ИНДУКТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА

Полезная модель относится к импульсной технике и может быть использована для питания ускорителей, плазмотронов, лазеров и т.п.
Известен генератор импульсов тока на основе индуктивного накопителя, содержащий однофазный ударный генератор, подключенный через тиристор к индуктивному накопителю, вентиль, быстродействующий размыкатель и нагрузку [а.с. СССР №1294260, МКИ Н03К 3/53].
Недостатком такого устройства является наличие быстродействующего размыкателя, разрывающего шунтирующую цепь индуктивного накопителя в момент передачи накопленной энергии в нагрузку, что значительно увеличивает габариты и ухудшает надежность работы устройства.
Известен генератор импульсов тока, выбранный в качестве прототипа, содержащий однофазный ударный генератор, статорная обмотка которого подключена через первый тиристор к индуктивному накопителю, первый конденсатор, подключенный через коммутатор на часть витков статорной обмотки ударного генератора, второй, третий и четвертый тиристоры, второй конденсатор, последовательно включенные вентиль и нагрузку, включенные так, что параллельно первому тиристору подключены последовательно соединенные второй конденсатор и второй тиристор таким образом, что минусовая обкладка второго конденсатора подключена к аноду первого тиристора, а катод второго тиристора подключен к катоду первого тиристора, к точке соединения плюсовой обкладки второго конденсатора и анода второго тиристора подключен катод третьего тиристора, анод которого образует общую точку с выходным зажимом индуктивного накопителя, обкладкой первого конденсатора и выходным зажимом статорной обмотки ударного генератора. Параллельно индуктивному накопителю подключены четвертый тиристор, анодом соединенный с общей точкой, и цепь, содержащая последовательно соединенные сопротивление нагрузки и вентиль, анодом соединенный с общей точкой [а.с. №2017329, МПК Н03К 3/53, опубл. 30.07.94, Бюл. №14].
Недостатком такого устройства является то, что для накопления большого количества энергии необходима большая индуктивность обмотки индуктивного накопителя, поэтому при малом значении активного сопротивления нагрузки формируемый в нагрузке импульс тока будет иметь большую постоянную времени и, соответственно малую амплитуду и мощность. При питании, например лазеров, электрогидравлических устройств, плазмотронов необходим импульс тока, имеющий при заданной величине передаваемой энергии, в 5-10 раз большую амплитуду и соответственно в 25-100 раз большую мощность. Проведенные расчеты показывают, что обмотка индуктивного накопителя должна иметь при этом в 25-100 раз меньшую величину индуктивности, чем величина индуктивности, необходимой для накопления заданного количества энергии.
Задачей полезной модели является увеличение амплитуды и мощности импульса тока в нагрузке.
Данная задача достигается тем, что индуктивный генератор импульсов тока так же, как и устройство прототипа содержит однофазный ударный генератор, статорная обмотка которого подключена через первый тиристор к обмотке индуктивного накопителя, второй тиристор, подключенный параллельно обмотке индуктивного накопителя так, что катоды обоих тиристоров подключены к входному зажиму обмотки индуктивного накопителя, а выходной зажим обмотки индуктивного накопителя, анод второго тиристора и входной зажим статорной обмотки ударного генератора образуют общую точку.
Согласно полезной модели на ферромагнитном сердечнике индуктивного накопителя, размещена согласно включенная и индуктивно связанная с обмоткой индуктивного накопителя дополнительная обмотка, индуктивность которой в 25-100 раз меньше индуктивности обмотки индуктивного накопителя, причем параллельно дополнительной обмотке подключена ветвь с последовательно включенными третьим тиристором и нагрузкой.
Полезная модель имеет следующие преимущества перед устройством прототипа:
Благодаря размещению на ферромагнитном сердечнике индуктивного накопителя дополнительной обмотки, индуктивно связанной с обмоткой индуктивного накопителя, запасенная в обмотке индуктивного накопителя энергия через индуктивную связь передается в дополнительную обмотку.
Благодаря согласному включению обмоток направление тока в дополнительной обмотке совпадает с направлением открытого состояния третьего тиристора.
Поскольку дополнительная обмотка имеет величину индуктивности в 25-100 раз меньшую величины индуктивности обмотки индуктивного накопителя, то при параллельном подключении к дополнительной обмотке ветви с последовательно включенными третьим тиристором и нагрузкой, формируемый импульс тока в нагрузке будет иметь малое значение постоянной времени, в 5-10 раз большую амплитуду и в 25-100 раз большую мощность.
На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема устройства, на фиг.2 - графики ЭДС и тока статорной обмотки ударного генератора, тока в обмотке индуктивного накопителя, импульса тока в нагрузке.
Индуктивный генератор импульсов тока содержит однофазный ударный генератор, статорная обмотка 1 которого (фиг.1), подключена через первый тиристор 2 к обмотке индуктивного накопителя 3. Параллельно обмотке индуктивного накопителя 3 включен второй тиристор 4, так что катоды обоих тиристоров подключены к входному зажиму обмотки индуктивного накопителя 3, а выходной зажим обмотки индуктивного накопителя 3, анод второго тиристора 4 и входной зажим статорной обмотки ударного генератора 1 образуют общую точку. Входной зажим дополнительной обмотки 5 подключен к выходному зажиму нагрузки 7, входной зажим которой подключен к катоду третьего тиристора 6, а выходной зажим дополнительной обмотки 5 подключен к аноду третьего тиристора 6, вследствие чего обмотки имеют согласное включение.
1
2
3
5
6
н
уд
н
уд
7
8
Устройство работает следующим образом. Ударный генератор приводится во вращение и в его статорной обмотке 1 возбуждается ЭДС 8 (фиг.2). В момент времени t включается первый тиристор 2, подключающий генератор 1 к обмотке индуктивного накопителя 3. По цепи генератор 1 - первый тиристор 2 - обмотка индуктивного накопителя 3 начинает протекать ток 9. В момент времени t, когда ЭДС генератора переходит нулевое значение и ток 9 начнет уменьшаться, срабатывает второй тиристор 4, шунтирующий обмотку индуктивного накопителя 3. Через обмотку индуктивного накопителя 3 и второй тиристор 4 начинает протекать ток 10, а ток 9 статорной обмотки 1 ударного генератора уменьшается до нуля и в момент времени t первый тиристор 2 закрывается. В момент времени t4 вновь срабатывает первый тиристор 2, ток статорной обмотки 1 ударного генератора растет и в момент времени t становится равным току 10 второго тиристора 4, при дальнейшем увеличении тока статорной обмотки 1 ударного генератора ток второго тиристора 4 упадет до нуля и второй тиристор 4 закрывается. В момент времени t, когда ток статорной обмотки 1 ударного генератора достигнет максимума, вновь срабатывает второй тиристор 4, шунтирующий обмотку 3 индуктивного накопителя. Таким образом, идет процесс накопления энергии в обмотке индуктивного накопителя, осуществляемый за 10-30 периодов ЭДС 8. На фиг.2 представлены всего лишь три периода ЭДС, что вполне достаточно для пояснения принципа работы устройства. Амплитуда импульса тока с каждым циклом накопления увеличивается и может достигнуть тока внезапного короткого замыкания ударного генератора, а энергия, запасаемая в обмотке индуктивного накопителя, может в несколько раз превышать электромагнитную энергию ударного генератора. Например, при соотношении индуктивного сопротивления обмотки индуктивного накопителя X и ударного сопротивления Х статорной обмотки ударного генератора X/Х=8 в обмотке индуктивного накопителя можно сосредоточить энергию равную 3.75 энергии внезапного короткого замыкания ударного генератора [Сипайлов Г.А., Хорьков К.А. Генераторы ударной мощности. М.: Энергия, 1979]. В момент времени t, когда ток статорной обмотки 1 ударного генератора в очередной раз достигнет максимума, срабатывает третий тиристор 6 и, так как второй тиристор 4 на последнем этапе не включается, энергия, запасенная в обмотке 3 индуктивного накопителя посредством индуктивной связи передается в дополнительную обмотку 5, которая благодаря согласному включению обмоток формирует в нагрузке 7 импульс тока 11. В момент времени t импульс тока 11 уменьшается до нуля, устройство возвращается в исходное состояние и цикл накопления повторяется вновь.
С помощью программы Electronics Workbenc были проведены исследования модели заявляемого устройства имеющего параметры: ЭДС статорной обмотки ударного генератора 1-220 В, частота - 50 Гц, индуктивность обмотки 3 индуктивного накопителя составила 1 Гн, суммарное активное сопротивление статорной обмотки и обмотки индуктивного накопителя - 0,3 Ом, индуктивность дополнительной обмотки 5-0,01 Гн, взаимная индуктивность - 0,1 Гн, коэффициент связи обмоток близкий к 1, суммарное активное сопротивление дополнительной обмотки 5 и нагрузки 7-0,1 Ом. Величина тока, запасаемого в обмотке 3 индуктивного накопителя составила 200 А. При исследовании работы по схеме прототипа, т.е. при подключении ветви с нагрузкой 7 и третьим тиристором 6 параллельно обмотке 3 индуктивного накопителя, в нагрузке 7 формируется импульс тока амплитудой 200 А, длительностью 4 с и максимальной мощностью 4 кВт. При исследовании работы заявляемого устройства в нагрузке 7 формируется импульс тока амплитудой 2 кА, длительностью 0,4 с и максимальной мощностью 400 кВт.
Таким образом, размещение на ферромагнитном сердечнике индуктивного накопителя согласно включенной и индуктивно связанной с обмоткой индуктивного накопителя дополнительной обмотки, имеющей величину индуктивности в 25-100 раз меньшую индуктивности обмотки индуктивного накопителя, с подключенной параллельно дополнительной обмотке ветви с последовательно включенными третьим тиристором и нагрузкой позволяет в 5-10 раз увеличить амплитуду и в 25-100 раз увеличить мощность импульса тока в нагрузке.