ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
HIGH-VOLTAGE PULSE GENERATOR FOR ELECTRODISCHARGE TECHNOLOGIES

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для использования в электроразрядных технологиях, таких как дезинтеграция горных пород, снятия поверхностного слоя железобетонных конструкций, дробления мелкодисперсных частиц в растворах и т.п. мощными искровыми разрядами, канал которых внедряется в твердое тело, разрушая его.
12
6
Особенности электроразрядных технологий, где в качестве инструмента используется искровой разряд в жидкости или твердых телах, накладывает жесткие требования к параметрам импульсных генераторов [Семкин Б.В., Усов А.Ф., Курец В.И. Основы электроимпульсного разрушения материалов. - Апатиты: КНЦ РАН, 1995, 267 с.]. Основные из них: частота повторения (10-30) имп/с, способность работать практически на короткое замыкание после пробоя рабочего промежутка, когда сопротивление канала искры уменьшается до десятых долей Ом за время (100-200) нс, обеспечивая ток в разряде (10-20) кА, напряжение на промежутке до пробоя (250-400) кВ, т.е. импеданс не более (30-50) Ом, причем крутизна фронта импульса должна быть не менее (1-5)·10 B/c. Кроме того, ресурс работы всех элементов генератора должен быть не менее 10 импульсов.
Известны высоковольтные импульсные генераторы [Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. Переходные (электрические) процессы в установках электроимпульсной технологии. Л.: Наука, 2000, 189 с.], содержащие конденсаторы, искровые разрядники, зарядные резисторы или индуктивности, источник зарядного напряжения. В таких генераторах импульс, прикладываемый к рабочему промежутку, формируется при последовательном разряде конденсаторов через искровые разрядники. Для эффективности разрушаемого действия параллельно генератору импульсного напряжения подключают генератор импульсного тока, обеспечивающий основной энерговклад в канал разряда. В таких устройствах наличие большого количества последовательно включенных конденсаторов и искровых разрядников приводит к значительному уменьшению крутизны фронта импульса и ограничению частоты повторения импульсов, а также снижению надежности.
Известен также высоковольтный импульсный генератор [Кривоносенко А.В., Семкин Б.В. Генератор высоковольтных импульсов, ПТЭ, 1982, №6, с.73-75], содержащий конденсатор, искровой разрядник, импульсный трансформатор, нелинейную обостряющую линию. Формирование импульса напряжения происходит при разряде конденсатора через искровой разрядник на первичную обмотку трансформатора, ко вторичной обмотке которого подключена нагрузка, а обострение импульса осуществляется нелинейной линией на основе ферритовых сердечников, являющихся также сердечниками трансформатора. В таком генераторе импульсный трансформатор обладает повышенными индуктивностью рассеяния, индуктивностью монтажа и волновым сопротивлением.
В качестве прототипа выбран погружной электроразрядный генератор [RU, патент №2340081, бюл. №33, 2008], содержащий емкостный накопитель - полосковую формирующую линию, неуправляемый многоканальный искровой разрядник, повышающий импульсный трансформатор и согласующую коаксиальную линию. Полосковая формирующая линия подключена к многоканальному неуправляемому искровому разряднику с анодным делителем тока и импульсному трансформатору с ферромагнитным сердечником. Высоковольтные шпильки (являющиеся высоковольтным электродом) - выводы вторичной обмотки импульсного трансформатора подключены к электроду бурового наконечника через согласующую линию. В таком генераторе применение неуправляемого многоканального искрового разрядника, работающего в режиме самопробоя, не обеспечивает инициирование разряда в каждом искровом промежутке, поскольку напряжения самопробоя искровых промежутков могут значительно отличаться, даже если геометрия искровых промежутков одинакова. Использование анодного делителя эффективно только в случае, когда разряд инициируется в каждом искровом промежутке и необходимо уровнять токи в искровых каналах.
Недостатком полосковой формирующей линии является краевой эффект, проявляющийся в возникновении на краях полосковых электродов линий повышенной напряженности электрического поля, которая превышает среднюю напряженность электрического поля в диэлектрике линий и может привести к пробою. Все это приводит к уменьшению крутизны фронта импульса на рабочем промежутке, снижению надежности и ресурса всего устройства.
Задачей изобретения является создание высоковольтного импульсного генератора для электроразрядных технологий с высокими надежностью и ресурсом.
Технический результат изобретения заключается в увеличении крутизны фронта импульса, уменьшении волнового сопротивления, повышении надежности и ресурса генератора.
Указанный технический результат достигается тем, что в высоковольтном импульсном генераторе для электроразрядных технологий, содержащем, как и прототип, размещенные в одном цилиндрическом корпусе и соединенные последовательно многоканальный искровой разрядник, емкостный накопитель и импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником и высоковольтным электродом, в отличие от прототипа, каждый искровой промежуток многоканального искрового разрядника снабжен управляющим электродом, соединенным через резистор с заземленным электродом, который служит крышкой многоканального искрового разрядника, и через конденсатор и кабель с анодом дополнительно введенного стартового разрядника.
Целесообразно, чтобы емкостный накопитель был выполнен из параллельно соединенных цилиндрических конденсаторов.
Целесообразно также, чтобы ферромагнитный сердечник и высоковольтный электрод импульсного трансформатора были электрически соединены.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 приведено осевое сечение высоковольтного импульсного генератора для электроразрядных технологий, на фиг.2 - электрическая схема генератора, на фиг.3 приведено сечение (А-А) фиг.1.
Сущность изобретения рассмотрим на примере выполнения высоковольтного импульсного генератора для электроразрядных технологий. Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий содержит расположенные в одном цилиндрическом корпусе 1 многоканальный искровой разрядник 2, емкостный накопитель 3, соединенный с многоканальным искровым разрядником 2 и импульсным трансформатором с ферромагнитным сердечником 4.
Многоканальный искровой разрядник 2 размещен в диэлектрическом корпусе 5 и содержит шестнадцать искровых промежутков тригатронного типа. Каждый искровой промежуток образован анодами 6 и заземленным электродом, который служит крышкой 7 многоканального искрового разрядника 2. В заземленной крышке 7 напротив анодов 6 размещены управляющие электроды 8. Аноды 6 снабжены ферромагнитными сердечниками 9, являющимися анодным делителем тока. Каждый управляющий электрод 8 соединен через резистор 10 с заземленной крышкой 7 и через конденсатор 11 и кабель 12 с анодом стартового разрядника 13 (фиг.2).
Емкостный накопитель 3 собран из параллельно соединенных цилиндрических конденсаторов 14 (фиг.3), одни выводы которых присоединены к анодам 6 многоканального искрового разрядника 2, а другие к импульсному трансформатору.
Импульсный трансформатор с ферромагнитным сердечником 4 имеет первичный виток, образованный цилиндрическим корпусом 1 генератора, диском 15 с отверстиями, цилиндром 16 и электродом 17, к которому подсоединены конденсаторы 14. Вторичная обмотка импульсного трансформатора выполнена из шести секторных обмоток 18, радиально расположенных вокруг ферромагнитного сердечника 4. Секторные обмотки 18 намотаны по спирали медной лентой и включены по схеме автотрансформатора по отношению к первичному витку. Индуцированное напряжение на секторных обмотках 18 прикладывается к высоковольтному электроду 19, имеющему электрический контакт с ферромагнитным сердечником 4, и выводится через дисковый 20 и два конусных 21, 22 изоляторы на рабочий инструмент, в данном примере на электрод бурового наконечника 23.
На фиг.2 приведена электрическая схема, в которой преобразователь напряжения 24 является источником зарядного напряжения конденсатора 25. Разрядная цепь конденсатора 25 образована первичной обмоткой зарядного трансформатора 26 и коммутирующим тиристором 27, который запускается от блока управления 28. Один вывод вторичной обмотки зарядного трансформатора 26 соединен с емкостным накопителем 3 и через индуктивность 29 и резистор 30 с анодом стартового разрядника 13, который через кабель 12 и конденсаторы 11 соединен с управляющими электродами 8 многоканального искрового разрядника 2 (фиг.1). Второй вывод вторичной обмотки зарядного трансформатора 26 соединен через одну обмотку дросселя насыщения 31 с пусковым электродом стартового разрядника 13, а через другую - с землей. Часть этой обмотки дросселя насыщения 31 закорочена диодом 32. На электрической схеме (фиг.2) показаны связанные витками 33 ферромагнитные сердечники 9, образующие анодный делитель тока многоканального искрового разрядника 2 (фиг.1). Выход преобразователя напряжения 24 зашунтирован конденсатором фильтра 34 и цепью с диодом 35 и дросселем 36.
Работа генератора заключается в следующем. При подаче напряжения (3 Ф×380 В) на вход преобразователя напряжения 24 (фиг.2) последний постоянным током заряжает конденсатор 25 через первичную обмотку зарядного трансформатора 26 до требуемого напряжения. При этом происходит размагничивание сердечника зарядного трансформатора 26. Затем от блока управления 28 запускается коммутирующий тиристор 27 и конденсатор 25 разряжается на первичную обмотку зарядного трансформатора 26. Частота срабатывания коммутирующего тиристора 27 определяет частоту следования импульсов напряжения. Появляющееся напряжение на вторичной обмотке зарядного трансформатора 26 подается на зарядку емкостного накопителя 3 и через индуктивность 29 и резистор 30 на анод стартового разрядника 13, и далее по кабелю 12 через конденсаторы 11 и резисторы 10 на управляющие электроды 8 многоканального искрового разрядника 2 (фиг.1), обеспечивая необходимые потенциалы на его анодах 6 и управляющих электродах 8 относительно заземленной крышки 7. В момент времени, когда напряжение на емкостном накопителе 3 достигает максимального значения, ток его заряда переходит нулевое значение, дросселем насыщения 31 и диодом 32 формируется импульс напряжения, который запускает стартовый разрядник 13. При срабатывании стартового разрядника 13 напряжение на управляющих электродах 8 искровых промежутков многоканального искрового разрядника 2 инвертируется, вызывая коммутацию последнего и разряд емкостного накопителя 3 на первичный виток импульсного трансформатора, при этом на высоковольтном электроде 19 его вторичной обмотки 18 (фиг.1) индуцируется высокое напряжение, которое прикладывается на электрод бурового наконечника 23. Для деления тока в искровых промежутках многоканального искрового разрядника 2 используется анодный делитель тока, выполненный на ферромагнитных сердечниках 9 с витками 33. При опережающем пробое в одном или нескольких искровых промежутках многоканального искрового разрядника 2, за счет перемагничивания сердечников 9 с витками 33, в невключившиеся промежутки дополнительно индуцируется ЭДС, что совместно с инвертированием напряжения на управляющих электродах 8 вызывает пробой всех искровых промежутков, а в витках 33 устанавливается ток, равный половине тока, протекающего через отдельный искровой промежуток.
После коммутации многоканального искрового разрядника 2 на конденсаторе 25 и емкостном накопителе 3 остается напряжение, которое может быть отрицательным. При следующем зарядном импульсе напряжение на конденсаторе 25 может быть больше требуемого и возможен пробой коммутирующего тиристора 27, что недопустимо. Поэтому применена схема рекуперации неиспользованной энергии в конденсатор фильтра 34, через цепь диода 35 и дросселя 36.
Таким образом, снабжение каждого искрового промежутка многоканального искрового разрядника 2 управляющим электродом 8, соединенного через резистор 10 с заземленной крышкой 7 и через конденсатор 11 и кабель 12 с анодом дополнительно введенного стартового разрядника 13, надежно обеспечивает разряд в каждом искровом промежутке и коммутацию многоканального искрового разрядника в целом, что приводит к значительному уменьшению разрядного контура и увеличению крутизны фронта импульса. Использование конденсаторов 14 в емкостном накопителе 3 исключает краевые эффекты в последнем, что увеличивает надежность и ресурс всего генератора. Кроме этого, для уменьшения волнового сопротивления ферромагнитный сердечник 4 импульсного трансформатора электрически соединен с высоковольтным электродом.
Таким образом, заявленный технический результат: увеличение крутизны фронта, уменьшение волнового сопротивления, повышение надежности и ресурса генератора, считаем доказанным.