ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР
PULSE GENERATOR

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, к схемам генерирования электрических импульсов и может быть использовано, например, для: запитки геофизических диполей, соленоидов с различным энергозапасом, стационарных и мобильных передающих антенн мощностью ~1 МВт, испытания измерительных элементов, силовых трансформаторов путем их нагружения килоамперными токами большой длительности и т.д.
Задачей изобретения является создание транспортабельного источника импульсов тока и напряжения произвольной формы мощностью ~1 МВт с улучшенными параметрами выходных импульсов и увеличение рабочего ресурса его элементов.
Существуют импульсные устройства для запитки геофизических диполей токовыми импульсами мощностью 1-10 МВт, длительностью 1-10 сек, например, на основе самовозбуждающегося МГД-генератора на продуктах сгорания специальных плазменных топлив по патенту RU № 2028709, Кл. МПК 7: Н02К 44/08, от 09.02.95 г., на основе турбогенератора по патенту RU № 2087011, Кл. МПК 7: G01V 3/04, от 10.08.97 г.
Недостатками известных устройств являются большой вес и габариты, а также ограниченная возможность управления параметрами токовых импульсов, поскольку это связано с достаточно сложными настройками и переключениями в схемах. Кроме того, при изменении режимов работы, параметров и полярности импульсов требуется, по меньшей мере, частичное отключение установки, что занимает много времени.
Прототипом заявляемого изобретения служит импульсный генератор по патенту RU № 2322755, Кл. МПК 7: Н03К 3/53, Н02М 9/02, от 23.10.06 г., включающий формирователь, выполненный в виде, по крайней мере, одного каскада с первой и второй выходными клеммами, замыкающим диодом и n-ступенями, каждая из которых содержит источник напряжения, при этом источник напряжения предыдущей ступени подключен последовательно к источнику напряжения следующей ступени через управляемый коммутатор, кроме того, каждая из ступеней шунтирована диодом, включенным обратно по отношению к полярности источника напряжения, а между выходом управляемого коммутатора последней ступени и первой выходной клеммой включена интегрирующая цепочка, состоящая из сглаживающего дросселя и конденсатора. Генератор служит для запитки геофизического диполя, соленоидов с различным энергозапасом, для испытания силовых трансформаторов в различных режимах работы. Данный формирователь содержит идентичные ступени, объединенные в каскад/каскады и работающие на общую нагрузку с регулируемым временным сдвигом относительно друг друга. В каждом из каскадов ступени включены последовательно, а сами каскады параллельно. Выходные напряжения и токи каскадов суммируются на нагрузке для получения заданной амплитуды и формы импульсов.
Недостаток прототипа связан с тем, что для точного воспроизведения импульсов заданной формы в схему включено большое количество ступеней и коммутаторов, что сильно усложняет синхронизацию команд управления ключами. Другой недостаток заключается в необходимости использования сглаживающих фронты импульсов дросселей и конденсаторов с большим энергозапасом, что увеличивает стоимость и габаритно-весовые характеристики генератора. Следует также отметить, что при больших токах при размыкании между контактами коммутатора возникает дуговой разряд, вызывающий эрозию контактов и снижение ресурса работы ключей. Особенно сильно это проявляется в частотном режиме работы. При полном отключении формирователя между контактами коммутаторов присутствует разность потенциалов источников напряжения, что создает опасность случайного пробоя или замыкания токовых контуров, а также поражения электрическим током при проведении пуско-наладочных работ.
Техническим результатом изобретения является повышение точности воспроизведения, расширение диапазона регулирования параметров выходных импульсов и повышение рабочего ресурса основных узлов.
Дополнительным техническим результатом изобретения является обеспечение более высокого уровня электробезопасности, а также упрощение обслуживания и процесса подготовки генератора к работе.
Указанный технический результат достигается за счет того, что по сравнению с известным импульсным генератором, включающим формирователь, выполненный в виде, по крайней мере, одного каскада с первой и второй выходными клеммами, замыкающим диодом и n-ступенями, каждая из которых содержит источник напряжения, при этом источник напряжения предыдущей ступени подключен последовательно к источнику напряжения следующей ступени через управляемый коммутатор, кроме того, каждая из ступеней шунтирована диодом, включенным обратно по отношению к полярности источника напряжения, а между выходом управляемого коммутатора последней ступени и первой выходной клеммой включена интегрирующая цепочка, состоящая из сглаживающего дросселя и конденсатора, предлагаемый импульсный генератор содержит следующие признаки:
- параллельно выходным клеммам каждого каскада подключена схема контроля параметров выходных импульсов,
- в каждой последующей ступени, начиная с первой, использован источник напряжения с разностью потенциалов, в 2 раза превосходящей напряжение источника предыдущей ступени,
- параллельно каждому источнику напряжения подключена схема, осуществляющая контроль его состояния,
параллельно выводам каждого управляемого коммутатора подключена схема, защищающая его от импульсного перенапряжения,
- замыкающий диод включен параллельно выводам сглаживающего дросселя обратно по отношению к их полярности.
В каждой ступени между положительной клеммой источника напряжения и входом управляемого коммутатора, а также между выходом управляемого коммутатора последней ступени и первой выходной клеммой сглаживающего дросселя могут быть включены размыкатели для остановки работы источника в случае возникновении аварии.
Подключение параллельно выходным клеммам каждого каскада схемы контроля параметров выходных импульсов позволяет автоматически корректировать форму и амплитуду выходного сигнала при изменении активной и реактивной составляющих нагрузки непосредственно в процессе работы генератора, а также синхронизировать работу нескольких каскадов на общую или разные нагрузки, что приводит к повышению точности воспроизведения выходных импульсов и увеличению диапазона регулирования их выходной мощности и, как следствие, к расширению диапазона регулирования их параметров. Следует отметить, что подключение схемы контроля параметров выходных импульсов позволяет производить переключение полярности сигнала в момент времени, когда выходной ток и напряжение близки к нулю, что минимизирует амплитуду скачков перенапряжения, возникающих на переключателях полярности, и, как следствие, повышает их рабочий ресурс.
Использование в каждой последующей ступени, начиная с первой, источника напряжения с разностью потенциалов, в 2 раза превосходящей напряжение источника предыдущей ступени, позволяет осуществлять формирование импульса посредством значительно большего числа шагов напряжения, где минимальный шаг определяется разностью потенциалов источника напряжения первой ступени. В связи с этим изменение напряжения по двоичному закону значительно повышает точность воспроизведения заданного импульса, позволяет формировать сигналы как стандартной, так и произвольной формы, что увеличивает диапазон регулирования формы выходных импульсов и, как следствие, расширяет диапазон регулирования параметров выходных импульсов. Бинарное изменение выходного напряжения упрощает конструкцию сглаживающих дросселя и конденсатора и снижает их весогабаритные параметры и энергоемкость, что в свою очередь позволяет повысить запас по перегрузке и, как следствие, увеличивает рабочий ресурс интегрирующей цепочки.
Подключение параллельно каждому источнику напряжения схемы, осуществляющей контроль его состояния, позволяет упростить обслуживание и процесс подготовки генератора к работе вследствие того, что указанная схема осуществляет автоматическую подзарядку источников напряжений ступеней. Кроме того, наличие указанной схемы повышает точность воспроизведения выходного импульса за счет минимизации разбросов от заданных значений разностей потенциалов источников напряжения. Стабилизация состояния источников напряжения за счет сокращения диапазона напряжений, необходимого для корректировки амплитуды и формы выходных сигналов, позволяет повысить максимальное выходное напряжение генератора и, как следствие, увеличить диапазон регулирования параметров выходных импульсов. При использовании в качестве источников напряжения аккумуляторных батарей схема контроля за счет своевременной автоматической подзарядки повышает их рабочий ресурс.
Подключение параллельно выводам каждого управляемого коммутатора схемы, защищающей его от импульсного перенапряжения, позволяет гасить разрушающие коммутаторы выбросы напряжения, возникающие на их клеммах при выключениях и сократить времена переключений, что приводит к увеличению максимальной рабочей частоты генератора и, как следствие, к расширению диапазона регулирования параметров выходных импульсов, а также к значительному увеличению рабочего ресурса ключевых элементов. Следует также отметить, что включение в конструкцию генератора указанной схемы позволяет выполнять коммутаторы на основе полупроводниковых транзисторов, что приводит к повышению точности воспроизведения выходных сигналов.
Включение замыкающего диода сглаживающего дросселя параллельно выводам обратно по отношению к их полярности позволяет при переполюсовке выходных импульсов генератора рассеивать остаточную магнитную энергию дросселя на собственном сопротивлении, что при формировании биполярных сигналов не создает импульсного перенапряжения на переключателях полярности и, как следствие, повышает их рабочий ресурс. Также такое включение замыкающего диода позволяет выполнять переключатели на основе полупроводниковых транзисторов, что приводит к повышению точности воспроизведения выходных сигналов и увеличению интервала регулирования их частоты и, как следствие, к расширению диапазона регулирования параметров выходных импульсов.
С целью повышения электробезопасности при консервации, зарядке аккумуляторных батарей и для остановки работы источника в случае возникновения аварии разработана и реализована система разрыва всех токовых контуров источника на основе механического рубильника с предохранителями, расположенного на выходе силовой части формирователя, и коммутаторов, расположенных на каждой ступени.
На фиг.1 приведена общая структурная схема однокаскадного импульсного генератора, выбранного в качестве примера конкретного исполнения заявляемого устройства. На фиг.2 представлена электрическая схема генератора. На фиг.3 приведен алгоритм формирования синусоидального двуполярного импульса.
Импульсный генератор (фиг.1, 2) содержит формирователь, выполненный в виде одного каскада с первой 10 и второй 11 выходными клеммами, замыкающим диодом 16 и n-ступенями, каждая из которых содержит источник напряжения 1.1 (1.2-1.n), соединительные провода с индуктивностью 18.1(18.2-18n) и управляемый коммутатор 2.1 (2.2-2.n). Источник напряжения 1.m-1 предыдущей ступени подключается последовательно к источнику напряжения следующей ступени 1.m через управляемый коммутатор 2.m-1, где m=2,…, n, причем в каждой последующей ступени использован источник напряжения 1.m с разностью потенциалов, в 2 раза превосходящей напряжение источника предыдущей ступени 1.m-1. Каждая из ступеней шунтирована диодом 3.1 (3.2-3.n), включенным обратно по отношению к полярности источника напряжения 1.1 (1.1-1.n). Между выходом управляемого коммутатора последней ступени 2.n и первой выходной клеммой 10 включена интегрирующая цепочка, состоящая из сглаживающего дросселя 4 и конденсатора 5. Параллельно выходным клеммам 10, 11 каждого каскада подключена схема контроля параметров выходных импульсов 13, а параллельно каждому источнику напряжения 1.1 (1.2-1.n) подключена схема, осуществляющая контроль его состояния 24.1 (24.2-24.n). Параллельно выводам каждого управляемого коммутатора 2.1 (2.2-2.n) подключена схема 25.1 (25.2-25.n), защищающая его от коммутационного импульсного перенапряжения, а замыкающий диод 16 включен параллельно выводам сглаживающего дросселя 4 обратно по отношению к их полярности, при этом параллельно выводам конденсатора 5 через управляемый коммутатор 14 включен резистор 15. Дополнительно параллельно выводам каждого переключателя полярности 6, 7, 8, 9 и управляемого коммутатора 14 подключены идентичные схемы 26, защищающие их от коммутационного импульсного перенапряжения. Кроме того, для аварийной остановки работы импульсного генератора в каждой ступени между положительной клеммой источника напряжения 1.1 (1.2-1.n) и входом управляемого коммутатора 2.1 (2.2-2.n), а также между выходом управляемого коммутатора последней ступени 2.n и первой выходной клеммой 27 сглаживающего дросселя 4 включены соответственно размыкатели 17.1-17.n и 19.
Импульсный генератор работает следующим образом.
В начальном состоянии коммутаторы 1.1-1.n и 14, а также переключатели полярности 6, 7, 8, 9 и размыкатели 17.1-17.n и 19 каждого из каскадов находятся в разомкнутом состоянии. Далее на все размыкатели 17.1-17.n и 19 одновременно подается общий импульс управления. После включения размыкателей импульс управления поступает на управляемый коммутатор 14, через который осуществляется разрядка конденсатора 5 на резисторе 15. Алгоритм формирования импульса представлен на примере синусоидального сигнала (фиг.3).
1.1
12xx
1.1
1.2
1.1
12xx
12
1.1
1.1+1.2
В первый момент времени открываются переключатели полярности 6, 7, определяющие положительное направление тока в нагрузке 12. Затем управляемый коммутатор 2.1 включает источник напряжения 1.1 на нагрузку 12. Одновременно с этим управляемый коммутатор 14 выключается. Ток I протекает по цепи «источник напряжения 1.1 - коммутатор 2.1 - диод 3.2-… - диод 3.n - дроссель 4 - переключатель полярности 6 - нагрузка 12 - переключатель полярности 7», замыкаясь на отрицательный полюс источника напряжения 1.1. Дроссель 4 и конденсатор 5 сглаживают резкие скачки тока и напряжения на нагрузке. Следующий шаг - одновременное отключение 2.1 и включение 2.2, посредством чего осуществляется подключение источника напряжения 1.2 к нагрузке 12. Затем включением управляемого коммутатора 2.1 к источнику напряжения 1.2 добавляется 1.1 и на выходных клеммах 10, 11 возникает напряжение холостого хода U=U+U=3×U. В общем случае  т.е. напряжение холостого хода U на клеммах 10, 11 изменяется по двоичной логике. Шаг изменения напряжения на выходных клеммах 10, 11 U и, соответственно, точность воспроизведения импульса заданной формы, определяется разностью потенциалов U. Под действием обратной разности потенциалов источника напряжения 1.2 диод 3.2 закрывается и ток I протекает по цепи «источник напряжения 1.1 - коммутатор 2.1- источник напряжения 1.2 - коммутатор 2.2 - диод 3.3-… - диод 3.n - дроссель 4 - переключатель полярности 6 - нагрузка 12 - переключатель полярности 7», возвращаясь на отрицательный полюс источника напряжения 1.1. В момент переключения тока с 3.2 в 2.2 ток дросселя 4 замыкается диодом 16, что защищает элементы импульсного генератора от выбросов напряжения.
1.k
2.k
15.k
6
7
При замыкании управляемых коммутаторов 2.3-2-n остальных ступеней подключения источников напряжения 1.3-1.n к нагрузке 12 происходят аналогично. Выходной ток растет с увеличением числа включенных ступеней. На заключительном этапе все коммутаторы 2.1-2.n замкнуты, напряжение на нагрузке 12 имеет максимально достижимое значение и составляет , где U - разность потенциалов на k-м источнике напряжения; U - падение напряжения на k-м управляемом коммутаторе; U - падение напряжения на внутреннем сопротивлении k-го источника напряжения; U, U - падения напряжений на переключателях полярности 6 и 7 соответственно. При этом ток в нагрузке составляет сумму токов всех n ступеней
12
Таким образом, на нагрузке 12 формируется фронт токового импульса. Формирование спада тока производится выключением коммутаторов 2.1-2.n в обратной последовательности, начиная с n-й ступени и завершая первой ступенью. Когда ток в нагрузке I уменьшается до нуля, цикл формирования импульса завершен.
В случае формирования двухполярного импульса между импульсами противоположной полярности на короткий временной интервал Т («мертвое время») открывается коммутатор 14 и через резистор 15 происходит разрядка сглаживающего конденсатора 5 и частичный вывод магнитной энергии сглаживающего дросселя 4. Резистор 15 ограничивает ток короткого замыкания. По окончании интервала «мертвого времени» коммутатор 14 и переключатели полярности 6, 7 отключаются. Одновременно с этим включаются переключатели полярности 8, 9, отвечающие за обратное направление тока в нагрузке. Формирование отрицательной полуволны осуществляется по той же схеме, что и положительная.
В заявляемом устройстве с помощью первой выходной клеммы 10 и второй выходной клеммы 11 подключена схема контроля параметров выходных импульсов 13, состоящая из датчиков тока и напряжения. Схема контроля 13 производит измерения параметров выходных импульсов в нагрузке. Проведение измерений необходимо для организации обратной связи между нагрузкой 12 и микропроцессором 21. Обратная связь позволяет получать с повышенной точностью заданную форму и амплитуду выходных импульсов, корректировать их непосредственно во время работы генератора в зависимости от изменения активной и реактивной компонент нагрузки. Также обратная связь необходима для синхронной работы нескольких каскадов. Корректировка выходных сигналов осуществляется за счет отводимого на это диапазона напряжения, который составляет -10% от максимального напряжения холостого хода на клеммах 10, 11.
Генерация сигналов управления для коммутаторов 1.1-1.n, 14, а также для переключателей полярности 6, 7, 8, 9 осуществляется по следующей схеме. После преобразования аналогового сигнала с задающего генератора 23 аналого-цифровым преобразователем АЦП 22 цифровой код поступает на вход микропроцессора 20. После программной обработки цифрового кода 20 вырабатывает параллельные сигналы управления для коммутаторов 1.1-1.n, 14, а также для переключателей полярности 6, 7, 8, 9. Далее схема контроля параметров выходных импульсов 13 осуществляет непрерывные измерения силы тока и напряжения в нагрузке 12. После преобразования сигналов с 13 при помощи АЦП 21 цифровые коды передаются в микропроцессор 20, который сравнивает коды и при несовпадении по специальному алгоритму вырабатывает компенсирующий код, который суммируется с кодом, поступающим с АЦП 22. Таким образом, импульсный генератор формирует на нагрузке 12 импульс, подобный по форме и аналогичный по временным характеристикам сигналу с задающего генератора 23. Параллельно каждому источнику напряжения 1.1 (1.2-1.n) подключена схема 24.1 (24.2-24.n), осуществляющая контроль его состояния и автоматическую подзарядку до заданного значения. Контроль уровня заряда источников напряжения 1.1-1.n производится гальванически развязанными компараторами. При уменьшении напряжения до некоторого определенного значения, которое задается номиналами резисторов делителя напряжения на входе компаратора, происходит зарядка источника.
Из-за наличия во всех ступенях импульсного генератора паразитных индуктивностей 18.1-18.n соединительных проводов при переключениях управляемых коммутаторов 2.1-2.n на их клеммах возникают импульсные перенапряжения, оказывающие на коммутаторы разрушительные воздействия. Для защиты от этих воздействий параллельно выводам каждого из коммутаторов 2.1-2.n подключены схемы 25.1-25.n, которые представляют собой размещенные непосредственно на клеммах последовательные RC-цепочки, выполненные из низкоиндуктивных элементов.
Конденсатор С поглощает выброс напряжения с энергетикой, равной запасенной на паразитной индуктивности магнитной энергией, и рассеивает накопленную таким образом электрическую энергию на резисторе R.
18.1-18.n
2.1-2.n
max
max
2.1-2n
25.1-25n
1.1-1n
max
max
1.1-1.n
Емкости конденсаторов защитных схем 25.1-25.n выбираются из условия, чтобы выбросы напряжения на коммутаторах 2.1-2.n при запирании не превышали допустимых паспортных значений. Емкости могут быть оценены как , где L- значения паразитных индуктивностей соединительных проводов 18.1-18.n; I - токи через коммутаторы 2.1-2.n в моменты их выключений; U - паспортное значение максимально допустимого импульсного напряжения на коммутаторах 2.1-2.n. Номинал резисторов защитных схем 25.1-25.n определяется из условия U/I≥R≥U/I, где I- паспортное значение предельно допустимого импульсного тока через 2.1-2.n; U- номинал источников напряжения 1.1-2.n.
С целью повышения уровня защиты управляемого коммутатора 14 и переключателей полярности 6, 7, 8, 9 параллельно их выводам подключена идентичная для всех защитная схема 26, которая состоит из последовательной RC-цепочки. Номинал ее элементов определяется по аналогии с защитными схемами для коммутаторов 2.1-2.n.
При переполюсовке выходного сигнала за время Т магнитная энергия дросселя 4 частично рассеивается на резисторе 15. Включение замыкающего диода 16 параллельно выводам сглаживающего дросселя 4 обратно по отношению к их полярности обеспечивает полное рассеивание его магнитной энергии на собственном сопротивлении дросселя 4. При этом такое включение диода 16 в схему импульсного генератора позволяет формировать в нагрузке 12 биполярные импульсы, не отключая диод 16.
В целях обеспечения электробезопасности при настройке и подготовке импульсного генератора к работе, консервации, зарядке источников напряжения 1.1-1.n и для остановки работы генератора в случае возникновения аварии применены размыкатели всех токовых контуров 17.1-17.n и 19, которые осуществляют механический визуально наблюдаемый разрыв по окончании их общего импульса управления.
В общем случае значение коэффициента n выбирается в зависимости от разности потенциалов используемых источников напряжения, необходимого уровня выходного напряжения и мощности генератора, параметров нагрузки, временных характеристик импульсов согласно методике проведения эксперимента.
1.1
1.6
1.1
1.6
В частности, реализован 6-ступенчатый импульсный генератор, в котором напряжение U≈12,5 В, U≈400 В. Максимальное напряжение источника ≈800 В, энергозапас ≈0,16 ГДж. Источники напряжения U-U состоят из разного количества последовательно соединенных стартерных аккумуляторных батарей с напряжением 12,5 В и током разряда до 500 А в течении 10 с.
3
Данный источник использовался для глубинного электромагнитного мониторинга, для запитки соленоидов с большим энергозапасом в целях создания магнитного поля высокой напряженности ~1 кЭ в объемах ~10 м, для исследования работы мощного электрооборудования в различных режимах и др.
В экспериментах, связанных с мониторингом слоев грунта различной глубины, в качестве нагрузки применялся геофизический диполь с характерным размером ~1 км. В диполь вводились различные, в том числе биполярные, импульсы мощностью ~1 МВт (напряжение ~1 кВ, ток ~1 кА) в течение времени до 10 с.
Для создания магнитного поля в больших объемах была использована система соленоидов с энергозапасом ~1 МДж. Получено однородное магнитное поле заданной напряженности (точность воспроизведения требуемых параметров ~95%). Также возможно формирование неоднородного магнитного поля.
При исследовании работоспособности электрооборудования в различных режимах от импульсного генератора на входные клеммы электрооборудования подавалась заданная последовательность неидентичных импульсов нестандартной формы с изменяющейся частотой. Длительность последовательности достигала 40 с при максимальной вводимой мощности до 400 кВт.
При выходной мощности генератора ~1 МВт и энергозапасе - 0,2 ГДж его вес не превышает 1,5 тонн, габаритные размеры - не более 1 м × 1,6 м × 2,5 м.
По сравнению с прототипом заявляемый импульсный генератор имеет аналогичные энергетические и мощностные характеристики, и его применение позволит повысить точность воспроизведения, расширить диапазон регулирования параметров выходных импульсов и повысить рабочий ресурс основных узлов. Кроме того, значительно поднят уровень электробезопасности конструкции.