ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в электрофизических установках с высоковольтными емкостными накопителями энергии.
Известен генератор импульсных напряжений [1], содержащий ряд накопительных конденсаторов, тиристорных коммутаторов, токоограничивающих дросселей, вспомогательный генератор импульсов и активную нагрузку.
Недостатком известного устройства является сложность силовой схемы, увеличенные его масса и габариты.
В качестве прототипа выбран известный генератор импульсных напряжений [2], содержащий последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор и активную нагрузку.
Общим недостатком известных устройств является значительная энергоемкость накопительного конденсатора, его масса и габариты при формировании в активной нагрузке прямоугольных импульсов из-за снижения напряжения в силовом контуре, подводимого к активной нагрузке, в процессе разряда накопительного конденсатора.
Предлагаемой полезной моделью решается задача снижения энергоемкости, массы и габаритов накопительных конденсаторов генераторов импульсных напряжений.
Технический результат от использования полезной модели состоит в постепенном увеличении напряжения в силовом контуре и поддержании величины тока и напряжения в активной нагрузке в пределах заданной нестабильности.
Указанный технический результат достигается с помощью генератора импульсных напряжений, содержащего зарядное устройство и последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку и тиристорный регулятор напряжения, включенный между накопительным конденсатором и коммутатором, содержащий N последовательно соединенных звеньев, каждое из которых содержит тиристор, к катоду которого присоединена отрицательная обкладка дополнительного накопительного конденсатора, а положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора присоединена аноду тиристора смежного звена, причем анод тиристора первого звена подключен к положительному выводу дополнительного зарядного устройства, а катод тиристора последнего звена присоединен к отрицательному выводу дополнительного зарядного устройства, а анод тиристора и положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора каждого звена соединены диодом, анод которого присоединен к аноду тиристора, катоды тиристоров смежных звеньев также соединены диодами, причем аноды диодов присоединены к электродам тиристоров предыдущих, а катоды к электродам тиристоров последующих звеньев, считая от точки подключения положительного вывода дополнительного зарядного устройства.
Введение тиристорного регулятора, включенного последовательно с накопительным конденсатором и нагрузкой, позволяет поддерживать величину тока и напряжения нагрузки в пределах заданной нестабильности путем постепенного увеличения его напряжения при разряде накопительного конденсатора на интервале формирования импульса. Это дает возможность, по сравнению с прототипом, уменьшить энергоемкость, массу и габариты накопительного конденсатора при заданной нестабильности вершины импульсов выходного напряжения.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема генератора импульсных напряжений где: 1 - зарядное устройство, 2 - накопительный конденсатор, 3 - транзисторный высоковольтный коммутатор, 4 - активная нагрузка, 5 - тиристорный регулятор с числом звеньев N=4, 6, 7, 8, 9 - тиристоры регулятора, 10, 11, 12, 13 - дополнительные накопительные конденсаторы, 14 - дополнительное зарядное устройство, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 - диоды звеньев тиристорного регулятора.
На фиг.2 приведены диаграммы работы генератора импульсных напряжений.
На диаграммах буквами обозначены: а - ток нагрузки 4; б - напряжение нагрузки 4; в - сигнал управления транзисторным высоковольтным коммутатором 3; г, д, е, ж - сигналы управления 6, 7, 8, 9 тиристорами регулятора 5, соответственно.
Устройство содержит зарядное устройство 1 и последовательно соединенные накопительный конденсатор 2, транзисторный высоковольтный коммутатор 3 и активную нагрузку 4. Между положительной обкладкой накопительного конденсатора 2 и транзисторным высоковольтным коммутатором 3 включен тиристорный регулятор напряжения 5, содержащий N=4 последовательно соединенных звеньев, каждое из которых, содержит тиристор 6, 7, 8, 9, к катоду которого присоединена отрицательная обкладка дополнительного накопительного конденсатора 10, 11, 12, 13, а положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора присоединена аноду тиристора смежного звена, причем анод тиристора 6 первого звена подключен к положительному выводу дополнительного зарядного устройства 14, а катод тиристора 9 последнего звена присоединен к отрицательному выводу дополнительного зарядного устройства 14, а анод тиристора и положительная обкладка дополнительного накопительного конденсатора каждого звена соединены диодом 15, 16, 17, 18 анод которого присоединен к аноду тиристора. Катоды тиристоров смежных звеньев соединены диодами 19, 20, 21, причем аноды диодов присоединены к электродам тиристоров предыдущих, а катоды к электродам тиристоров последующих звеньев, считая от точки подключения положительного вывода дополнительного зарядного устройства 14.
Принцип работы предлагаемого устройства поясняется диаграммами, приведенными на фиг.2, и заключается в следующем.
На интервале формирования импульса напряжения в нагрузке в работе устройства можно выделить N+1 интервалов непрерывности, соответствующих включенному состоянию транзисторного коммутатора 3 и тиристоров 6, 7, 8, 9.
01
02
После зарядки накопительного конденсатора 2 от зарядного устройства 1 до заданного начального уровня напряжения U и дополнительных накопительных конденсаторов 10, 11, 12, 13 до заданного начального уровня напряжения U от дополнительного зарядного устройства 14 через открытые диоды 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 тиристорного регулятора 5, система управления отпирает транзисторный коммутатор 3 и далее поочередно с заданной временной задержкой включает тиристоры 6, 7, 8, 9.
На первом интервале тиристоры 6, 7, 8, 9 заперты и накопительный конденсатор 2 разряжается на нагрузку 4 через последовательно соединенные диоды 15, 16, 17, 18. На втором и последующих интервалах при поочередном отпирании тиристоров 6, 7, 8, 9 к диодам 15, 16, 17, 18 прикладывается обратное напряжение конденсаторов 10, 11, 12, 13, вызывая их запирание. При этом последовательно с накопительным конденсатором 2 поочередно подключаются: дополнительный накопительный конденсатор 10, затем последовательно соединенные дополнительные накопительные конденсаторы 10, 11, затем последовательно соединенные конденсаторы 10, 11, 12 затем последовательно соединенные конденсаторы 10, 11, 12, 13. В результате, при снижающемся при разряде напряжении накопительного конденсатора 2, напряжение тиристорного регулятора 5 увеличивается за счет увеличения числа последовательно соединяемых дополнительных накопительных конденсаторов, что компенсирует снижение напряжения накопительного конденсатора 2, а также изменение напряжения и тока в нагрузке. При этом кривые тока и напряжения нагрузки изменяются между максимальными и минимальными значениями и имеют вид, представленный кривыми а, 6 на фиг.2.
На произвольном j-м интервале работы генератора, когда происходит разрядка дополнительных накопительных конденсаторов 1-го, 2-го, 3-го,…j-1 - то звеньев регулятора 5, напряжение k-го дополнительного накопительного конденсатора (j>k) при малых пульсациях тока нагрузки i=I=const определяется из формулы
Напряжение накопительного конденсатора 2 при тех же условиях определяется из формулы
1
2
3
j-1
01
02
В формулах (1) и (2) τ, τ, τ…τ - длительности соответствующих интервалов работы генератора; U, U - начальные значения напряжений накопительного конденсатора 2 и дополнительных накопительных конденсаторов 10, 11, 12, 13, соответственно, предшествующие началу формирования импульса в нагрузке.
Напряжения k-го дополнительного накопительного конденсатора в начале и конце j-го интервала формирования импульса в нагрузке будут иметь значения
Напряжения накопительного конденсатора 2 в начале и конце j-го интервала формирования импульса в нагрузке будут иметь значения
нj
Напряжение на нагрузке u, на j-м интервале равно сумме напряжений накопительного конденсатора 2 и напряжений (j-1) дополнительных накопительных конденсаторов тиристорного регулятора 5 и в общем случае определяется из формулы
Напряжение на нагрузке в начале j-го интервала в соответствии с (3), (5) и (7) будет
Аналогично из выражений (4), (6) и (8) определяется напряжение на нагрузке в конце j-го интервала
Из формул (8) и (9) находим выражение снижения напряжения на нагрузке на j-м интервале формирования импульса напряжения в нагрузке 4, обусловленное разрядом конденсаторов силового контура на нагрузку
02
В начале очередного (j+1)-го интервала формирования импульса напряжения за счет включения очередного дополнительного накопительного конденсатора напряжение на нагрузке скачком возрастает на величину, равную напряжению U
При постоянной величине пульсаций напряжения нагрузки в процессе формирования импульса выполняется равенство
а длительность произвольного j-го интервала в соответствии с выражением (10) будет
где  - относительная величина пульсации напряжения нагрузки и относительная величина начального напряжения дополнительных накопительных конденсаторов, соответственно;  - среднее значение напряжения нагрузки на интервале и периоде формирования импульса;  - относительная величина емкости накопительного конденсатора 2.
Задержка отпирания k-го тиристора регулятора 5 относительно момента начала формирования выходного импульса с учетом выражения (13) определяется из формулы
Длительность формируемого импульса равна
В известном генераторе импульсных напряжений, содержащем только один накопительный конденсатор, как следует из выражения (15), длительность формируемого импульса будет
0
где С - величина емкости накопительного конденсатора известного устройства.
Из выражений (15) и (16) определяем соотношение между емкостями накопительных конденсаторов известного и предлагаемого генератора при формировании импульса с одинаковыми параметрами и при одном и том же сопротивлении нагрузки
2
1
При выполнении условия  (если выбрать С>>С) выражение (17) после преобразований примет вид
и
1
дк
При формировании импульса в нагрузке напряжения дополнительных накопительных конденсаторов снижаются, причем наибольшее снижение имеет место в конденсаторе 1-го звена, который разряжается на протяжении интервала времени равного (Т-τ). Величина этого снижения ΔU при сделанных ранее допущениях определяется из равенства
Решая совместно (12), (13), (15) и (19) получаем выражение для определения относительной величины емкости накопительного конденсатора 2
где  - относительная величина пульсации напряжения дополнительных накопительных конденсаторов.
При условии  выражение (20) преобразуется к виду
Энергоемкость накопительного конденсатора известного устройства с учетом (12) равна
Суммарная энергоемкость накопительного конденсатора 2 и дополнительных накопительных конденсаторов предлагаемого генератора импульсных напряжений с учетом выражений (12), (21) и (22) будет равна
Из выражений (21…23) находим соотношение энергоемкостей накопительных конденсаторов предлагаемого и известного устройства
1
0
Σ
C0
Из формул (18) и (24) следует, что в предлагаемом устройстве, например, при значениях ,  и N=10 требуемое значение емкости накопительного конденсатора равно C≈0,091C при формировании импульса с одинаковыми параметрами (длительность, среднее значение, величина пульсаций выходного напряжения на вершине импульса) и одном и том же сопротивлении нагрузки. При этом суммарная энергоемкость накопительного конденсатора и дополнительных накопительных конденсаторов будет равна W≈0,1·W.
Из приведенного описания и выражений для расчета следует, что применение предлагаемого устройства позволяет значительно уменьшить величину емкости и энергии, накопительного конденсатора, снизить его массу и габариты при заданной величине пульсаций выходного напряжения на вершине импульса. Кроме того, уменьшение энергоемкости накопительного конденсатора в предлагаемом устройстве позволяет уменьшить негативные последствия аварийных режимов, связанных с полным разрядом накопительного конденсатора на нагрузку при выходе из строя высоковольтного транзисторного ключа.
Источники информации:
1. А.с. 1003310 СССР, Н03К 3/53, Генератор высоковольтных импульсов / Кириенко В.П., Ваняев В.В. // Опубл. 07.03.83.
2. M.P.J. Gaudreau, J.A.Casey, T.P.Hawkey, J.M.Mulvaney, M.A.Kempkes, P.Ver Planck. Solid state modulator application in linear accelerators // Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999, p.1491-1493.