способ вывода энергии из индуктивного накопителя энергии в нагрузку

Формула изобретения

1. Способ вывода энергии из индуктивного накопителя энергии в нагрузку, согласно которому через последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и замкнутые электроды вакуумного размыкателя пропускают в течение 0,5-1,0 с ток накачки индуктивного накопителя энергии, после достижения током накачки заданного значения осуществляют последовательно замыкание индуктивного накопителя энергии на электроды вакуумного размыкателя, включенного параллельно нагрузочной цепи, и разведение на заданное расстояние электродов вакуумного размыкателя с образованием между электродами дугового разряда, после чего осуществляют гашение дугового разряда путем пропускания через электроды вакуумного размыкателя импульса противотока, длительность которого не меньше времени, необходимого для восстановления электрической прочности межэлектродного промежутка вакуумного размыкателя с последующим формированием импульса тока в нагрузке, отличающийся тем, что вакуум поддерживают на уровне (5-8)10^-5 Торр, подвод тока накачки индуктивного накопителя энергии к электродам вакуумного размыкателя осуществляют посредством двух параллельных между собой и электрически связанных с соответствующим электродом вакуумного размыкателя шин, в каждой из которых выполнено сквозное отверстие, соосное электродам вакуумного размыкателя, электроды вакуумного размыкателя разводят на расстояние, равное 0,95-1,2 расстояния между параллельными шинами, с обеспечением одинакового зазора между шинами и соответствующим электродом по всему его периметру, перед окончанием импульса противотока заполняют межэлектродный промежуток вакуумного размыкателя плазмой с концентрацией 10¹² - 10¹⁴ см^-3, а формирование импульса тока в нагрузке происходит после окончания процесса уничтожения плазмы в межэлектродном промежутке под действием магнитного поля, создаваемого током, протекающим по параллельным шинам и заполненному плазмой межэлектродному промежутку.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что междуэлектродный промежуток заполняют плазмой за 3-4 мс, а задний фронт импульса противотока формируют с помощью размыкателя с взрывающейся проволочкой или фольгой.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что разведение электродов вакуумного размыкателя осуществляют с помощью индукционно-динамического механизма.

4. Способ по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что обеспечивают зазор между каждым электродом вакуумного размыкателя и охватывающей его по периметру шиной, равным 0,1-0,3 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сильноточной импульсной электроэнергетике, а более конкретно к способам коммутации тока в устройствах с индуктивными накопителями энергии (ИНЭ).

Основной и не решенной до сих пор проблемой при практической реализации мощных импульсных источников энергии с ИНЭ является создание мощной размыкающей коммутационной аппаратуры, способной преобразовать энергию порядка 10⁷-10⁸ Дж, накопленную за время порядка одной секунды, в импульс с длительностью 200-300 нс. В настоящее время для осуществления переключения тока накачки ИНЭ на нагрузку используются различные известные средства для коммутации цепей постоянного тока.

Из уровня техники известен способ вывода энергии из ИНЭ в нагрузку (авторское свидетельство SU - А - 955262, 1979 [1]), согласно которому в момент достижения током накачки ИНЭ требуемой величины через коммутируемый участок цепи, включенный параллельно нагрузочной цепи, от дополнительного источника питания пропускают импульс тока, направление которого противоположно направлению тока накачки ИНЭ, при равенстве нулю величины тока в коммутируемом участке цепи (при возникновении так называемой "паузы тока") осуществляют разведение электродов размыкателя, например вакуумного, включенного в коммутируемый участок цепи, на заданное расстояние, а импульс тока в нагрузочной цепи формируют путем отключения дополнительного источника питания. Известный способ относится к так называемым способам бездуговой коммутации (Физика и техника мощных импульсных систем. Сб. статей под ред. акад. Велихова Е.П. - М.: Энергоатомиздат, 1987 [2], с. 110-114), суть которых заключается в создании перед процессом коммутации условий, исключающих возможность возникновения дугового разряда между электродами размыкателя.

Основной недостаток известного способа вывода энергии из индуктивного накопителя энергии в нагрузку заключается в том, что он не обеспечивает высокой эффективности вывода энергии из ИНЭ. Действительно, параметром, определяющим эффективность вывода энергии из ИНЭ в нагрузку, является длительность заднего фронта импульса тока (противотока), создающего "паузу тока" в коммутируемом участке цепи. Отсутствие в настоящее время мощных (от 10¹² Вт и выше) размыкателей, способных обеспечить отношение длительности протекающего по ним тока (длительности "паузы тока") ко времени коммутации существенно меньше десяти, не позволяет обеспечить при реализации известного способа высокую эффективность вывода энергии из ИНЭ в нагрузку, так как даже при использовании для разведения электродов быстродействующих индукционно-динамических механизмов длительность "паузы тока" составляет более 2 мс.

Известен также способ вывода энергии из ИНЭ в нагрузку ([2], с.114-116), взятый в качестве прототипа, согласно которому после достижения током накачки ИНЭ заданного значения осуществляют разведение на заданное расстояние электродов размыкателя в коммутируемом участке цепи, который включен параллельно нагрузочной цепи, затем от дополнительного источника тока через коммутируемый участок цепи пропускают импульс тока, амплитуда которого равна, а направление противоположно соответственно величине и направлению тока дугового разряда, возникшего в результате разведения электродов размыкателя, при этом после восстановления электрической прочности межэлектродного промежутка размыкателя формируют импульс тока в нагрузку путем отключения дополнительного источника тока.

В предпочтительном варианте реализации этого известного способа вывода энергии из ИНЭ в нагрузку используются вакуумные размыкатели, поскольку они характеризуются наименьшим временем восстановления электрической прочности межэлектродного промежутка. Однако время восстановления электрической прочности вакуумного межэлектродного промежутка сильно зависит от величины коммутируемого тока. В интересуемом диапазоне коммутируемых размыкателем токов 1-10 кА время восстановления электрической прочности вакуумного промежутка, образованного медными электродами, монотонно увеличивается от 20 до 400 мкс. Иными словами, известный способ позволяет существенно уменьшить (по крайней мере в пять раз) длительность "паузы тока", а следовательно, увеличить по сравнению с [1] эффективность передачи энергии в нагрузку за счет уменьшения длительности заднего фронта импульса противотока в коммутируемом участке цепи. Кроме того, из уровня техники известны различные технические решения, направленные на снижение количества капельной фракции, образующейся в результате вакуумного дугового разряда в межэлектродном промежутке и играющей доминирующую роль в процессе восстановления электрической прочности вакуумного размыкателя. Во-первых, чем меньшее время существует дуговой разряд, тем меньше образуется капельной фракции в межэлектродном промежутке. При этом эрозионное воздействие дугового разряда наиболее сильное, когда расстояние между электродами невелико, поскольку в этом случае воздействие дуги на расплавленную массу материала электрода приводит к выдуванию металла из ванны расплавленного металла. В соответствии с вышесказанным разведение электродов осуществляют с помощью индукционно-динамических механизмов (Карпенко Л.Н. Быстродействующие электродинамические отключающие устройства. - Л.: Энергия, 1973 [3]), обеспечивающих высокую начальную скорость. Во-вторых, предложено создание в межэлектродном зазоре радиального и аксиального магнитных полей, обеспечивающих перемещение дуги по поверхности электродов (авторское свидетельство SU - А - 215281, 1968 [4]). При увеличении скорости перемещения дуги выделяемой ею мощности недостаточно для прогрева материала электродов на большую глубину, что приводит к еще большему уменьшению капельной фракции в межэлектродном зазоре (Раковский В.И. Физические основы коммутации электрического тока в вакууме. - М.: Наука, 1970, с. 437, 466 [5]).

Таким образом, использование в способе, взятом в качестве прототипа, указанных выше технических решений позволило бы, в принципе, обеспечить для интересуемого диапазона коммутируемых токов время восстановления электрической прочности межэлектродного промежутка не более 30-40 мкс. Иными словами, при использовании описанного выше способа можно обеспечить уменьшение в 50-100 раз длительности "паузы тока" по сравнению с [l]. Однако эти параметры на порядок хуже требований к мощной размыкающей аппаратуре, предъявляемых современной сильноточной импульсной электроэнергетикой.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по повышению эффективности передачи (вывода) энергии (накопленной за время порядка 1 с) из ИНЭ в нагрузку за счет уменьшения до 300-500 нс времени переключения тока накачки ИНЭ в нагрузку.

Поставленная задача решена тем, что в способе вывода энергии из индуктивного накопителя энергии в нагрузку, согласно которому через последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и замкнутые электроды вакуумного размыкателя пропускают в течение 0,5-1,0 с ток накачки индуктивного накопителя энергии, после достижения током накачки заданного значения осуществляют последовательно замыкание индуктивного накопителя энергии на электроды вакуумного размыкателя, включенного параллельно нагрузочной цепи, и разведение на заданное расстояние электродов вакуумного размыкателя с образованием между электродами дугового разряда, после чего осуществляют гашение дугового разряда путем пропускания через электроды вакуумного размыкателя импульса противотока, длительность которого не меньше времени, необходимого для восстановления электрической прочности межэлектродного промежутка вакуумного размыкателя с последующим формированием импульса тока в нагрузке, согласно изобретению вакуум поддерживают на уровне (5-8)10^-5 Торр, подвод тока накачки индуктивного накопителя энергии к электродам вакуумного размыкателя осуществляют посредством двух параллельных между собой и электрически связанных с соответствующим электродом вакуумного размыкателя шин, в каждой из которых выполнено сквозное отверстие, соосное электродам вакуумного размыкателя, электроды вакуумного размыкателя разводят на расстояние, равное 0,95-1,2 расстояния между параллельными шинами, с обеспечением одинакового зазора между шинами и соответствующим электродом по всему его периметру, перед окончанием импульса противотока заполняют межэлектродный промежуток вакуумного размыкателя плазмой с концентрацией 10¹²-10¹⁴ см^-3, а формирование импульса тока в нагрузке происходит после окончания процесса уничтожения плазмы в межэлектродном промежутке под действием магнитного поля, создаваемого током, протекающим по параллельным шинам и заполненному плазмой межэлектродному промежутку.

Кроме того, целесообразно межэлектродный промежуток заполнить плазмой за 3-4 мкс, а задний фронт импульса противотока формировать с помощью размыкателя с взрывающейся проволочкой или фольгой.

Предпочтительно также осуществлять разведение электродов вакуумного размыкателя с помощью индукционно-динамического механизма, а также обеспечивать зазор между каждым электродом и охватывающей его по периметру шиной равным 0,1-0,3 мм.

Преимущество предлагаемого способа перед известным заключается в том, что за счет преобразования (перед окончанием фазы "паузы тока") физических характеристик межэлектродного промежутка вакуумного ((5-8)10^-5 Торр) размыкателя (восстановившего свою электрическую прочность) путем заполнения его плазмой с концентрацией 10¹²-10¹⁴ см^-3, а также за счет обеспечения подвода тока накачки к электродам вакуумного размыкателя посредством двух параллельных шин со сквозными отверстиями, имеющими размер, обеспечивающий одинаковый зазор по всему периметру электродов вакуумного размыкателя относительно соответствующей шины, длительность импульса тока в нагрузке уменьшилась на порядок и составила 0,3-0,5 мкс.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной выше совокупностью существенных признаков требуемого технического результата. Естественно, что формы реализации изобретательского замысла не ограничены изложенным ниже примером, так как на основе нового технического решения, сформулированного выше, могут быть созданы и иные устройства на основе комбинаций других средств, но того же функционального назначения.

На фиг.1 схематично изображено устройство для осуществления предложенного способа; на фиг. 2 и 3 изображены последовательные фазы процесса плазменного разрыва цепи между электродами вакуумного размыкателя, при этом электроны и ионы условно показаны в виде кружочков со знаком минус и плюс соответственно, а их траектории - стрелками.

Устройство для осуществления предлагаемого способа вывода энергии из индуктивного накопителя энергии в нагрузку содержит ИНЭ 1, генератор 2 накачки, герметичную камеру 3, выполненную из диэлектрического материала и снабженную выходным окном 4, замыкатель 5, размыкатель 6 и импульсный источник 7 тока. Герметичная камера 3 подсоединена к вакуумной системе (на чертеже не показана) для создания в ее полости давления (5-8)10^-6 Торр. Внутри герметичной камеры 3 размещены: первый 8 и второй 9 электроды вакуумного размыкателя, которые установлены соосно напротив друг друга и с возможностью осевого перемещения; по крайней мере два плазменных генератора 10" и 10"", например эрозионные; разрядник 11; нагрузка 12 и две шины 13" и 13"", расположенные параллельно друг другу. Электроды 8 и 9 вакуумного размыкателя связаны с индукционно-динамическим механизмом (на чертеже не показан), обеспечивающим за время 2-3 мс разведение электродов 8 и 9 на расстояние, соответствующее 0,95-1,2 расстояния между шинами 13" и 13"", которое в предпочтительном варианте выполнения устройства равно 20-30 мм. Подвод электрического тока накачки к электроду 8 вакуумного размыкателя осуществляется посредством шины 13", которая электрически соединена с ним с помощью по крайней мере двух гибких токоподводов 14", 14"", а к электроду 9 - посредством заземленной шины 13"", которая соединена с ним с помощью по крайней мере двух гибких токоподводов 15" и 15"". В шинах 13" и 13"" соосно электродам 8 и 9 выполнены соответственно сквозные отверстия 16" и 16"", диаметр которых на 0,2-0,6 мм превышает внешний диаметр электродов 8 и 9 вакуумного размыкателя. Здесь следует отметить, что в случае выполнения электродов 8 и 9 иной формы сквозные отверстия 16" и 16"" должны иметь ту же форму, а их размеры выбираются из условия обеспечения одинакового зазора по периметру электродов 8 и 9, равного 0,1-0,3 мм. Шина 13" соединена через разрядник 11 с незаземленным выводом нагрузки 12, а также с вакуумным электрическим выводом 17. В шине 13" напротив каждого плазменного генератора 10" и 10"" выполнены соответственно сквозные отверстия 18" и 18"", предпочтительно щелевые. Число гибких токоподводов выбирается исходя из величины коммутируемого тока, при этом число и пространственное расположение гибких токоподводов выбирается таким, чтобы создаваемое ими (при протекании по ним электрического тока) в межэлектродном промежутке вакуумного размыкателя магнитное поле было минимальным.

Размыкатель 6 содержит взрывающуюся проволочку (фольгу) 19, подключенную, например, через управляемые разрядники 20", 20"" к емкостному накопителю 21.

Импульсный источник 7 тока содержит управляемый разрядник 22, неуправляемый разрядник 23 и формирующую LC-линию в виде N последовательных L_iC_i-цепочек, где i= 1, 2, ... N, при этом вывод индуктивности (первой) L₁C₁-цепочки соединен через управляемый разрядник 22 с первым выводом импульсного источника 7 тока. Выводы индуктивностей остальных N-1 L_jC_j-цепочек, где j=2, 3, . . . N, соединены между собой и через неуправляемый разрядник 23 также соединены с первым выводом импульсного источника 7 тока. Выводы конденсаторов всех N L_iС_i-цепочек соединены между собой и являются вторым (заземленным) выводом импульсного источника 7 тока. Точка соединения индуктивности и емкости первой L₁С₁-цепочки является третьим выводом (входом для зарядки емкости С₁) импульсного источника 7 тока, обеспечивающего на выходе импульс тока по форме близкой к прямоугольной.

Первый вывод ИНЭ 1 соединен с шиной 13", а его второй вывод соединен с незаземленным выводом генератора 2 накачки и через замыкатель 5 - с заземленной шиной 13". Первый вывод импульсного источника 7 тока через размыкатель 6 соединен с вакуумным электрическим вводом 17, а его второй вывод - заземлен. На фиг. 1 пунктиром показано положение электродов 8 и 9 вакуумного размыкателя в их исходном (замкнутом) состоянии. Иными словами, в исходном состоянии нагрузочная цепь (соединенные последовательно разрядник 11 и нагрузка 12) закорочены вакуумным размыкателем, включенным параллельно нагрузочной цепи. Следует также отметить, что при не слишком большой энергии импульса тока в нагрузке 12 сама нагрузка 12 и разрядник 11 могут быть размещены вне герметичной камеры 3. С другой стороны в ряде случаев может оказаться целесообразным (с точки зрения обеспечения высокой электрической прочности) размещение внутри герметичной камеры 3 и ИНЭ 1.

Способ вывода энергии из ИНЭ 1 в нагрузку 12 осуществляется следующим образом. Предварительно от источников постоянного напряжения (на чертеже не показаны) заряжают емкостный накопитель 21 и емкость первой L₁C₁-цепочки формирующей LС-линии. В исходном состоянии электроды 8 и 9 вакуумного размыкателя находятся в замкнутом состоянии (на фиг.1 показаны пунктиром), замыкатель 5 находится в разомкнутом состоянии, а размыкатель 6 - в замкнутом состоянии. Давление в камере 3 устанавливают на уровне (5-8)10^-6 Topp. Осуществляют запуск генератора 2 накачки. В результате в ИНЭ 1 возбуждается электрический ток накачки, который протекает также и через коммутируемый участок цепи, содержащий электроды 8 и 9 вакуумного размыкателя, находящегося в замкнутом положении. После достижения током накачки ИНЭ 1 заданного значения (за время 0,5-1,0 с), соответствующего максимуму накопленной в ИНЭ 1 энергии, осуществляют сначала отключение генератора 2 накачки от ИНЭ 1 путем подачи управляющего сигнала на замыкатель 5. В результате ИНЭ 1 оказывается замкнутым накоротко через электроды 8 и 9 вакуумного размыкателя. Затем осуществляют разведение электродов 8 и 9 вакуумного размыкателя путем подачи на индукционно-динамический механизм (раздвигающий электроды 8 и 9) управляющего сигнала. В результате между электродами 8 и 9 возникает вакуумный дуговой разряд постоянного тока, а ток накачки ИНЭ 1 будет протекать по контуру, образованному: шиной 13", гибкими токоподводами 14", 14"", электродом 8, дуговым разрядом, электродом 9, токоподводами 15" и 15"", шиной 13"", замыкателем 5 и ИНЭ 1.

По достижению электродами 8 и 9 крайних фиксированных положений, соответствующих требуемой величине межэлектронного зазора, через коммутируемый участок цепи, содержащий электроды 8 и 9, пропускают прямоугольный импульс тока (противоток от импульсного источника 7 тока), амплитуда которого равна, а направление противоположно соответственно величине и направлению тока дугового разряда в межэлектродном зазоре. Для этого подают сигнал на срабатывание управляемого разрядника 22. В результате происходит пробой неуправляемого разрядника 23 и конденсатор первой L₁C₁-цепочки формирующей LC-линии начинает разряжаться через коммутируемый участок цепи, содержащий разведенные электроды 8 и 9, и одновременно заряжать элементы L_jС_j-цепочек формирующей LС-линии. При равенстве абсолютных величин тока дугового разряда и противотока в коммутируемом участке цепи горение дугового разряда прекращается и начинаются процессы, восстанавливающие электрическую прочность межэлектродного зазора. Длительность импульса тока (противотока) на выходе импульсного источника 7 тока должна (как и в прототипе) быть достаточной для полного восстановления электрической прочности межэлектродного зазора. Как было показано выше время восстановления электрической прочности межэлектродного зазора зависит от конкретных конструктивных особенностей используемого вакуумного размыкателя и является либо его паспортным параметром либо может быть предварительно определена на основании его испытаний по методике, описанной, например в (IEEE Trans. Power Appar. Syst. PAS- 101:775, 1982).

За время, равное 3-4 мкс, до подачи сигнала на отключение импульсного источника 7 тока включают плазменные генераторы 10" и 10"". Потоки плазмы от этих генераторов через соответственно отверстия 18" и 18"", выполненные в шине 13", поступают в пространство между шинами 13" и 13"", в результате происходит заполнение плазмой 24 промежутка между электродами 8 и 9. Параметры и число плазменных генераторов выбирают исходя из условия обеспечения полного заполнения межэлектродного промежутка плазмой с концентрацией 10¹²-10¹⁴ см^-3 за 3-4 мкс.

После достижения необходимой концентрации плазмы 24 в вакуумном межэлектродном промежутке отключают импульсный источник 7 тока. Для этого к проволочке (фольге) 19 через управляемые разрядники 20" и 20"" подключают емкостный накопитель 21. В результате протекающего по проволочке 19 тока разряда емкостного накопителя 21 происходит ее нагрев с последующим взрывом. После окончания "паузы тока" в коммутируемом участке цепи ток, протекающий по ИНЭ 1, будет снова замыкаться через электроды 8 и 9, межэлектродный промежуток которых будет заполнен плазмой 24. В результате протекания электрического тока I_н через шины 13", 13"" и межэлектродный промежуток, образованный электродами 8 и 9 и заполненный плазмой 24, на плазму будет действовать сильное поперечное магнитное поле - , обусловленное протекающим током (1-10 кА). Под действием этого магнитного поля траектория движения электронов, которые эмитируются в плазму с электрода 9 (катода), будет искривляться, как показано на фиг.2. В результате в прикатодном слое плазмы будет наблюдаться быстрая убыль электронов за счет уменьшения их числа, поступающих с катода (электрода 9). Сопротивление прикатодного слоя плазмы начнет быстро возрастать, что приведет к разрыву цепи тока через электроды 8 и 9 за время 0,3-0,5 мкс (фиг.3). Разрыв тока в цепи между электродами 8 и 9 вызовет пробой разрядника 11, а следовательно, замыкание тока накачки ИНЭ 1 через нагрузку 12, которая может быть выполнена, например, в виде импульсного источника релятивистских электронов, выход которых из герметичной камеры 3 осуществляется через выходное окно 4.

Таким образом, осуществив накопление энергии в ИНЭ 1 за время порядка 1 с с использованием маломощного вакуумного размыкателя, позволяющего в лучшем случае получить импульс в нагрузке длительностью 3-5 мкс, а затем, преобразовав физические характеристики его межэлектродного промежутка таким образом, что они стали соответствовать характеристикам более мощного размыкателя, но который не может обеспечить время накопления энергии в ИНЭ более 10 мкс, стало возможным получить импульс тока в нагрузке длительностью 0,3-0,5 мкс и тем самым повысить эффективность передачи энергии, накопленной в ИНЭ 1, в нагрузку 12.

Предлагаемое изобретение может быть использовано не только для питания импульсных ускорителей электронных пучков, но также в источниках рентгеновского, нейтронного и лазерного излучений.