ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРОГИДРАВЛИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ
PULSED CURRENT GENERATOR FOR HIGH-VOLTAGE ELECTROHYDRAULIC TECHNOLOGIES

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к  электроразрядным технологиям, и может быть использовано для электрогидравлического разрушения, дробления и дезинтеграции материалов.
Известен «Генератор импульсных токов», (патент Российской Федерации на изобретение № 2014730. Опубл. 15.06.1994 г.), содержащий: конденсаторную батарею, нагрузку, многоканальный разрядник, содержащий два основных электрода, снабженных вспомогательными электродами, образующими параллельные искровые промежутки. Вспомогательные электроды соединены с основным электродом с помощью дросселей со взаимными индуктивными связями. Параллельно разряднику включена цепь, состоящая из последовательно соединенных вспомогательного управляемого разрядника, подключенного к аноду многоканального разрядника, токоограничивающего элемента, например, в виде дополнительного дросселя, устройство поджига выполнено в виде генератора импульсных напряжений по схеме Аркадьева-Маркса.
Недостатком такого устройства является сложность конструкции многоканального разрядника, и неустойчивая работа входящих в него воздушных искровых промежутков, обусловленная влиянием окружающей среды.
Известен «Генератор импульсных токов», (патент Российской Федерации на изобретение № 2282936. Опубл. 27.08.2006 г.), содержащий зарядное устройство, разрядный контур, состоящий из батареи конденсаторов, нагрузки, двухэлектродного разрядника, спиральный генератор из двух обкладок, соединенных между собой управляемым коммутатором, причем одна обкладка спирального генератора включена в разрядный контур, а другая подключена к зарядному устройству.
Несмотря на достигнутую в устройстве повышенную стабильность срабатывания генератора импульсных токов, в качестве коммутатора по-прежнему используется двухэлектродный воздушный разрядник, имеющий низкую частоту повторения импульсов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является получившая распространение в электрогидравлических технологиях схема разрядного контура генератора импульсного тока (Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, 1986), состоящая из последовательного соединения  конденсатора, коммутатора (формирующего промежутка) и рабочего искрового канала – промежутка в жидкости. Данная разрядная цепь представляется электрической схемой замещения из последовательного соединения C, L, R элементов и ключа S.
обр
0
обр
0
Недостатками такой разрядной цепи при колебательном режиме работы генератора является снижение эффективности электромеханической трансформации энергии на рабочем искровом канале; снижение ресурса работы и преждевременный выход из строя импульсных конденсаторов и коммутаторов на основе тиратронов. Так, например, при величине относительного обратного напряжения при разряде U ̸ U = 0,2 коэффициент долговечности, а значит, и ресурс конденсатора снижается почти вдвое – на 50%, а при величине U ̸ U = 0,6 коэффициент долговечности снижается уже в 9 раз – на 90 %. Данные обстоятельства сдерживают применение электрогидравлической технологии во многих технологических процессах.
Задачей предлагаемого технического решения является увеличение ресурса работы конденсатора и коммутатора в разрядной цепи генератора импульсного тока в электрогидравлических технологиях при достижении максимальной эффективности электромеханической трансформации энергии в технологическом узле – рабочем искровом канале.
Для решения поставленной задачи в «Генератор импульсных токов для высоковольтных электрогидравлических технологий», разрядная цепь которого на схеме замещения содержит: накопитель энергии на основе импульсных высоковольтных конденсаторов, коммутирующее устройство (формирующий промежуток) на базе тиратрона, рабочий искровой канал и дополнительно устанавливают кроубарную цепь.
Существенным отличием данного технического решения является то, что в разрядной цепи генератора импульсных токов после высоковольтного коммутатора вводят кроубарную диодную цепь на базе силовых полупроводниковых диодов. Реализация предлагаемого технического решения стала возможной благодаря достигнутому к настоящему времени уровню развития полупроводниковых приборов силовой электроники, при котором параметры некоторых типов современных диодов позволяют пропускать импульсные токи в несколько десятков кА и выдерживать обратное напряжение в несколько кВ.
Технический результат – повышение ресурса работы таких узлов разрядной цепи генератора импульсных токов, как емкостной накопитель и коммутатор, а также повышение эффективности электромеханической трансформации энергии на рабочем искровом канале. Это достигается тем, что уменьшаются величины обратных составляющих разрядного тока и напряжения, влияющих на коэффициент долговечности конденсатора и коммутатора, вследствие того, что форма разряда переходит из колебательного в апериодический.
На фиг. 1 представлена структурная схема замещения разрядной цепи генератора импульсных токов, включающую кроубарную диодную цепь. На фиг. 1 приняты следующие обозначения: C – емкость высоковольтного накопителя энергии на основе импульсных конденсаторов; R – сопротивление  технологического узла (рабочего искрового канала); L – распределенная по длине индуктивность соединительных кабелей; S – ключ (высоковольтный коммутатор); VD – кроубарная цепь из последовательного соединения силовых полупроводниковых диодов.
На фиг. 2 представлены временные зависимости разрядного тока для традиционной разрядной цепи генератора импульсных токов 1 и для предложенной в техническом решении схемы генератора с кроубарной диодной цепью 2. Сравнительный анализ временных зависимостей показал, что при включении кроубарной диодной цепи 3 разрядный ток 2 имеет одну полярность, свойственную для апериодического режима разряда, но при этом сохраняет амплитуду и крутизну, характерную для колебательного процесса.
На фиг. 3 представлены временные зависимости напряжения на емкостном накопителе для традиционной разрядной цепи генератора импульсных токов 1 и для предложенной в техническом решении схемы генератора с кроубарной диодной цепью 2. Из графиков следует, что включение кроубарной диодной цепи устраняет обратное напряжение при разряде, что исключает перезарядку импульсных конденсаторов, а значит, увеличивает их коэффициент долговечности и ресурс работы более чем в 9 раз. Величина обратного напряжения на емкостном накопителе определяется падением напряжения на прямом отрезке вольт-амперной характеристики силовых диодов в кроубарной цепи и не превышает 0,1 % относительно начального напряжения заряда конденсаторных батарей.
На фиг. 4 представлены временные зависимости удельной энергии в технологическом узле или скорости выделения энергии в канале разряда для традиционной разрядной цепи генератора импульсных токов 1 и для предложенной в техническом решении схемы генератора с кроубарной диодной цепью 2. Время достижения мощностью, а, следовательно, и давления в канале своего максимального значения при включении кроубарной диодной цепи не изменяется и остается как и для колебательного режима минимальным, но при этом электромеханическое преобразование энергии осуществляется без осцилляций, что повышает его эффективность.
Поясним технический результат решения поставленной задачи – увеличения ресурса работы конденсатора и коммутатора разрядной цепи генератора импульсных токов в электрогидравлических технологиях при достижении максимальной эффективности электромеханической трансформации энергии в технологическом узле за счет кроубарной диодной цепи, включаемой после коммутатора. В первой стадии – при срабатывании тиратрона, игнитрона или любого другого установленного в генераторе высоковольтного коммутирующего устройства, начинается разряд накопленной электрической энергии высоковольтным емкостным накопителем (импульсными конденсаторами) в рабочем искровом канале. Во второй стадии – при достижении максимального значения тока по закону самоиндукции полярность напряжения на индуктивности разрядной цепи, обусловленной длиной кабелей, соединяющих импульсные конденсаторы с технологическим узлом выделения энергии, меняется на обратную. При этом открывается кроубарная диодная цепь, шунтирующая конденсатор и коммутатор, и происходит разряд накопленной в распределенной индуктивности разрядной цепи магнитной энергии по замкнутому контуру «кроубарная диодная цепь – индуктивность кабелей – рабочий искровой канал». Благодаря шунтированию конденсатора и коммутатора кроубарной диодной цепью, устраняются осцилляции напряжения и тока, то есть колебательный режим разряда по форме преобразуется в апериодический. Величина обратного напряжения на емкостном накопителе определяется только падением напряжения на прямом отрезке вольт-амперной характеристики полупроводниковых силовых диодов кроубарной цепи в импульсном режиме работы и не превышает 0,1 % относительно начального напряжения заряда конденсаторных батарей, что позволяет практически ею пренебречь. Отсутствие обратного напряжения на импульсных конденсаторах при разряде исключает их перезарядку, что увеличивает их коэффициент долговечности и ресурс работы более чем в 9 раз по сравнению с их использованием в традиционной схеме генератора.  Отсутствие осцилляций тока исключает взаимный попеременный двухсторонний перенос заряда между электродами коммутатора, приводящий к их эрозии, что способствует увеличению коэффициента долговечности и ресурса работы коммутатора по сравнению с его использованием в традиционной схеме генератора. Разрядный ток на нагрузке (в технологическом узле) имеют одну полярность, характерную для апериодического режима разряда, но сохраняет максимальную амплитуду и крутизну, как в колебательном процессе. При этом время достижения мощностью и давления в канале своего максимального значения остается минимальным, а электромеханическая трансформация энергии в технологическом узле осуществляется без колебаний, что позволяет повысить эффективность технологического процесса.
Данное техническое решение позволяет повысить ресурс работы наиболее дорогостоящих узлов генератора импульсных токов в электрогидравлических технологиях – накопителя энергии на основе импульсных высоковольтных конденсаторов и высоковольтного коммутирующего устройства на основе тиратрона в разрядной цепи при достижении высокой эффективности электромеханического преобразования энергии в технологическом узле.
Положительный технический эффект от реализации технического решения заключается в снижении стоимости технологического процесса электрогидравлического разрушения, дробления и дезинтеграции материалов за счет повышения ресурса работы генератора импульсных токов.
Предлагаемое техническое решение может быть реализовано промышленным способом.