (22" - 22^P) магнитного поля, пронизывающей сечение соответствующей секции 12" - 12^P. Поскольку суммарная площадь сечений секций 12" - 12^P может быть равна 0,9-0,95 площади поперечного сечения первой дополнительной обмотки 11, а секции 12" - 12^P - замкнуты накоротко R"_н = 0, то эффективность передачи энергии из первой дополнительной обмотки 11 во вторую дополнительную обмотку 12 равна (0,9-0,95)R_к/R_к+R"_н0,9. Здесь следует отметить, что, поскольку первичная обмотка 10 индуктивного накопителя 2 энергии разделена на отдельные секции, то возникающие при размыкании цепи первой дополнительной обмотки 11 скачки потенциала на концах секций первичной обмотки 10" - 10^M имеют значения, которые не могут привести к пробою контактных промежутков размыкателей 3" - 3^M.

Под действием собственного магнитного поля, связанного с током, протекающим через каждый плазменный прерыватель 5" - ^P тока, происходит вытягивание плазменных шнуров за пределы соответствующих межконтактных промежутков. В результате чего через 100-150 нс происходит прерывание тока в секциях 12" - 12^P второй дополнительной обмотки 12 в момент достижения протекающим по ним током максимального значения.

В результате, в секциях вторичной обмотки 13" - 13^N наводятся ЭДС, происходит пробой разрядников - 6" - 6^N и накопленная энергия за короткий промежуток времени (поскольку суммарная индуктивность параллельно включенных секций 13" - 13^N вторичной обмотки 13 много меньше индуктивности первичной обмотки 10) выделяется в нагрузку 8.

Следует отметить, что для исключения возможных электрических пробоев предложенный генератор импульсов на индуктивном накопителе с трансформаторной связью может быть снабжен управляемыми разрядниками 23" - 23^M-1, срабатывающими одновременно с размыкателями 3" - 3^M и неуправляемыми разрядниками 24" - 24^P, срабатывающими автоматически при срабатывании плазменных прерывателей 5" - 5^P тока.

Предложенный генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью может быть использован в термоядерных установках.