СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТРАНСФОРМАТОРНЫМИ ИНДУКТИВНЫМИ НАКОПИТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ НА НАГРУЗКЕ
METHOD OF FORMING NANOSECOND PULSES BY TRANSFORMER INDUCTIVE ENERGY STORAGE IN LOADING

12
Изобретение относится к мощной импульсной технике, а более конкретно к способу формирования импульсов наносекундной длительности большой мощности более 10 Ватт трансформаторными индуктивными накопителями энергии (ТИНЭ).
0
0
Из уровня техники известны различные устройство по генерации импульсов наносекундной длительности мощных большой мощности, наиболее распространенными являются генераторы Аркадьева-Маркса (Кремнев В.В., Месяц Г.А. «Методы умножения и трансформация импульсов в сильноточной электронике» - Новосибирск, Наука, 1987, с. 33) включающее в себя N конденсаторов заряжаемых параллельно до напряжения U от общего источника постоянного напряжения, а разряжаются последовательно на нагрузку с напряжением N⋅U.
Недостаток известного устройства заключается в том, что при высокой мощности и наносекундной длительности импульса, оно дорого и обладает большим объемом, поскольку малоиндуктивные высоковольтные конденсаторы имеют низкую плотность энергии и высокую стоимость. С ростом энергии импульса, например мегаджоуль и более, размеры и стоимость генератора становятся существенными, что сдерживает развитие мощной импульсной техники.
Известны также устройства по использованию ТИНЭ для генерации импульсов большой мощности, которые обладают высокой плотность энергии и низкой стоимостью, включающее в себя ТИНЭ, ключ, нагрузку, взятый в качестве прототипа («Накопители энергии: Учеб. пособие для вузов» / Под ред. Д.А. Бута. - М.: Энергоатомиздат, 1991. с. 102.)
Недостаток этого устройства заключается в том, что такие устройства не способны сформировать наносекундный импульс большой мощности, поскольку время накопления энергии в ТИНЭ составляет порядка секунды и более, а современные размыкатели не позволяют обеспечить отношение между временем пропускания тока и временем надежного разрыва тока более 10÷20, а используемые многоступенчатые размыкатели ограничены по мощности на нагрузке мощностью первой ступени (там же с. 117). Дополнительно, если при омической нагрузке, передний фронт импульса будет определяться свойствами размыкателя, а именно изменением во времени его сопротивления, то задний фронт импульса будет спадать с постоянной времени , где L - индуктивность вторичной обмотки, R - сопротивление нагрузки, что в свою очередь, не позволяет сформировать наносекундный импульс.
Для понимания сути изобретения следует отметить что современные размыкатели разделяются на несколько способов разрыва электрической цепи с индуктивным накопителем: -дуговые и бездуговые [Б.А. Ларионов, А.М. Столов, Н.А. Ахмеров «Коммутирующая аппаратура для импульсных источников энергии на основе индуктивных накопителей» в книге «Физика и техника мощных импульсных систем» Сб.ст. / Под ред. Е.П. Велихова. М: Энергоатомиздат, 1987. с. 105], но ни одна из рассматриваемых методов не позволяет обеспечить наносекундный разрыв цепи с высокой эффективность.
Для преодоления этой проблемы а именно создание короткого заднего фронта существует решение называемое «кроу-бар», часто используемое в импульсной технике, действие которого заключается в замыкании нагрузки, т.е. параллельно нагрузке подключается ключ, который замыкается в момент максимума тока и тем самым формирует задний фронт импульса [Г. Кнопфель «Сверхсильные импульсные магнитные поля» Изд-во «Мир», М.: 1972, с. 161].
Недостаток данного решения заключается в том, что в этом случае вторичная обмотка оказывается короткозамкнутой и энергия, оставшаяся в ТИНЭ, преобразуется в тепло вторичной обмотки, что при больших энергиях может привести его перегреву и деформации или разрушению конструкции вторичной обмотки.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по эффективному формированию наносекундного импульса большой мощности, посредством ТИНЭ с возможностью использовать не потраченную энергию вторично, с одновременным обеспечением соотношение между временем накопления энергии в ТИНЭ и временем вывода ее в нагрузку при формировании наносекундного импульса и обеспечением возможности вторичного использования остаточной энергии.
Настоящее изобретение решает техническую задачу с использованием явления скин-эффекта. Скин-эффект, это явление диффузии магнитного поля через толщу проводящей оболочки. Это явление широко используется для экранирования аппаратуры от влияний импульсного электромагнитного поля [В.М. Михайлов «Импульсные электромагнитные поля» -Харьков. Вища школа, 1979, 140 с.]. Основную роль при экранировании играет время диффузии магнитного поля сквозь толщу оболочки. Для увеличения времени диффузии, как правило, используют магнитные экраны. Настоящее изобретение решает техническую задачу путем создания условий эффективного преобразования токов ТИНЭ в нагрузку посредством выбора толщины, удельного сопротивления не магнитного материала и его геометрических размеров.
н
н
Поставленная задача решена тем, что в способе формирования наносекундного импульса ТИНЭ на нагрузке содержащий ТИНЭ с первичной и вторичной обмотками, ключ, нагрузку величиной R, подсоединенную параллельно ключу, дополнительно содержит блок преобразования тока, и короткозамкнутую сплошную не магнитную высокоомную обмотку, распложенную между первичной и вторичной обмотками ТИНЭ и охватывающую первичную обмотку, причем толщина, удельное сопротивление немагнитного материала и геометрические размеры выбирается из условий минимума потерь энергии за время преобразования тока из первичной обмотки во вторичную обмотку, а при выводе энергии в нагрузку, в интервале времени 0<t<T/2 обеспечивается условие R(t)>>R, где Т длительность импульса; R(t) - сопротивление короткозамкнутой сплошной не магнитной высокоомной обмотки, зависящей от толщины, удельного сопротивления немагнитного материала и его геометрических размеров.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной выше совокупности 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 других средств, но того же функционального значения.
н
На Фиг. 1 представлена двухслойная плоская пластина для анализа проникновения импульсного поля через высокоомный проводящий слой 1, для пояснения эффективности явления скин-эффекта как способа формирования наносекундных импульсов ТИНЭ на преобразования тока, и короткозамкнутую сплошную не магнитную высокоомную обмотку, распложенную между первичной и вторичной обмотками ТИНЭ и охватывающую первичную обмотку, причем толщина, удельное сопротивление немагнитного материала и геометрические размеры выбирается из условий минимума потерь энергии за время преобразования тока из первичной обмотки во вторичную обмотку, а при выводе энергии в нагрузку, в интервале времени 0<t<T/2 обеспечивается условие R(t)>>R, где T длительность импульса; R(t) - сопротивление короткозамкнутой сплошной не магнитной высокоомной обмотки, зависящей от толщины, удельного сопротивления немагнитного материала и его геометрических размеров.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной выше совокупности 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 других средств, но того же функционального значения.
0
1
0
0
2
0
2
2
На Фиг. 1 представлена двухслойная плоская пластина для анализа проникновения импульсного поля через высокоомный проводящий слой 1, для пояснения эффективности явления скин-эффекта как способа формирования наносекундных импульсов ТИНЭ на нагрузке; на Фиг. 2 даны графики зависимости отношения амплитуд падающего магнитного поля H и максимального значения магнитного поля Н проникшего через высокоомный проводящий слой 1 от времени импульса при различных значениях удельного сопротивления высокоомного проводящего слоя 1, форма падающего импульса H(t)=Hsinωt, здесь значение ; на Фиг. 3 даны графики зависимости отношения амплитуд падающего магнитного поля Н и максимального значения магнитного поля Н проникшего через высокоомный проводящий слой 1 от времени импульса при различных значениях удельного сопротивления высокоомного проводящего слоя 1. Форма падающего импульса H(t)=H(sinωt), здесь значение t=T; на Фиг. 4 представлено устройство для осуществления предложенного способа формирования наносекундных импульсов ТИНЭ на нагрузке; на Фиг. 5 изображен вид I конструкции узла вывода ТИНЭ; на Фиг. 6 изображено вид II конструкции первичной обмотки и короткозамкнутой сплошной не магнитной высокоомной обмотки; на Фиг. 7 представлена электрическая схема для расчета формы импульсов и потерь при выводе энергии в нагрузку; на Фиг. 8 представлена зависимость от времени отношения токов во вторичной в первичной и омической нагрузке к первоначальному значению тока во вторичной обмотке; на Фиг. 9 представлен разрез кабеля для пояснения сути потерь токов при преобразовании тока из первичной обмотки во вторичную обмотку.
Устройство для осуществления предлагаемого способа формирования наносекундных импульсов ТИНЭ на нагрузке содержит кабельный ТИНЭ типа тор 3, состоящий из первичной 3.1 и вторичной 3.2 обмоток, ключа 4, нагрузки 5 и согласно изобретению дополнительно содержащий блок преобразования тока 6 и короткозамкнутую сплошную не магнитную высокоомную обмотку 7, в дальнейшем называемую высокоомная обмотка 7 и распложенную между первичной 3.1 и вторичной 3.2 обмотками ТИНЭ 3 и охватывающую первичную обмотку 3.1. Для наглядности и простоты объяснения в устройстве нагрузка 5 выбрана омической, а блок переноса тока состоит из ключа 6.1, конденсатора 6.2 и диода 6.3, а в качестве ключа 4 предполагается плазменный прерыватель тока (ППТ), конструкция и физический механизм разрыва которого хорошо известно и широко представлен в учебной литературе [Г.И. Долгачев, А.Г. Ушаков Характеристика и конструкция плазменных инжекторов для генерации мощных импульсов, Приборы и техника эксперимента №3, с. 1-16, 2004].
Для объяснения способа формирования импульсов ТИНЭ на нагрузке, предварительно, представим к рассмотрению физический механизм формирования импульса и теоретические расчеты.
-3
-3
-8
δ
0
Способ формирования импульсов ТИНЭ на нагрузке основан на явлении скин-эффекта. Явление скин-эффекта, это явление диффузии электромагнитного поля сквозь толщу проводника. Для наглядности, и, в качестве пояснения основ физического явления скин-эффекта, рассмотрим двухслойную плоскую пластину, представленную на Фиг. 1 где высокоомный слой 1 толщиной δ, например, смесь керамики с углеродом, например δ=10 м и удельным сопротивлением ρ=10 Ом⋅м, второй слой 2 это низкоомная подложка, например медь ρ=1.55⋅10 Ом⋅м, толщиной существенно превышающей δ.
δ
Рассмотрим параметры, такие как удельное сопротивление ρ, толщина δ высокоомного слоя 1, при котором высокоомный слой 1 проявляет необходимые свойства для формирования импульса. При этом предполагаем следующие условия - перпендикулярное падение однородной плоской волны на поверхность; и постоянство во времени электрофизических параметров высокоомного слоя 1 и низкокоомной подложки 2. При указанных условиях, линейная плотность тока будет равна  [Бухгольц Г. «Расчет электрических и магнитных полей» / Издательство Иностранной литературы, М.: 1961, с. 231]. Таким образом, при вычислении магнитного поля в проводниках вычисленное значение магнитного поля можно рассматривать как плотность протекающего тока.
Ниже представлено одномерное решение задачи по проникновению плоской волны импульсного электромагнитного поля в двухслойную плоскую пластину. В общем случае процесс проникновения импульсного магнитного поля в многослойную пластину описывается следующими уравнениями:
0
k
где H(z,t), E(z,t) напряженности соответственно магнитного и электрического полей; μ - магнитная проницаемость , ρ - удельное сопротивление в Ом⋅м, k - нумерация слоев. В рассматриваемом случае согласно Фиг. 1 k=δ при 0<z<δ, k=0 при δ<z<∞
k
Уравнения (1) и (2) решались численными методами, а именно методом прогонки по схеме «сквозного» счета без явного выделения точек разрыва при изменении удельного сопротивления ρ. Алгоритм прогонки хорошо известен и широко используется в численных расчетах [Самарский А.А. «Теория разностных схем» / Учебное пособие. - Наука, ГРФЛМ, М.: 1983, с. 257-279].
При расчетах использовались две формы импульса падающего магнитного поля:
1
2
1
- первая форма импульса падающего магнитного поля на высокоомный слой 1 имеет вид H(t)=Hsinωt, где Т - период импульса, время действия импульса . Такая форма импульса магнитного поля близка к форме импульса при преобразовании тока из первичной обмотки во вторичную обмотку;
2
0
2
2
2
- вторая форма импульса падающего магнитного поля на высокоомный слой 1 имеет вид H(t)=H(sinωt), где Т - период импульса, время действия импульса t=[0,T]. Такая форма импульса магнитного поля близка к форме импульса при выводе тока в нагрузку.
0
δ
5
4
3
2
1
2
2
2
Результаты вычислений представлены на Фиг. 2 и Фиг. 3, на которых даны отношения амплитуд падающего магнитного поля H на высокоомный слой 1 и максимального значения магнитного поля Н проникшего через высокоомный слой 1 в низкоомную подложку 2 от длительности падающего импульса, при различных значениях удельного сопротивления ρ=ρ>ρ>ρ>ρ>ρ высокоомного слоя 1 при постоянном значении толщины δ. На Фиг. 2 значение , причем значения  варьировались в широких пределах. На Фиг. 3 значение t=Т, причем значения Т варьировались в широких пределах.
Таким образом, если:
1
1
- допустить потерю магнитного поля при первой форме импульса менее η, что соответствует длительности времени преобразования тока из первичной во вторичную обмотки t>t;
2
2
- допустить потерю магнитного поля при второй форме импульса менее η, что соответствует длительности вывода энергии в нагрузку t<t;
1
2
- и при соблюдение условия t>>t;
то в этом случае омические свойства первого слоя 1 будут соответствовать свойствам формирователя импульса.
Рассмотрим проведенные расчеты с точки зрения процесса диффузии. Время диффузии электромагнитного поля в проводник толщиной δ можно определить как
диф
[В.В. Васильев, Л.Л. Коленский, Ю.А.Медведев, Б.Н. Степанов «Проводящие оболочки в импульсном магнитном поле.» - М.: Энергоатомиздат, 1982 с. 73]. Сопротивление выделенного участка на Фиг. 1 в интервале времени 0<t<t будет равно
диф
1
диф
δ
диф
δ
2
Таким образом, если зафиксировать время диффузии t, при соблюдении условия t>>t, то за счет выбора ρ, можно получить необходимую величину сопротивления R(t, ρ) участка Δh, Δx, Δy, которое обеспечивает минимальные потери менее η. Иными словами, сочетание указанных двух условий являются основой способа формирования наносекундных импульсов ТИНЭ на нагрузке. Представленные результаты расчетов подтверждают способ формирования наносекундных импульсов генераторами на ТИНЭ.
0
δ
1
0
0
Способ формирования наносекундных ТИНЭ на нагрузке осуществляется следующим образом. В исходном состоянии, от импульсного источника питания (на чертежах Фиг. 4, Фиг. 5, Фиг. 6 не показаны), заряжен конденсатор 6.2 блока преобразования тока 6, а в ТИНЭ накоплена энергия и в первичной обмотке 3.1 протекает ток I, межэлектродный зазор ключа 4 заполнен плазмой и ключ 4 находиться в проводящем состоянии. В блоке преобразования тока 6 включается ключ 6.1. В электрической цепи конденсатор 6.2, ключ 6.1, ключ 4, контакты b и а вторичной обмотки 3.2, и конденсатор 6.2 возникает колебательный процесс. При этом направление тока во вторичной обмотке 3.2 совпадает с направлением тока в первичной обмотке 3.1. Наличие взаимной индуктивности между первичной обмоткой 3.1 и высокоомной обмоткой 7, а также высокоомной обмоткой 7 и вторичной обмоткой 3.2 приводит к переносу тока из первичной обмотки 3.1 во вторичную 3.2 через изменяющееся во времени магнитное поле. Магнитное поле тока вторичной обмотки 3.2 проникает через высокоомную обмотку 7 в первичную обмотку 3.1, что приводит к уменьшению тока в первичной обмотке 3.1. При этом длительность процесса преобразования тока из первичной обмотки 3.1 во вторичную обмотку 3.2 значительно выше времени диффузии через δ, что минимизирует потери тока. По мере проникновения магнитного поля от вторичной обмотки 3.2, ток в первичной обмотке 3.1 снижается. Теоретический расчет этого процесса показан на Фиг. 2. При этом, если, для выбранного значения удельного сопротивления ρ и толщины δ высокоомной обмотки 7, время преобразования тока из первичной обмотки 3.1 во вторичную обмотку 3.2 будет соответствовать условию t>t то, при достаточной в конденсаторе 6.2 энергии, во вторичную обмотку будет преобразован весь ток величиной I. В момент достижения максимума тока I во вторичной обмотке 3.2 напряжение на конденсаторе 6.2 меняет полярность и диод 6.3 замыкает часть колебательной цепи конденсатор 6.2 и ключ 6.3, далее срабатывает ключ 4 при этом ток вторичной обмотки 3.2 ТИНЭ 3 за счет магнитной связи будет распределяться между нагрузкой 5 и, через магнитное поле, высокоомной обмоткой 7. По мере передачи тока в нагрузку в интервале времени  сопротивление высокоомной обмотки 7 будет определяться уравнением
δ
н
диф
2
н
где D - средний диаметр ТИНЭ 3, d - средний диаметр высокоомной обмотки 7. Именно в этом интервале должно соблюдаться условие R(t, ρ)>>R, далее при t>t сопротивление высокоомного слоя 7 будет снижаться что приведет к снижению тока в нагрузке, иными словами магнитное поле проникая через высокоомную обмотку 7 преобразуется в ток первичной обмотки 3.1 и общее сопротивление R(t) будет определятся комбинацией свойств высокоомной обмотки 7 и первичной обмотки 3.1. По достижении времени Т остаточный ток вторичной обмотки 3.2 полностью преобразуется в ток первичной обмотки 3.1, Поскольку сопротивление R(t)<<R таким образом импульс тока на нагрузке 5 будет равен нулю.
δ
Описанный процесс передачи энергии ТИНЭ 3 в нагрузку соответствует расчетам представленным на Фиг. 3. Иными словами передний фронт импульса на нагрузке 5 будет определяться свойствами ключа 4 и параметрами высокоомной обмотки 7, а спад импульса будет определяться комбинацией свойств высокоомной обмотки 7 и первичной обмотки 3.1, а именно толщиной δ, удельным сопротивлением ρ и геометрическими размерами высокоомной обмотки 7 и первичной обмотки 3.1.
1
1
2
2
1
2
н
н
На Фиг. 7 представлена общая электрическая схема, по которой в первом приближении моделировался процесс вывода энергии в нагрузку. На рисунке L, R(t) - индуктивность и сопротивление первичной обмотки соответственно, L, R(t) - индуктивность и сопротивление высокоомной обмотки 7, k' - коэффициент связи между обмотками; R(t), - модель высокоомной обмотки 7, a 0<R(t)<R - модель ключа 4, сопротивление которого изменяется от 0 до сопротивления нагрузки R.
На Фиг. 8 даны отношение максимального значения тока вторичной обмотки 3.2 к токам нагрузки 5, первичной обмотки 3.1 и вторичной обмотки 3.2 при временах разрыва характерных плазменному прерывателю тока. Из рисунка видно, что форма импульса на нагрузке 5 интервале времени  определятся свойствами ключа 4 и высокоомной обмотки 7, а после только комбинацией свойств высокоомной обмотки 7 и первичной обмотки 3.1.
Для более полного понимания энергетических потерь, что важно для подтверждения реализуемости способа необходимо отметить следующее обстоятельство, а именно преобразование тока из первичной обмотки 3.1 во вторичную обмотку 3.2 затрагивает только пространство между первичной обмоткой 3.1 и вторичной обмоткой 3.2. [Sadedin D.R.” Geometry of a Pulse Transformer for Electromagnetic Launching // IEEE Transaction on magnetic 1984. Vol. MAG-20, No. 2, pp. 381-384. Данная ссылка взята из книги «Накопители энергии»: Учеб. пособие для вузов /Д.А. Бут, Б.Л. Алиевский, С.Р. Мизурин, П.В. Васюкевич; Под ред. Д.А. Бута. - М.: Энергоатомиздат, 1991. с. 108].
ϕ
0
1
ϕ
На Фиг. 9 представлен поперечный разрез прямого кабеля, на котором показана жила 8 и оплетка 9, а также соответствующее распределение Н - компоненты магнитного поля при протекании тока по жиле 8 это соответствует максимальному значению магнитного поля ±Н на кривой 11 или оплетке 9 это соответствует максимальному значению магнитного поля ±H на кривой 12. Из распределения Н - компоненты магнитного поля видно, что при переносе тока из жилы 8 в оплетку 9 кабеля или наоборот необходимо соответственно убрать или добавить магнитное поле только в пространстве ограниченной внешней поверхностью оплетки 9, что показано заштрихованной областью рисунка. При добавлении сплошной высокоомной оплетки 10 расположенной между жилой 8 и оплеткой 9, при переносе тока из жилы 8 в оплетку 9 кабеля или обратно, необходимо компенсировать потери тока на диффузию через сплошную высокоомную оплетку 10.
L
1
C
1
1
2
3
По аналогии с вышесказанным, для ТИНЭ 3 при преобразовании тока из первичной обмотки 3.1 во вторичную обмотку 3.2 необходима энергия равная , где W энергия в ТИНЭ, k - коэффициент связи между первичной обмоткой 3.1 и вторичной обмоткой 3.2. При добавлении в конструкцию ТИНЭ 3 высокоомной обмотки 7 необходимо компенсировать потери магнитной энергии в высокоомной обмотке 7. При выборе потерь магнитного поля равной η, в энергию W необходимо добавить энергию равную . Таким образом, применительно к описанию настоящего изобретения энергия конденсатора 6.2 должна составлять W=W+ΔW. При этом произойдет полный перенос тока из первичной обмотки 3.1 во вторичную обмотку 3.2. Поскольку величина η<<1 по порядку величины составляет ~0.05÷0.1 то, дополнительная энергия ΔW конденсатора 6.2 незначительна. Для наглядности на Фиг. 9 указаны размеры кабеля r - радиус жилы 8, r средний радиус высокоомной оплетки 10, r - средний радиус плетки 9.
7
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет решить сразу три задачи обеспечить соотношение между временем накопления и временем вывода в нагрузку ~10 и более, сформировать наносекундный импульс большой мощности ТИНЭ на нагрузке, и использовать остаточный ток первичной обмотки 3.1 для генерации последующих импульсов.
Промышленная применимость изобретения подтверждается возможностью использования известных из уровня техники средств для его осуществления. Изобретение может быть использовано в импульсной технике, для генерации импульсов электромагнитного излучения, электронных и ионных пучков и т.д.