Генератор импульсов тока
CURRENT PULSE GENERATOR

Предлагаемое устройство относится к области импульсной электротехники и предназначено для питания обмоток возбуждения устройств, создающих импульсные магнитные поля, в частности, для питания реверсивного двигателя возвратно-поступательного движения.
Известен генератор импульсов тока (ГИТ) (а.с. СССР №1018201, опубл. в БИ №18, 1983), принятый за аналог, предназначенный для питания обмоток возбуждения двигателя возвратно-поступательного движения импульсами тока. Он содержит зарядное устройство, трансформатор с основными и вспомогательными обмотками, конденсаторы, диоды, дроссели, первый и второй вспомогательные тиристоры, включенные последовательно и в прямом направлении по отношению к зарядному устройству.
Рассматриваемый ГИТ содержит большое количество диодов, индуктивностей и индуктивно-связанных обмоток, рекуперация энергии в накопительный конденсатор осуществляется через многообмоточный трансформатор. Это значительно усложняет конструкцию.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и характеру протекания электромагнитных процессов является ГИТ по а.с. СССР №1622924, опубл. в БИ №3, 1991 г., принятый за прототип, содержащий два накопительных конденсатора, подключенных к двум зарядным устройствам, коммутирующий конденсатор и две катушки индуктивности – обмотки возбуждения двигателя возвратно-поступательного движения, подключенные через первый и второй основные тиристоры к накопительным конденсаторам и, через первый и второй дополнительные тиристоры к коммутирующему конденсатору.
Недостатком этого генератора является сложность конструкции, обусловленная наличием двух накопительных конденсаторов, подключенных к двум зарядным устройствам.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является упрощение конструкции.
Техническим результатом является формирование импульсов тока в двух обмотках двигателя возвратно-поступательного движения с использованием лишь одного накопительного конденсатора с одним зарядным устройством.
Поставленная задача достигается тем, что ГИТ содержит зарядное устройство, накопительный конденсатор, первый и второй основные тиристоры, первую и вторую индуктивные нагрузки, зашунтированные коммутирующим конденсатором и первым, и вторым вспомогательными тиристорами, накопительный конденсатор и зарядное устройство, подключенные через первый основной тиристор к первой индуктивной нагрузке, а через второй тиристор – ко второй индуктивной нагрузке, первая индуктивная нагрузка зашунтирована первой последовательной цепью, состоящей из первого диода, коммутирующего конденсатора и первого вспомогательного тиристора в проводящем направлении, вторая индуктивная нагрузка зашунтирована второй последовательной цепью, состоящей из второго диода, коммутирующего конденсатора и второго вспомогательного тиристора в проводящем направлении, причем диоды и вспомогательные тиристоры в каждой из последовательных цепей, шунтирующих первую и вторую нагрузки, подключены к разным обкладкам коммутирующего конденсатора.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами: на фиг.1 изображен предлагаемый генератор импульсов тока, на фиг.2 – кривые токов и напряжений на элементах схемы при работе предлагаемого ГИТ, на фиг.3 приведена принципиальная схема реверсивного двигателя возвратно-поступательного движения индуктивно-динамического типа, а на фиг.4 кривые токов и напряжений на элементах ГИТ, при его срабатывании в режиме форсировки гашения и возбуждения электромагнитного поля двигателя.
Устройство по фиг.1 состоит из накопительного конденсатора 1, подключенного к зарядному устройству 2 и через первый основной тиристор 3 к первой индуктивной нагрузке 4, а через второй основной тиристор 5 ко второй индуктивной нагрузке 6. Первая 4 и вторая 6 индуктивные нагрузки представляют собой обмотки возбуждения прямого и обратного хода реверсивного двигателя возвратно-поступательного движения, приведенного на фиг.3. Коммутирующий конденсатор 7 через первый вспомогательный тиристор 8 и первый диод 9 подключен к первой индуктивной нагрузке 4, а через второй вспомогательный тиристор 10 и второй диод 11 – ко второй индуктивной нагрузке 6.
На фиг.2 приведены кривые напряжения и токов на элементах ГИТ, где: 12 – напряжение на накопительном конденсаторе 1; 13 и 14 – токи в первой 4 и во второй 6 индуктивных нагрузках (пунктирные линии соответствуют варианту, когда индуктивностями 4 и 6 служат обмотки двигателя возвратно-поступательного движения, а сплошные – если индуктивности 4 и 6 постоянные), 15 – напряжение на коммутирующем конденсаторе 7.
На фиг.3 приведена функциональная схема двигателя возвратно-поступательного движения. Двигатель состоит из цилиндрического ферромагнитного якоря 16 с короткозамкнутыми витками 17, выполненными, например, из меди. Якорь 16 расположен внутри цилиндрического ферромагнитного индуктора 18, с обмотками возбуждения 4 и 6. Положение якоря 16 относительно индуктора 18 фиксируется ограничителями 19.
На фиг.4 приведены кривые токов и напряжений на элементах ГИТ при его срабатывании в режиме форсировки возбуждения и гашения электромагнитного поля двигателя, где: 20 – напряжение на коммутирующем конденсаторе 7; 21 – ток в индуктивной нагрузке 4 (или 6); 22 – напряжение на накопительном конденсаторе 1.
t0
i1
i2
i1
i2
t1
t
t
t
i1
t2
Работает ГИТ следующим образом. В исходном состоянии конденсаторы 1 и 7 заряжены с полярностью, указанной на фиг.1 без скобок. В момент времени фиг.2, открывают первый основной тиристор 3, и предварительно заряженный от источника питания 2 накопительный конденсатор 1 по закону, описываемому кривой 12 (фиг.2), разряжается на первую индуктивную нагрузку 4. При этом ток , в обмотке возбуждения 4 нарастает по кривой 13. В короткозамкнутом витке якоря 16, магнитосвязанном с обмоткой 4, индуктируется вторичный ток . В результате взаимодействия двух контуров (4 и 17) с токами  и возникает электромагнитная сила, ускоряющая якорь 16 вправо. В момент времени , когда якорь 16, достигнув упора 19, окажется в правом крайнем положении, как это показано на фиг.3 пунктиром, от схемы управления (на фиг.1 не показана) открывают первый вспомогательный тиристор 8 и к первому основному тиристору 3 прикладывается обратное напряжение от коммутирующего конденсатора 7. Тиристор 3 закрывается, а конденсатор 1 отключается от обмотки возбуждения 4 прямого хода двигателя. На интервале времени 1<<3 конденсатор 1 заряжается от источника 2 до исходного напряжения. Ток  индуктивной нагрузки 4 замыкается по цепи из конденсатора 7 и первого основного тиристора 8, перезаряжая конденсатор 7 полярностью, указанной на фиг.1 в скобках. При этом происходит рекуперация оставшейся энергии обмотки возбуждения 4 двигателя в конденсатор 7, напряжение на котором изменяется по кривой 15. В момент времени рекуперация заканчивается, ток в цепи индуктивной нагрузки 4 и конденсатора 7 становится равным нулю, тиристор 8 закрывается.
Таким образом, формируется импульс тока в цепи обмотки возбуждения 4 прямого хода якоря двигателя возвратно-поступательного движения, и происходит перемещение якоря двигателя в прямом направлении. После фиксации якоря 16 ограничителем 19 ГИТ готов к второму срабатыванию, т.е. к формированию импульса тока во второй 6 индуктивной нагрузке с целью перемещения якоря в обратном напряжении.
t3
t3 - t4
i1
i2.
i1
i2
t4
.
t
t
t
t4 - t5
t5
Для перемещения якоря 16 двигателя в обратном направлении в момент времени , открывают второй основной тиристор 5, обеспечивая на интервале времени  (фиг.2) разряд накопительного конденсатора 1 на вторую индуктивную нагрузку 6. Ток  индуктивной нагрузки 6 нарастает (кривая 14). В результате, в короткозамкнутом витке 17 якоря 16, магнитосвязанном с обмоткой 6, наводится вторичный ток Взаимодействие двух контуров (6 и 17) с токами  и обуславливает возникновение электромагнитной силы, перемещающей якорь 16 с короткозамкнутым витком 17 влево до упора 19, и обеспечивая тем самым обратный ход якоря 16. В момент времени , когда якорь 16, достигнув упора 19, окажется в крайнем левом положении, как это показано на фиг.3, открывается второй вспомогательный тиристор 10. и к тиристору 5 прикладывается обратное напряжение (от конденсатора 7). Тиристор 5 закрывается, обмотка возбуждения 6 обратного хода якоря отключается от конденсатора 1который затем заряжается от источника 2до исходного напряжения, аналогично, как на интервале 1<<3, а ток обмотки возбуждения 6 перехватывается в цепь конденсатора 7. На интервале времени ток обмотки возбуждения 6 протекает через второй диод 11, конденсатор 7 и тиристор 10, перезаряжая конденсатор 7 по кривой 15 до первоначального напряжения, полярность которого указана на фиг.1 без скобок. Этим достигается рекуперация оставшейся электромагнитной энергии обмотки возбуждения в конденсатор 7. В момент времени  ток обмотки возбуждения 6 становится равным нулю, и тиристор 10 закрывается. Таким образом, осуществляется формирование импульса тока в обмотке возбуждения 6 обратного хода якоря 16 двигателя.
t2 - t3
Для повторного формирования импульса тока в обмотке возбуждения 4 вновь открывают тиристор 3. После этого описываемые выше процессы в ГИТ повторяются. Следует заметить, что интервал времени между окончаниями прямого хода якоря двигателя и началом обратного хода может быть любой длительности и даже равным нулю.
Описанный выше режим работы ГИТ, когда в начале открывают основной тиристор 3 (5), а затем вспомогательный 8 (10) называют режимом работы с форсировкой гашения электромагнитного поля двигателя. Форсировка гашения поля двигателя обеспечивается рекуперацией энергии из индуктивной нагрузки 4 (6) в коммутирующий конденсатор 7, емкость которого во много (в 20 - 40 раз) меньше емкости накопительного конденсатора 1.
Известно [Б.Э. Коц. Электромагнит постоянного тока с форсировкой. М. «Энергия», 1973], что для увеличения КПД двигателей возвратно-поступательного движения используют также режим форсировки возбуждения электромагнитного поля двигателя. Такой режим работы предлагаемого ГИТ возможен, если после рекуперации энергии из индуктивной нагрузки 4 (6) в конденсатор 7, напряжение на нем будет выше напряжения на конденсаторе 1, а это можно обеспечить уменьшением емкости конденсатора 7.
t0
t0 - t1
t1
U
t1 - t2
t2,
U
t2 - t3
1
2
Для реализации режима форсировки в момент времени  (фиг.4) открывают тиристор 8. При этом конденсатор 7 разряжается на индуктивную нагрузку 4, напряжение на конденсатор 7 изменяется по кривой 20 (фиг.4). Поскольку емкость конденсатора 7 много меньше емкости конденсатора 1, а напряжение на нем выше напряжения на конденсаторе 7 и индуктивности 4, это обеспечивает на интервале времени , быстрое нарастание тока по кривой 21. В момент времени , когда напряжение на конденсаторе 1 станет больше напряжения на конденсаторе 7 на величину , необходимого для запирания тиристора 8, открывают тиристор 3. Конденсатор 1, разряжаясь на интервале времени на обмотку возбуждения 4 по кривой 22, обеспечивает поддержание тока на заданном уроне. Ток может быть постоянным, как показано на фиг.4, уменьшаться или увеличиваться. В момент времени  когда рабочий ход якоря 16 двигателя выбран, а напряжение на конденсаторе 7 станет больше напряжения на конденсаторе 1 на величину , необходимую для запирания основного тиристора 3, вновь открывают коммутирующий тиристор 8. При этом к тиристору 3 прикладывается обратное напряжение, и он закрывается. Оставшаяся энергия рекуперирует из обмотки 4 в конденсатор 7, перезаряжая его до напряжения, большего, чем напряжение на конденсаторе 1, и обеспечивая на интервале времени ,форсировку гашения поля двигателя.
t
t
Накопительный конденсатор 1 на интервале времени >2 заряжается от источника питания 2. После чего ГИТ готов к формированию второго импульса тока с целью перемещения якоря двигателя в обратном направлении. Следует отметить, что рекуперация не преобразованной электромагнитной энергии обмотки возбуждения 4 (6) в коммутирующий конденсатор 7 обеспечивает его подзарядку для осуществления срабатываний ГИТ без использования специальной цепи заряда.
В предлагаемом ГИТ ввод энергии в обмотки возбуждения реверсивного двигателя осуществляется от единственного накопительного конденсатора, подключенного к одному источнику питания. Это позволило исключить вторые источник питания и накопительный конденсатор, обеспечив тем самым упрощение конструкции по сравнению с прототипом.