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 [RU 2017329 С1, МПК5 Н03К 3/53, опубл. 30.07.1994], 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. 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.
Недостатком такого устройства является то, что второй конденсатор, запирающий первый тиристор, заряжается до напряжения, которое не превышает величину действующего значения напряжения ударного генератора, а при накоплении больших величин тока в индуктивном накопителе для запирания первого тиристора требуется зарядить второй конденсатор до напряжения, в несколько раз превышающее напряжение статорной обмотки ударного генератора. Это снижает надежность работы устройства, поскольку разряд второго конденсатора может привести к пробою изоляции статорной обмотки ударного генератора и индуктивного накопителя.
Полезная модель направлена на увеличение надежности работы устройства.
Предложенный индуктивный генератор импульсов тока так же, как и устройство прототипа содержит содержащий однофазный ударный генератор, выходной зажим статорной обмотки которого подключен к аноду тиристора, катод которого образует общую точку с входным зажимом индуктивного накопителя и выходным зажимом сопротивления нагрузки, а выходной зажим индуктивного накопителя подключен к аноду первого вентиля, катод которого подключен к входному зажиму сопротивления нагрузки.
Согласно полезной модели к общей точке подключен катод второго вентиля, анод которого соединен с входным зажимом статорной обмотки ударного генератора и с входным зажимом вторичной обмотки импульсного трансформатора, выходной зажим которой подключен к аноду первого вентиля и к выходному зажиму индуктивного накопителя. Первичная обмотка импульсного трансформатора входным зажимом подключена к первому выводу коммутатора, а выходным зажимом подключена к минусу источника постоянного напряжения, плюс которого подключен ко второму выводу коммутатора.
Полезная модель имеет следующие преимущества перед устройством прототипа: благодаря предложенной схеме включения при замыкании коммутатора в первичной обмотке импульсного трансформатора протекает постоянный ток, создающий постоянный магнитный поток, охватывающий его вторичную обмотку. При размыкании коммутатора ток в первичной обмотке импульсного трансформатора мгновенно падает до нуля, во вторичной обмотке импульсного трансформатора формируется импульс тока, который мгновенно запирает тиристор со вторым вентилем, при этом индуктивный накопитель через первый вентиль подключается к сопротивлению нагрузки и формирует в ней импульс тока. При этом напряжение источника постоянного напряжения не превышает напряжение статорной обмотки ударного генератора, что повышает надежность работы устройства.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема генератора импульсов тока.
На фиг. 2 изображены диаграммы напряжения и тока статорной обмотки однофазного ударного генератора, тока в индуктивном накопителе, тока второго вентиля и импульса тока в нагрузке.
Генератор импульсов тока (фиг. 1) содержит однофазный ударный генератор, статорная обмотка 1 которого выходным зажимом подключена к аноду тиристора 2, катод которого подключен к входному зажиму обмотки индуктивного накопителя 3, к выходному зажиму сопротивления нагрузки 4 и к катоду второго вентиля 5. Входной зажим сопротивления нагрузки 4 подключен к катоду первого вентиля 6, анод которого подключен к выходным зажимам индуктивного накопителя 3 и вторичной обмотки 7 импульсного трансформатора. Входной зажим вторичной обмотки 7 импульсного трансформатора подключен к входному зажиму статорной обмотки 1 ударного генератора и к аноду второго вентиля 5. Первичная обмотка 8 импульсного трансформатора входным зажимом подключена к первому выводу коммутатора 9, а выходным зажимом подключена к минусу источника постоянного напряжения 10, плюс которого подключен ко второму выводу коммутатора 9.
1
2
3
4
5
6
7
Устройство работает следующим образом. Ударный генератор приводится во вращение, и в его статорной обмотке 1 возбуждается ЭДС 11 (фиг. 2). Одновременно замыкается коммутатор 9, подключающий источник постоянного напряжения 10 к первичной обмотке 8 импульсного трансформатора. Постоянный магнитный поток обмотки 8 охватывает витки вторичной обмотки 7 импульсного трансформатора. В момент времени t включается тиристор 2, подключающий статорную обмотку 1 ударного генератора к обмотке индуктивного накопителя 3. По цепи статорная обмотка 1 - тиристор 2 - обмотка индуктивного накопителя 3 - вторичная обмотка 7 импульсного трансформатора начинает протекать ток 12. В момент времени t, когда ЭДС 11 переходит нулевое значение, и ток 12 начнет уменьшаться, автоматически включается вентиль 5, шунтирующий обмотку индуктивного накопителя 3. Ток 13, проходящий через вентиль 5, начинает нарастать, а ток 12 тиристора 2 уменьшается до нуля, и в момент времени t тиристор 2 запирается. Через обмотку индуктивного накопителя 3, вентиль 5 и вторичную обмотку 7 импульсного трансформатора протекает ток 14. В момент времени t вновь срабатывает тиристор 2, ток 12 статорной обмотки 1 ударного генератора растет, а ток 13 вентиля 5 уменьшается. В момент времени t ток 12 становится равным току 14, ток 13 уменьшается до нуля и вентиль 5 закрывается. В момент времени t, когда ток 12 статорной обмотки 1 ударного генератора достигнет максимума, вновь открывается вентиль 5, шунтирующий обмотку 3 индуктивного накопителя. Таким образом, идет процесс накопления энергии в обмотке индуктивного накопителя 3, осуществляемый за 10-30 периодов ЭДС 12. 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 3, может в несколько раз превышать электромагнитную энергию ударного генератора. В момент времени t, когда ток 12 статорной обмотки 1 ударного генератора в очередной раз достигнет максимума, размыкается коммутатор 9, отключающий источник постоянного напряжения 10 от первичной обмотки 8 импульсного трансформатора. Магнитный поток обмотки 6 мгновенно уменьшается до нуля, что приводит к возникновению импульса тока во вторичной обмотке 7 импульсного трансформатора. Ток 12, протекающий через тиристор 2, мгновенно переходит через ноль, что приводит к отключению тиристора 2 и к запиранию вентиля 5. Индуктивный накопитель 3 через первый вентиль 6 подключается к сопротивлению нагрузки 4 и формирует в ней импульс тока 15.
С помощью программы Multisim были проведены исследования модели индуктивного генератора импульсов тока со следующими параметрами: ЭДС статорной обмотки 1 ударного генератора - 150 В, частота - 50 Гц, индуктивность обмотки 3 индуктивного накопителя - 10 Гн, суммарное активное сопротивление статорной обмотки 1 и обмотки 3 индуктивного накопителя - 0.15 Ом, активное сопротивление нагрузки 4-6 Ом. Индуктивность первичной обмотки 8 импульсного трансформатора - 2 Гн, активное сопротивление обмотки 8 - 0.5 Ом, индуктивность вторичной обмотки 7 импульсного трансформатора - 0.001 Гн, активное сопротивление обмотки 7 - 0.1 Ом. Величина напряжения источника постоянного напряжения 10 - 10 В. Величина тока, запасаемого в обмотке 3 индуктивного накопителя, составила 134 А. При размыкании коммутатора 9, в нагрузке 4 формируется импульс тока 15 амплитудой 134 А, длительностью 5 с и максимальной мощностью 89.8 кВт. Таким образом, формирование импульса тока в нагрузке при напряжении статорной обмотки ударного генератора в 150 В осуществляется размыканием цепи с источником постоянного напряжения всего в 10 В, что значительно повышает надежность работы индуктивного генератора импульсов тока.