КОМПАКТНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
COMPACT FREQUENCY HIGH-VOLTAGE IMPULSE GENERATOR

Изобретение относится к высоковольтной наносекундной технике и может использоваться для питания источников высокочастотного излучения, накачки газовых и твердотельных лазеров.
Генераторы импульсного напряжения по схеме Маркса широко используются для формирования наносекундных импульсов непосредственно на нагрузку. Максимальное напряжение генераторов, как правило, не превышает 1 MB. Увеличение мощности генератора, при заданной величине запасаемой в нем энергии, достигается снижением индуктивности и, соответственно, снижением волнового сопротивления. Для повышения эффективности передачи энергии генератора в нагрузку необходимо стремиться к выполнению условия, при котором величина волнового сопротивления генератора ρ не превышает половины величины активного сопротивления нагрузки (r>2ρ). Для уменьшения индуктивности генератор обычно размещается в герметичном корпусе, заполненном диэлектриком с высокой электрической прочностью.
Известен генератор импульсного напряжения, выполненный по схеме Маркса, содержащий конденсаторные ступени, диэлектрическую конструкцию, зарядные сопротивления, искровые разрядники, цилиндрический корпус, высоковольтный изолятор [1. Ковальчук Б.М., Месяц Г.А., Семин Б.Н., Шпак В.Т. Сильноточный наносекундный ускоритель для исследования быстропротекающих процессов. - ПТЭ, №4 1981, с.15-16.]. Ускоряющий промежуток ускорителя (400 кэВ, 5 кА, 5-150 нс, частота: 10 импульсов в минуту) подключен непосредственно к генератору импульсного напряжения. Генератор представляет собой цилиндрическую колонну, размещенную в заполненном азотом герметичном металлическом корпусе. Ступени генератора содержат шесть параллельно соединенных конденсаторов К15-4 цилиндрической формы и собираются в колонну с помощью металлических дисков и промежуточных изоляторов цилиндрической формы из органического стекла. Разрядники между ступенями размещены внутри колонны по оси симметрии корпуса. С помощью резиновых уплотнений между дисками и промежуточными изоляторами обеспечивается разделение внутреннего газового объема разрядников и внешнего объема газа в генераторе, что позволяет регулировать давление в разрядных промежутках, сохраняя электрическую прочность между колонной и корпусом. Генератор запускается с помощью дополнительного пускового разрядника, размещенного внутри генератора. Для стабилизации запуска разрядников второй и третьей ступеней генератора используются устройства подсветки зазоров ультрафиолетовым излучением по поверхности встроенного изолятора. Остальные разрядники срабатывают в результате перенапряжения на электродах. Для зарядки конденсаторов ступеней генератора от высоковольтного источника выпрямленного напряжения используются зарядные резисторы. Последняя ступень колонны соединена с вводом высоковольтного секционированного изолятора через разрядный промежуток.
Основным недостатком генератора является то, что в результате применения цилиндрических конденсаторов в ступенях снижается эффективность использования внутреннего объема генератора и плотность запасаемой в нем энергии. Кроме того, применение сопротивлений для зарядки конденсаторов ограничивает частоту следования импульсов, а активные потери в сопротивлениях снижают эффективность передачи энергии от высоковольтного источника в нагрузку. Индуктивность разрядного контура генератора имеет большое значение из-за размещения разрядников по оси симметрии корпуса, служащего обратным токопроводом.
3
Наиболее близким к изобретению техническим решением является компактный частотный генератор импульсного напряжения, выполненный по схеме Маркса, содержащий конденсаторные ступени, диэлектрическую конструкцию, зарядные дроссели, стягивающие диэлектрические шпильки, искровые разрядники, цилиндрический корпус, нижний фланец с кабельными и газовыми вводами, выходной высоковольтный изолятор [2. А.А.Neuber, Y.J.Chen, J.C.Dickens, M.Kristiansen. A COMPACT, REPETITIVE, 500 KV, 500 J. MARX GENERATOR. - in Proc. 15th IEEE Int. Pulsed. Power Conf., Monterey, CA, 2005, p.1203-1206.]. Параметры генератора: напряжение 500 кВ; энергия 500 Дж; частота следования импульсов 10 Гц; длительность пачки 1 сек. На согласованной нагрузке генератор обеспечивает импульс напряжения длительностью 200 нс при фронте 50 нс. Генератор размещен в цилиндрическом металлическом корпусе диаметром 300 мм и длиной 700 мм. В ступенях генератора используются по 4 параллельно соединенных конденсатора (6.1×7.01×1.02 см) с односторонним расположением выводов производства компании Reynold's Industries, США. Емкость конденсатора - 25 нФ, номинальное зарядное напряжение - 16 кВ. Количество ступеней - 25. Конденсаторы каждой ступени размещены в радиальных пазах диэлектрических дисков, размещенных перпендикулярно оси генератора, при этом выводы конденсаторов обращены к оси. Однополярные выводы конденсаторов ступеней объединены шинами, на которых установлены сферические электроды искровых разрядников диаметром 9.5 мм. Зазор между электродами разрядников смежных ступеней 2.3 мм. Между дисками ступеней установлены промежуточные цилиндрические изоляторы с центральным отверстием и торцевыми резиновыми уплотнениями, с помощью которых обеспечивается разделение газовых объемов генератора и разрядных промежутков. Разрядные промежутки размещены по оси генератора и образуют разрядную колонну со своим газовым объемом. Продувка газа обеспечивается через колонну и обратную диэлектрическую трубку. В отверстиях на периферии дисков установлены зарядные дроссели (1 мГн, 33 Ом) в виде многослойных катушек, размещенных в металлических корпусах цилиндрической формы с радиальными разрезами. В центральной части дросселя установлен контакт в виде цилиндрической пружины для соединения с последующим дросселем. Внешний диаметр корпуса дросселя 3.2 см, высота 1.3 см. С помощью металлических шпилек дроссели соединены с электродами разрядников. Диски ступеней и промежуточные изоляторы стягиваются диэлектрическими шпильками, закрепленными на нижнем фланце. Последняя ступень генератора соединена с вводом высоковольтного изолятора дискового исполнения. В нижнем фланце генератора установлены кабельные вводы зарядки и запуска, а также газовые вводы.
От высоковольтного источника выпрямленного напряжения через дроссели происходит параллельная зарядка конденсаторов ступеней за время порядка 100 мс. Запуск генератора происходит в результате подачи импульса высокого напряжения на электроды первого разрядника, последующие разрядные промежутки срабатывают в результате перенапряжений на электродах и дополнительной ионизации газовых промежутков ультрафиолетовым излучением от соседних разрядников через сквозные отверстия промежуточных изоляторов.
-0.5
Основным недостатком генератора является то, что, как и в аналоге, индуктивность разрядного контура генератора имеет большое значение из-за размещения разрядной колонны по оси симметрии корпуса. В режиме работы генератора на нагрузку (виркатор) наблюдается смена полярности тока и напряжения, что соответствует колебательному характеру разряда, при котором величина волнового сопротивления генератора ρ=(L/C)=18.5 Ом превышает половину от величины активного сопротивления нагрузки (r<2ρ). Критическая величина сопротивления нагрузки 37 Ом. При ее уменьшении снижается эффективность передачи запасенной в генераторе энергии в нагрузку и эффективность работы генератора. Это свидетельствует о том, что конструкция генератора недостаточно оптимизирована по критерию величины мощности. Для работы генератора на нагрузку в режиме апериодического разряда следует сократить индуктивность генератора. В общем случае индуктивность разрядного контура генератора определяется индуктивностями конденсаторов, шин, электродов, плазменных каналов разряда между электродами и их расположением относительно корпуса генератора, являющимся обратным токопроводом. При размещении электродов разрядников и плазменных каналов по оси симметрии генератора их индуктивность, определяемая в первом приближении как логарифм отношения диаметра корпуса к диаметру электродов и плазменного канала, имеет максимальное значение. Кроме того, применение принудительного запуска только на один, первый, разрядник снижает стабильность срабатывания генератора. Использование зарядных дросселей со значительным активным сопротивлением снижают эффективность передачи энергии от высоковольтного источника в нагрузку, и приводит к их перегреву и, тем самым ограничивает длительность пачки импульсов генератора. При индуктивности на ступень 55 нГн, общем количестве ступеней 25 и напряжении холостого хода 500 кВ показатель отношения индуктивности к напряжению (нГн/кВ) составляет 2.75.
В предлагаемом изобретении решается задача повышения мощности генератора при заданных размерах и величине запасаемой энергии.
Сущность изобретения заключается в компактном частотном генераторе импульсного напряжения, выполненного по схеме Маркса, содержащем конденсаторные ступени, диэлектрическую конструкцию, зарядные дроссели, искровые разрядники, цилиндрический корпус с кабельными и газовыми вводами на нижнем фланце, выходной высоковольтный изолятор. В этом генераторе, согласно изобретению, конденсаторные ступени выполнены в виде последовательно соединенных слоев, состоящих из плоских конденсаторов прямоугольного сечения с двухсторонним расположением выводов. Слои расположены перпендикулярно оси цилиндрического корпуса, последовательное соединение слоев выполнено плоскими металлическими шинами, выводные шины всех ступеней расположены с одной стороны продольной оси цилиндрического корпуса. Между слоями установлены тонкие диэлектрические прокладки, которые обеспечивают барьерную изоляцию между смежными слоями, имеющими разные электрические потенциалы. В частном случае искровые разрядники генератора могут быть выполнены в виде двух изоляционных колонн цилиндрического исполнения, состоящих из соосных металлических дисков с проходными отверстиями и разделительных изоляторов с торцевыми резиновыми уплотнениями и центральным сквозным отверстием. В середине каждого второго изолятора установлен с помощью радиального стержня с резиновым уплотнением внутренний промежуточный электрод в виде цилиндрической обечайки. С одной стороны каждого диска установлены соосно цилиндрические скругленные электроды, обращенные в сторону промежуточного электрода. Каждая такая секция образует трехэлектродный искровой разрядник. Разрядные колонны размещены в пространстве между конденсаторными ступенями и корпусом со стороны контактов выводных шин конденсаторных ступеней и симметрично относительно середины ступени. Оси разрядных колонн смещены от оси корпуса генератора на одинаковом расстоянии. Разрядная цепь генератора образует S-образную схему, при которой нечетные разрядники используются из одной колонны, четные - из другой.
Генератор может быть оснащен емкостным делителем для измерения напряжения на выходе генератора. Высоковольтный электрод делителя выполнен в виде замкнутой металлической фольги, установленной на внешней образующей поверхности выходного высоковольтного изолятора, выполненного в форме диска. Такой делитель позволяет контролировать выходное напряжение генератора при его работе в разных режимах и при различных характеристиках нагрузки.
Компактный частотный генератор импульсного напряжения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена упрощенная схема нескольких первых ступеней, на фиг.2 представлен общий вид коммутационной цепи генератора, на фиг.3 представлено сечение генератора перпендикулярно оси корпуса, на фиг.4 представлены результаты расчета погонной индуктивности коаксиального кабеля со смещенным внутренним проводником, на фиг.5, 6 представлены результаты численного моделирования электростатических полей в трехэлектродном разряднике, на фиг.7 представлено исполнение высоковольтного плеча емкостного делителя напряжения, на фиг.8 представлены экспериментальные осциллограммы тока и напряжений при работе генератора на активную нагрузку 30 Ом.
3
Конденсаторная ступень (фиг.1) состоит из четырех слоев плоских конденсаторов прямоугольного сечения (9.68×6.6×1.02 см) с двухсторонним расположением выводов, емкость каждого конденсатора 50 нФ, номинальное зарядное напряжение 10 кВ. Эквивалентная емкость ступени ~37.5 нФ. В каждом слое содержится по три конденсатора 1. Слои соединены между собой плоскими шинами 2. Первая выводная шина 3 первой ступени в представленном генераторе установлена на нижнем фланце 4 корпуса 5 и имеет земляной потенциал. Соединительные шины между слоями и выводные шины ступеней состоят из двух пластинок, между которыми с помощью винтов зажимаются проволочные выводы конденсаторов. На второй выводной шине 6 первой ступени, также и на выводных шинах последующих ступеней установлено с помощью винтов по одному контакту 7 в виде металлического уголка для соединения с дисками электродов 8 разрядников. Контакты выполнены в виде неравносторонних угольников, большие стороны которых ориентированы навстречу. Их ширина соизмерима с диаметром диска. Контакты расположены симметрично относительно середины секции, причем контакты между первой и второй ступенями расположены с одной стороны, между второй и третьей ступенями - с другой стороны и т.д. Ступени установлены на полках диэлектрической конструкции в виде этажерки, роль диэлектрических барьеров между смежными ступенями выполняют полки. На краях выводных шин ступеней установлены цанговые контакты 9 для соединения с металлическими дисками 10 зарядных дросселей 11. Зарядное напряжение подводится через кабельный ввод 12. В плане конденсаторная ступень имеет форму прямоугольника, ограниченного по ширине поперечными размерами трех конденсаторов и толщиной боковых стенок изоляционной этажерки. Длина ступени определяется длиной конденсатора, толщиной соединительных шин и выступающими краями диэлектрических прокладок между смежными слоями. Высота ступени определяется высотой четырех слоев конденсаторов и толщиной трех слоев диэлектрических прокладок между слоями. Для упрощения чертежа стенки и полки этажерки и диэлектрические прокладки между слоями не показаны.
Коммутационная цепь генератора совместно с зарядными дросселями схематично представлена на фиг.2. Искровые разрядники генератора выполнены в виде двух изоляционных колонн 13, 14 цилиндрического исполнения. Каждая колонна имеет нижние 15, 16, верхние 17, 18 и средние 19, 20 разделительные изоляторы, которые обеспечивают необходимую электрическую изоляцию при заряде конденсаторных ступеней и срабатывании разрядников. Изоляторы имеют сквозные отверстия 21 и торцевые уплотнения 22. Для увеличения расстояния по поверхности, с целью повышения электрической прочности, внешние и внутренние поверхности изоляторов профилированы пазами и выступами. Между разделительными изоляторами установлены металлические диски 23 с проходными отверстиями 24 и канавками 25 для центровки. В середине каждого второго изолятора установлен внутренний промежуточный электрод в виде цилиндрической обечайки 26, который зафиксирован с помощью радиального стержня 27 с резиновым уплотнением 28. С одной стороны каждого диска установлены соосно цилиндрические скругленные электроды 8, обращенные в сторону промежуточного электрода. Зазор между электродами 4.2 мм. Каждая такая секция образует трехэлектродный искровой разрядник.
Со стороны высоковольтного вывода разрядные колонны соединены диэлектрической трубкой 29, обеспечивающей последовательное соединение для заполнения газом и его продувки через проходные отверстия в нижнем фланце. Внутренний объем колонн заполняется азотом при давлении до 0.5 МПа через отверстия 30 в нижнем фланце. Материал изоляторов - органическое стекло, дисков - алюминиевый сплав, электродов - латунь. Газовые объемы генератора и разрядных колонн раздельные.
Для зарядки конденсаторных ступеней генератора используются дроссели 11, намотанные в один слой медным проводом ПЭВ2 (константан) диаметром 0,5 мм. Величина индуктивности зарядных дросселей достигает ~50 мкГн. Основой для намотки является изоляционная труба 31. Для последовательного соединения дросселей используются металлические диски 10, закрепленные на изоляционной трубе стопорными винтами. На каждом диске установлена радиально вилка 32 цангового разъема для соединения с выводной шиной конденсаторной ступени. Внутри изоляционных труб зарядных дросселей проходят стягивающие шпильки 33, установленные между нижним фланцем 4 корпуса и высоковольтным экраном 34.
С целью повышения стабильности работы генератора применена схема принудительного изменения потенциала промежуточного электрода до нулевого значения. Управление работой разрядников осуществляется с помощью резисторов связи 35 (ТВО-5 1,2 кОм), установленных между промежуточными электродами с помощью плоских шин прямоугольной формы 36. Каждая шина соединена с промежуточным электродом с помощью радиального стержня с резиновым уплотнением. В номинальном режиме перед пуском промежуточные электроды находятся под напряжением - 25 кВ. Запуск осуществляется принудительно путем заземления промежуточных электродов через резисторы связи, кабельную линию и искровой разрядник внешнего блока запуска. Пусковые резисторы размещены в промежуточном пространстве между разрядными колоннами.
Взаимное расположение конденсаторных ступеней, изоляционных колонн искровых разрядников и зарядных дросселей относительно корпуса схематично представлено на фиг.3. Внутренний диаметр корпуса 5 генератора составляет 300 мм. В одном слое ступени шинами 2 соединено три конденсатора 1. Между слоями расположены диэлектрические прокладки 37. Полки 38 закреплены на стенках 39 изоляционной этажерки. Со стороны выводных шин 6 ступеней установлены две разрядные колонны 13, 14. В пазы внешней поверхности разделительных секций разрядных колонн заходят кромки полок этажерки. Расстояние между осью корпуса и осями разрядных колонн в представленном варианте составляет ~96 мм, расстояние между колоннами ~90 мм. Для стяжки конструкции генератора и уплотнения внутреннего объема разрядных колонн используются три диэлектрических шпильки 33, на двух из них со стороны выводных шин ступеней установлены дроссели 11. Промежуточные электроды разрядников соединены шинами 36 с резисторами связи 35.
Численное моделирование показало, что в результате размещения разрядных колонн между выводами ступеней и стенкой корпуса достигается снижение индуктивности разрядного контура генератора. Расстояния между разрядными колоннами и между колоннами и стенкой корпуса определяются из условия необходимой электрической прочности газовых промежутков. Расчет индуктивности разрядного контура генератора представляет сложную трехмерную задачу. Основной вклад в индуктивность разрядного контура вносят индуктивности конденсаторов, шин, разрядников, плазменных каналов с учетом их взаимного расположения и расположения относительно корпуса генератора, являющимся обратным токопроводом. Индуктивность ступени определяется собственной индуктивностью конденсаторов и индуктивностью соединений между ними. Для сокращения индуктивности ступени применяется бифилярная схема протекания токов при минимальных зазорах между слоями.
Для пояснения зависимости основной составляющей индуктивности электродов разрядников и плазменных каналов от расположения разрядников относительно обратного токопровода на фиг.4 приведены результаты расчета простой модели, состоящей из внешнего электрода (корпуса генератора) и одного внутреннего электрода (разрядной колонны). Расчет проводился по известным формулам при весьма высокой частоте [3. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. - Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.133-139.]:
- для коаксиального кабеля;
- для кабеля со смещенными осями,
где:
0
-7
µ=4π·10 Гн/м - магнитная постоянная;
2R - диаметр внешнего электрода;
2r - диаметр разрядного токопровода;
d - расстояние между осями внешнего электрода и разрядного токопровода.
0
Из расчетов следует, что при внутреннем диаметре корпуса 2R=300 мм, диаметре разрядного токопровода 2r=10 мм (R/r=30) и смещении его оси d=96 мм от оси генератора погонная индуктивность L снижается примерно на 16% относительно размещения разрядной колонны по оси генератора L.
Проведено численное моделирование электростатических полей в трехэлектродном разряднике. В статическом режиме (фиг.5) напряженность электрического поля на рабочих поверхностях высоковольтного и низковольтного электродов достигает 76 кВ/см, на кромках промежуточного электрода - 54 кВ/см. Максимальная величина тангенциальной составляющей напряженности электрического поля на границе изолятор-газ составляет 21 кВ/см.
В управляемом режиме (фиг.6) при достижении потенциала промежуточного электрода нулевого значения (потенциал корпуса генератора) максимальная напряженность электрического поля на поверхности высоковольтного электрода составляет 150 кВ/см, на кромке промежуточного электрода - 120 кВ/см. Таким образом, при запуске напряженность электрического поля на кромке управляющего электрода возрастает более чем в 2 раза, что позволяет обеспечить сильное перенапряжение промежутка.
После пробоя и замыкания первого промежутка на электродах второго промежутка возникают напряженности, аналогичные предыдущему режиму 150 кВ/см и 120 кВ/см, что создает достаточные условия для надежного его пробоя.
3
Выходное напряжение генератора контролируется емкостным делителем, высоковольтное плечо которого образовано емкостью между замкнутой металлической фольгой 40, установленной на внешней образующей поверхности дискового высоковольтного изолятора 41 и высоковольтным выводом генератора 42 (фиг.7.). Фольга изолирована от внешнего заземленного экрана 43 слоем пленочной изоляции 44. Отверстие 45 используется для установки контакта между фольгой и низковольтным плечом делителя. Коэффициент деления емкостного датчика - 63×10.
Компактный частотный генератор импульсного напряжения работает следующим образом. Ступени конденсаторов в количестве 12 штук заряжаются параллельно до напряжения 50 кВ от высоковольтного источника постоянного напряжения (50 кВ, 0.3 А) за время ~60 мс. Рабочее напряжение конденсатора составляет 12.5 кВ, что допускается изготовителем. По достижении заданного уровня напряжения источник выдает синхроимпульс «конец окончания заряда» для запуска внешнего генератора. Схема управления внешнего генератора по этому сигналу формирует сигнал «запрет заряда» и через 2 мс сигнал пуска на тиристор в трансформаторной схеме. При срабатывании компактного частотного генератора на нагрузку сигнал «конец окончания заряда» пропадает, а сигнал «запрет заряда» остается. В режиме «одиночный пуск» сигнал «запрет заряда» присутствует постоянно и снимается путем включения процесса зарядки источника. В режиме пачки импульсов сигнал «запрет заряда» активен только в течение последующих 40-50 мс и снимается автоматически, затем последовательные процессы заряда и разряда генератора повторяются в течение 10 сек.
Трансформаторная схема запуска выдает высоковольтный импульс напряжения амплитудой до 20 кВ (положительной полярности относительно корпуса) на средний электрод пускового трехэлектродного газового разрядника. Высоковольтный электрод этого разрядника изначально находится под отрицательным потенциалом, равным половине зарядного напряжения ступени генератора. Посредством радиочастотного кабеля высоковольтный электрод пускового разрядника через резисторы соединяется с промежуточным электродом разрядника второй ступени. В результате срабатывания пускового разрядника блока запуска потенциал на промежуточном электроде резко снижается, что приводит к увеличению напряжения на другом зазоре разрядника, и его электрическому пробою. Пусковой импульс напряжения от внешнего генератора воздействует одновременно на все промежуточные электроды разрядных промежутков генератора через пусковые резисторы связи величиной 1.2 кОм, в результате чего последовательно срабатывают все разрядники генератора.
Разрядный ток частотного генератора контролируется магнитоиндукционным датчиком, установленным на нижнем фланце, выходное напряжение - емкостным делителем в районе высоковольтного изолятора. При максимальном зарядном напряжении 50 кВ на эквиваленте нагрузки 30 Ом зарегистрирован импульс напряжения амплитудой 400 кВ при длительности на полувысоте 120 нс и фронте 30 нс (фиг.8.). По результатам обработки экспериментальных данных при испытаниях в режиме короткого замыкания определена индуктивность разрядного контура частотного генератора, она составила 820 нГн, емкость в ударе - 3,25 нФ. Как видно из осциллограмм (фиг.8.), где канал 1 - напряжение омического делителя нагрузки, канал 2 - напряжение емкостного делителя, канал 3 - ток магнитоиндукционного датчика, параметры генератора обеспечивают работу на нагрузку 30 Ом в режиме, близком к апериодическому разряду. Запасаемая энергия 585 Дж, частота следования импульсов 10 Гц, длительность пачки 10 секунд.
При индуктивности генератора 820 нГн и напряжении холостого хода 600 кВ показатель отношения индуктивности к напряжению (нГн/кВ) составляет 1.36, что примерно на 50% меньше, чем у прототипа. Внутренний диаметр корпуса предлагаемого компактного частотного генератора импульсного напряжения составляет 300 мм, длина корпуса - 640 мм. С учетом изложенного видно, что при сравнимых с прототипом геометрических размерах в предлагаемом изобретении решена задача повышения мощности генератора при заданных размерах и величине запасаемой энергии.