УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
DEVICE FOR PROTECTION OF CAPACITANCE ENERGY ACCUMULATOR

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в устройствах электрофизической аппаратуры при создании генераторов импульсов тока (ГИТ), выполненных на базе емкостных накопителей энергии (ЕНЭ), для получения мощных импульсов тока при исследованиях газового разряда, сильных и сверхсильных импульсных магнитных полей для магнитного сжатия плазмы и ряда других исследований.
Известна схема ГИТ, содержащая ряд параллельно включенных конденсаторов, которые с помощью соединительных элементов (шин) объединены между собой и через управляемый коммутатор присоединены к нагрузке (Импульсные источники энергии: Учебное пособие / П.И.Шкуропат, Ленингр. гос.техн. ун-т. л., 1991, с.15). В качестве коммутатора используют малоиндуктивный управляемый разрядник того или иного типа.
Недостатком известного устройства является низкая надежность работы, обусловленная невозможностью обеспечения эффективной защиты конденсаторов ЕНЭ при пробое одного из конденсаторов или случайном коротком замыкании в одном из модулей ЕНЭ. Энергоемкость модуля ЕНЭ обычно выбирается из условия его взрывобезопасности, когда пробой конденсатора не приводит к аварийной ситуации на всем устройстве в целом.
Известны малоиндуктивные конденсаторные батареи, состоящие из параллельно соединенных модулей, связанных с источником питания (зарядным устройством постоянного тока) через быстродействующий токоограничивающий предохранитель (Руденко А.А., Спевакова Ф.М., Столов А.М. Быстродействующий токоограничивающий предохранитель для защиты высоковольтных конденсаторных батарей // Тезисы докладов Всесоюзного совещания по инженерным проблемам управляемого термоядерного синтеза (26-28 июня 1974 г.), НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, г.Ленинград, с.143).
Недостатком известного устройства является низкая надежность работы, обусловленная высокой вероятностью взрыва батареи (модуля) конденсаторов при пробое одного из конденсаторов или случайном коротком замыкании в одном из модулей ЕНЭ, связанная с недостаточным быстродействием токоограничивающих предохранителей.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для защиты емкостного накопителя энергии (Описание изобретения к а.с. СССР №1352583, МПК Н02Н 7/16, Н03К 3/53, опубл. 25.11.87, БИ №42). Устройство содержит зарядное устройство, n параллельно соединенных модулей ЕНЭ, n зарядных диодов и n высоковольтных управляемых разрядников. Первые выводы модулей ЕНЭ соединены с катодами зарядных диодов, вторые выводы модулей ЕНЭ объединены и соединены с отрицательным выводом зарядного устройства и первым выводом нагрузки, первые выводы высоковольтных управляемых разрядников соединены со вторым выводом нагрузки, а вторые выводы - с первыми выводами модулей ЕНЭ.
Основным недостатком этого устройства является невозможность обеспечения эффективной защиты конденсаторов ЕНЭ при пробое одного из конденсаторов или коротком замыкании в одном из модулей ЕНЭ в динамическом режиме, т.е. в режиме зарядки конденсаторов от зарядного устройства или в режиме формирования импульсов тока в нагрузке при срабатывании высоковольтных управляемых разрядников.
Задачей изобретения является повышение надежности устройства.
Техническим результатом изобретения является уменьшение вероятности взрыва конденсаторов в динамическом режиме работы устройства. Технический результат достигается тем, что в устройство для защиты емкостного накопителя энергии, содержащее зарядное устройство, n параллельно соединенных модулей ЕНЭ, n зарядных диодов и высоковольтный управляемый разрядник, причем первые выводы модулей ЕНЭ соединены с катодами зарядных диодов, вторые выводы модулей ЕНЭ объединены и соединены с отрицательным выводом зарядного устройства и первым выводом нагрузки, первый вывод высоковольтного управляемого разрядника соединен со вторым выводом нагрузки, введены n разрядных диодов, аноды которых соединены с катодами зарядных диодов и с первыми выводами модулей ЕНЭ, катоды разрядных диодов объединены и соединены со вторым выводом высоковольтного управляемого разрядника, а аноды зарядных диодов объединены и соединены с положительным выводом зарядного устройства непосредственно.
Кроме того, в устройстве в качестве зарядных диодов использованы полупроводниковые высоковольтные частотные диоды, номинальные параметры которых соответствуют номинальному зарядному току и уровню зарядного напряжения модулей ЕНЭ.
Кроме того, в устройстве в качестве разрядных диодов использованы полупроводниковые высоковольтные диоды, например таблеточной конструкции, номинальные параметры которых соответствуют величинам ударных токов, формируемых каждым модулем ЕНЭ, и уровню зарядного напряжения модулей ЕНЭ.
В предлагаемом устройстве для защиты ЕНЭ введение n разрядных диодов обеспечивает эффективную защиту конденсаторов ЕНЭ от взрыва в режиме формирования импульсов тока в нагрузке при срабатывании высоковольтного управляемого разрядника, что обусловлено их местом и способом присоединения в разрядном контуре, а использование полупроводниковых высокочастотных зарядных диодов уменьшает вероятность взрыва конденсаторов ЕНЭ в режиме заряда, что обусловлено малой энергией, выделяемой в аварийном конденсаторе или модуле ЕНЭ из-за малой величины времени обратного восстановления используемых зарядных диодов.
На чертеже представлена принципиальная схема устройства для защиты ЕНЭ.
Устройство для защиты ЕНЭ содержит зарядное устройство 1, n зарядных диодов 2 (2.1…2.n), n разрядных диодов 3 (3.1…3.n), высоковольтный управляемый разрядник 4, n конденсаторных модулей 5 ЕНЭ (5.1…5.n) и нагрузку 6. Первые выводы модулей 5 ЕНЭ соединены с катодами зарядных диодов 2, вторые выводы модулей 5 ЕНЭ объединены и соединены с отрицательным выводом зарядного устройства 1 и первым выводом нагрузки 6, первый вывод высоковольтного управляемого разрядника 4 соединен со вторым выводом нагрузки 6. Аноды разрядных диодов 3 соединены с катодами зарядных диодов 2 и с первыми выводами модулей 5 ЕНЭ, катоды разрядных диодов 3 объединены и соединены со вторым выводом высоковольтного управляемого разрядника 4, а аноды зарядных диодов 2 объединены и соединены с положительным выводом зарядного устройства 1 непосредственно.
В качестве зарядных диодов 2 использованы полупроводниковые высоковольтные частотные диоды, номинальные параметры которых соответствуют номинальному зарядному току и уровню зарядного напряжения модулей ЕНЭ.
В качестве разрядных диодов 3 использованы полупроводниковые высоковольтные диоды, например таблеточной конструкции, номинальные параметры которых соответствуют величинам ударных токов, формируемых каждым модулем ЕНЭ, и уровню зарядного напряжения модулей ЕНЭ.
Устройство работает следующим образом.
В нормальном режиме работы устройства высоковольтный управляемый разрядник 4 разомкнут и конденсаторы n модулей ЕНЭ через зарядные диоды 2 заряжаются до уровня номинального напряжения. При подаче поджигающего импульса на высоковольтный управляемый разрядник 4 все конденсаторы n модулей ЕНЭ разряжаются через разрядные диоды 3 на нагрузку 6.
Если в процессе заряда (в динамическом режиме) происходит пробой одного из конденсаторов модуля 5 или в случае короткого замыкания в одном из n модулей 5 все конденсаторы (n-1) модулей 5 ЕНЭ разряжаются на аварийный конденсатор или на аварийный модуль через зарядные диоды 2. Но такой разряд будет происходить только в течение времени их обратного восстановления, которое не превышает единиц мкс, что и уменьшает вероятность взрыва аварийного конденсатора или модуля.
Если после окончания процесса зарядки, когда конденсаторы находятся под номинальным напряжением (в статическом режиме) происходит пробой одного из конденсаторов или короткое замыкание в одном из модулей ЕНЭ, все остальные конденсаторы не могут разрядиться на аварийный конденсатор или модуль из-за наличия зарядных диодов 2. Таким образом, исключается вероятность аварийного взрыва конденсаторов ЕНЭ в статическом режиме.
Если после заряда конденсаторов ЕНЭ до номинального напряжения и срабатывания высоковольтного управляемого разрядника 4 (динамический режим), происходит пробой одного из конденсаторов ЕНЭ или короткое замыкание в одном из модулей 5 ЕНЭ, то обратный ток через аварийный элемент будет ограничен разрядными диодами 3, и вероятность аварийного взрыва конденсаторов ЕНЭ будет снижена.
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство для защиты ЕНЭ обеспечивает надежную защиту элементов ЕНЭ как в статическом, так и в динамическом режимах работы.