ТРАНСФОРМАТОРНО-ЕМКОСТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА

Полезная модель относится к импульсной технике и может быть использована для питания электрофизических установок: ускорителей, плазмотронов, лазеров и т.п.
Известен индуктивный генератор импульсов тока, содержащий однофазный ударный генератор, статорная обмотка которого через первый тиристор подключена к первичной обмотке трансформатора. Индуктивно связанная и согласно включенная с первичной обмоткой вторичная обмотка трансформатора последовательно соединена со вторым тиристором и нагрузкой. При этом третий тиристор, включен параллельно первичной обмотке трансформатора так, что катоды первого и третьего тиристоров оказываются подключенными к входному зажиму первичной обмотки трансформатора, а выходной зажим этой обмотки, анод третьего тиристора и входной зажим статорной обмотки ударного генератора образуют общую точку [патент РФ на полезную модель №87847, МПК Н03К 17/08 (2006.01), опубл.20.10.2009, Бюл. №29].
Недостатком индуктивного генератора импульсов тока является то, что при многих параметрах этих генераторов и их нагрузок невозможно добиться перехода тока первого тиристора через нулевое значение для его запирания, а также невозможно получить приемлемую скорость нарастания тока во вторичной обмотке трансформатора, что ограничивает применение и генерируемую мощность указанных генераторов.
Известен индуктивно-емкостной генератор импульсов тока, выбранный в качестве прототипа, содержащий однофазный ударный генератор, статорная обмотка которого через первый тиристор подключена к первичной обмотке трансформатора, параллельно которой подсоединен конденсатор. Индуктивно связанная и согласно включенная с первичной обмоткой вторичная обмотка трансформатора последовательно соединена со вторым тиристором и нагрузкой. При этом третий тиристор, включен параллельно первичной обмотке трансформатора и конденсатору так, что катоды первого и третьего тиристоров оказываются подключенными к входным зажимам первичной обмотки трансформатора и конденсатора, а выходные зажимы этой обмотки и конденсатора, анод третьего тиристора и входной зажим статорной обмотки ударного генератора образуют общую точку [патент РФ на полезную модель №107652, МПК Н03К 17/08 (2006.01), опубл. 20.08.11, Бюл.№23]. По сравнению с индуктивным генератором за счет конденсатора индуктивно-емкостной генератор имеет в 5…10 раз большую мощность и расширенные параметры генератора и нагрузок, когда ток первого тиристора переходит через нулевое значение и этот тиристор запирается.
Недостатком индуктивно-емкостного генератора импульсов тока является трудность управления третьим тиристором, который необходимо включать в определенные моменты времени, когда напряжение на конденсаторе равно нулю, а ток первичной обмотки трансформатора максимален. Наличие третьего тиристора снижает мощность и надежность индуктивно-емкостного генератора, а также усложняет эго конструкцию.
Задачей полезной модели является повышение мощности и надежности, а также упрощение конструкции генератора.
Данная задача достигается тем, что трансформаторно-емкостный генератор импульсов тока так же, как и в прототипе, содержит однофазный ударный генератор, статорная обмотка которого через первый тиристор подключена к первичной обмотке трансформатора, а индуктивно связанная и согласно включенная с первичной обмоткой вторичная обмотка трансформатора последовательно соединена со вторым тиристором и нагрузкой, причем параллельно первичной обмотке трансформатора включен конденсатор.
Согласно полезной модели катод первого тиристора подключен к входным зажимам первичной обмотки трансформатора и конденсатора, причем выходные зажимы первичной обмотки и конденсатора, а также входной зажим статорной обмотки ударного генератора образуют общую точку.
Полезная модель имеет следующие преимущества перед устройством прототипа:
благодаря включению двух тиристоров повышается мощность и надежность генератора, а также упрощается его конструкция.
На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема устройства, на фиг.2 - графики управляющего напряжения и токов генератора.
Трансформаторно-емкостный генератор импульсов тока (фиг.1) содержит однофазный ударный генератор, статорная обмотка 1 которого подключена через первый тиристор 2 к первичной обмотке 3 трансформатора. Параллельно первичной обмотке 3 трансформатора включен конденсатор 4. Индуктивно связанная и согласно включенная с первичной обмоткой 3 вторичная обмотка 5 трансформатора последовательно соединена со вторым тиристором 6 и нагрузкой 7.
1
2
3
4
7
8
Устройство работает следующим образом. Однофазный ударный генератор приводится во вращение и в его статорной обмотке 1 возбуждается синусоидальная ЭДС, разность которой с напряжением на конденсаторе 4 дает управляющее напряжение 8 (фиг.2). В момент времени t, когда напряжение 8 равно нулю и затем нарастает, включается первый тиристор 2, подключающий статорную обмотку 1 однофазного ударного генератора к первичной обмотке 3 трансформатора и конденсатору 4. Начинают протекать токи: по статорной обмотке 1 однофазного ударного генератора и первому тиристору 2 протекает ток 9, по конденсатору 4 - ток 10, по первичной обмотке 3 трансформатора - ток 11. В момент времени t, когда ток 9 переходит нулевое значение, первый тиристор 2 запирается. Через первичную обмотку 3 трансформатора и конденсатор 4 протекают равные по величине и противоположно направленные токи 10 и 11, а ток 9 статорной обмотки 1 однофазного ударного генератора равен нулю. В момент времени t, когда управляющее напряжение 8 равно нулю и затем нарастает, вновь включается первый тиристор 2, подключающий статорную обмотку 1 однофазного ударного генератора к первичной обмотке 3 трансформатора и конденсатору 4. В момент времени t, когда ток 9 переходит нулевое значение, первый тиристор 2 запирается. Через первичную обмотку 3 трансформатора и конденсатор 4 протекают равные по величине и противоположно направленные токи 10 и 11, а ток 9 статорной обмотки 1 ударного генератора вновь равен нулю и т.д. Амплитуды токов 10 и 11 нарастают, также увеличивается амплитуда напряжения на конденсаторе 4 - происходит накопление энергии в первичной обмотке 3 трансформатора и конденсаторе 4. В момент времени t, когда ток 11 первичной обмотки 3 трансформатора достигнет требуемого максимума, срабатывает второй тиристор 6, подключающий вторичную обмотку 5 трансформатора к нагрузке 7, в которой формируется импульс тока 12, протекающий по вторичной обмотке 5 трансформатора, второму тиристору 6 и нагрузке 7. В момент времени t, когда ток 12 переходит через нулевое значение, второй тиристор 6 запирается. Таким образом, накопленная от однофазного ударного генератора энергия в первичной обмотке 3 трансформатора и конденсаторе 4 выделяется в нагрузке 7. На фиг.2 представлены три импульса тока 9 статорной обмотки 1 однофазного ударного генератора, что вполне достаточно для пояснения принципа работы устройства.
С помощью программы Mathcad проведены исследования модели заявляемого устройства, имеющего параметры: амплитуда синусоидальной ЭДС статорной обмотки 1 однофазного ударного генератора -  В; частота - 50 Гц; индуктивность статорной обмотки 1 однофазного ударного генератора - 0,01 Гн; индуктивность первичной обмотки 3 трансформатора - 0,1 Гн; индуктивность вторичной обмотки 5 трансформатора - 0,001 Гн; взаимная индуктивность обмоток 3 и 5 трансформатора - 0,0096 Гн; добротности обмоток 1, 3, 5 - 25, 50, 100; емкость конденсатора 4 - 600 мкФ; сопротивление активной нагрузки 7 - 0,1 Ом. Получены за три импульса тока ударного генератора: максимальные значения токов 9, 10, 11, 12 - 344 А, 265 А, 162 А, 933 А; максимальное значение напряжения конденсатора - 1464 В; максимальная запасаемая энергия в первичной обмотке 3 трансформатора - 1315Дж; максимальная запасаемая энергия в конденсаторе 4 - 643 Дж; максимальная суммарная запасаемая энергия в первичной обмотке 3 трансформатора и конденсаторе 4 - 1401 Дж; энергия импульса тока 12 в нагрузке 7 - 1087 Дж; эффективность преобразования энергии, полученной от ударного генератора - 62,7%; средняя мощность ударного генератора - 20 кВт; максимальная мощность импульса тока 12 в нагрузке 7-87 кВт. При тех же параметрах прототип с тремя тиристорами имеет меньшую максимальную мощность в нагрузке, составляющую 57 кВт.
Таким образом, трансформаторно-емкостный генератор импульсов тока с двумя тиристорами отличается от прототипа в 1,5 раза большей мощностью, более высокой надежностью и более простой конструкцией.