Генератор импульсных токов и напряжений для промышленной электроимпульсной установки

Полезная модель относится к техническим средствам генерирования импульсов напряжения (ГИН) и тока (ГИТ) для электроимпульсной (ЭИ) дезинтеграции материалов (ЭИД). Может также использоваться для промышленной электроимпульсной установки с целью проведения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Под ГИН-ГИТ понимается лишь та часть промышленной электроимпульсной установки, которая создает электрический импульс достаточный для электроимпульсного разрушения диэлектрических материалов.
Электроимпульсные установки (аппараты) ЭИ-дезинтеграции, кроме генератора высоковольтных импульсов, также включают в себя источник питания или зарядное устройство (ЗУ), систему управления и зашиты электрической сети, дезинтеграционную камеру.
Генератор ГИН-ГИТ предназначен для использования в технологическом электроимпульсном опробовании горных пород, руд и различных технических материалов (ЖБИ, электрокорунд, абразивы и пр.). Подобные исследования выполняются на образцах материала ограниченного веса, путем электроимпульсной дезинтеграции навесок материала, величина которых определяется конструкцией дезинтеграционного аппарата (пробойник, сито, камера).
В практике электроимпульсного способа разрушения материалов в основном использовался классический генератор импульсных напряжений (ГИН) Аркадьева-Маркса (см. «Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии», 2-е изд. - Л.: Наука, 2000. с. 44). Классический ГИН (Аркадьева-Маркса) представляет собой систему конденсаторов, которые длительно заряжаются при их параллельном соединении и затем, при достижении заданного уровня зарядного напряжения, разряжаются при их последовательном соединении. Схематично это представлено на фиг. 1.
Классический ГИТ представляет собой батарею параллельно соединенных заряженных конденсаторов (фиг. 2), число которых определяют запасаемую энергию ГИТ:
где n - число параллельных конденсаторов, С - емкость единичного конденсатора.
Конденсаторная батарея ГИТ заряжается от зарядного устройства (ЗУ) и разряжается на нагрузку - объект испытания или исследования. Батарея разряжается на нагрузку коммутирующим устройством - управляемым разрядником.
Основным требованием к ГИТ по определению является получение максимальной (или требуемой) амплитуды тока и скорости его нарастания в нагрузке. ГИН и ГИТ предназначены для создания напряжения грозового и коммутационного импульса в диапазоне от 100 кВ до 12000 кВ и энергией импульса от 500 Дж до 1800 кДж различных электрофизических установок.
Также известны примеры применения каскадных генераторов, генераторов импульсов с разделительными дросселями по схеме умножения напряжения, генераторов наносекундных импульсов, генераторов с использованием импульсных трансформаторов, магнитных ключей (magnetic switch) и диодов (см. книгу Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. «Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии», 2-е изд. - Л.: Наука, 2000. с. 101-106).
В генераторе импульсов на фиг. 3 в роли разделительных элементов, подключенных к высоковольтному полюсу источника питания, применены диоды, включенные в направлении протекания токов зарядки накопителей С1. После коммутации разрядников, емкость С2 подключается к нагрузке по контуру земля - C2-D1-D1 - F - РП - земля, при этом С2>>С1. Диоды препятствуют разрядке накопителей С1 в контурах C1 - D1 - F, а с другой стороны, пропускают униполярный импульс тока от ГИТ (С2).
Недостатком генератора представленного на фиг. 3 является необходимость использования высоковольтных сильноточных выпрямителей, ранее выпускаемых промышленностью на ограниченные параметры и представляющие сложные дорогостоящие приборы. Описание применения ГИН с использованием диодов представлено в книге Усов А.Ф., Семкин Б.В., Зиновьев Н.Т. «Переходные процессы в установках электроимпульсной технологии», 2-е изд. - Л.: Наука, 2000. с. 107.
Все вышеперечисленные генераторы не нашли широкого применения для реализации промышленного использования метода электроимпульсной дезинтеграции материалов по ряду причин - из-за неудовлетворительных массо-габаритных характеристик, неудовлетворительных энергетических и производительных характеристик, высокого риска пробоя изоляции.
Для реализации ЭИ разрушения материалов необходимо генерирование высоковольтных импульсов с достаточными энергетическими характеристиками и скоростью нарастания фронта импульса напряжения.
Для решения данной задачи предлагается устройство, состоящее из основного источника энергии - генератора импульсных токов (ГИТ) и дополнительного источника энергии - генератора импульсных напряжений (ГИН), который служит для создания так называемого пробоя - формирования магистральной трещины. Также устройство состоит из высоковольтных диодов. Принципиальная особенность генератора с двумя источниками энергии состоит в возможности адаптации энергетических параметров импульса для реализации эффективного процесса электроимпульсного разрушения.
ГИТ
ГИН
ГИТ
ГИН
Настоящее устройство, как и генератор, представленный на фиг. 3, состоит из нескольких накопителей энергии (С и С) - высоковольтных импульсных конденсаторов различной емкости, представляющих ступени напряжения генератора. Количество ступеней ГИН, а также соотношение между емкостями накопителей С и С определяет режим импульсного воздействия на материал. Настоящее устройство отличается от генератора ГИН-ГИТ тем, что выполнено совмещение в одном устройстве конденсаторов с отличающимися емкостями в несколько раз. Одна ступень ГИН=0,01 мкФ, ГИТ=0,4 мкФ. Это позволяет более эффективно отстраивать режим импульсного воздействия на материал.
ЗАЩ
Электрическая схема генератора ГИН-ГИТ для промышленной электроимпульсной установки изображена на фиг. 4. В общем виде соединение ступеней генератора описывается следующим образом: вывод высокого потенциала (на схеме точки 1, 3, 5 и т.д.) конденсатора одной ступени соединен с выводом нулевого потенциала (на схеме точки 2, 4 и т.д.) конденсатора другой ступени через шаровой разрядник. Потенциальные и нулевые выводы конденсаторов также соединяются друг с другом с помощью зарядных сопротивлений (R). К входу генератора подключается защитное сопротивление (R), определяющее скорость и величину тока заряда конденсаторов.
ЗАЩ
ГИТ
ГИН
0
От высоковольтного зарядного устройства ЗУ 1, через защитное сопротивление R 2 и зарядные сопротивления R 3 производится заряда конденсаторов генератора 4 С и С 5 до напряжения U, определяемого длиной разрядного воздушного промежутка 1. После пробоя воздушного промежутка первого разрядника паразитная емкость нулевого вывода второй ступени быстро заряжается. При этом к нулевому выводу будет приложен потенциал U относительно потенциала заземляющего проводника 6, что вызывает перезарядку емкости второй ступени и появление перенапряжения на втором искровом разряднике 7. Под воздействием перенапряжения промежуток второго разрядника пробивается. Таким образом, друг за другом происходит пробой всех разрядников до отделительного разрядника ОР 8. После пробоя всех разрядников, емкости генератора (как и диодные сборки) соединяются последовательно, а на выходе генератора образуется напряжение (n+1)⋅U. Данное напряжение прикладывается к нагрузке 9, что вызывает ее электрический пробой.
После пробоя, напряжение на нагрузке резко падает ниже уровня запирающего напряжения для соединенных последовательно диодных сборок. При этом происходит довольно быстрый разряд первого конденсатора с большой емкостью в образованный пробоем плазменный канал через все диоды. Быстрое выделение энергии первого накопителя приводит к расширению канала пробоя и разрыву изнутри фрагментируемого материала. Таким образом, энергия малых емкостей ГИН и частично энергия ГИТ затрачивается на формирование канала пробоя, тогда как оставшаяся часть энергии ГИТ идет на расширение канала и разрушение материала.
ЗАЩ
ГИТ
ГИН2
ГИН9
H
Описание работы генератора представлено фиг. 5. Конденсатор ГИТ первой ступени 3 соединен с выводом нулевого потенциала конденсатора другой ступени через шаровой разрядник. Потенциальные и нулевые выводы конденсаторов также соединяются друг с другом с помощью зарядных сопротивлений (R) 2. К входу генератора подключается защитное сопротивление (R) 1, определяющее скорость и величину тока заряда конденсаторов. Первый конденсатор генератора (С) 3 имеет наибольшую емкость из всех и выполняет роль генератора импульсных токов, а также частично генератора импульсных напряжений. Один из его выводов 7 подключается напрямую к заземляющему проводнику 8, второй вывод 9 (на схеме точка 1) - соединяется через искровой разрядник 5 с нулевым выводом следующей ступени 10 (на схеме точка 2). Остальные конденсаторы (С - С) имеют емкость, в несколько раз меньшую, чем у конденсатора первой ступени, и образуют генератор импульсных напряжений. Потенциальный вывод конденсатора последней ступени 11 соединяется с нагрузкой (R) 12 через отделительный разрядник (ОР) 17. Нагрузка 12 и вывод нулевого потенциала ГИТ 3 подключены к общему контуру заземления через шину 18.
Параллельно всем ступеням генератора, кроме первой, в запирающем направлении подключаются диодные сборки (D) 13 (фиг. 6, 7), представляющие собой несколько последовательно соединенных лавинных диодов, собранных в столбы и сжатых металлическими контактными пластинами 14. Между диодами вкладываются медные пластины 15. Параллельно каждому диоду к медным пластинам припаиваются керамические конденсаторы 16, выравнивающие потенциал между диодами при срабатывании генератора. Сборка диодов в настоящем устройстве в отличие от рассматриваемого аналога, в котором диоды представлены единичными элементами (фиг. 3), применяется для того, чтобы при возникновении высокочастотных колебаний большой амплитуды в контурах ступеней ГИН и ГИТ, после срабатывания разрядников, диоды не были выведены из строя повышением напряжения на них благодаря обратимому лавинному пробою.
ЗАЩ
0
1÷i
0
Величина защитного сопротивления R должна в несколько раз превышать величины зарядных сопротивлений R для обеспечения одновременности заряда конденсаторов ступеней. Величины зарядных сопротивлений R выбираются достаточными для предотвращения разряда через них емкостей ступеней при срабатывании генератора. Длина воздушного промежутка первого искрового разрядника 1 выбирается исходя из требуемого напряжения на выходе генератора. Промежутки остальных разрядников 1 и ОР выставляются одинаковыми или немного большими, чем промежуток 1.
Использование генератора ГИН-ГИТ позволяет оптимизировать энергозатраты на электроимпульсное разрушение материалов, повысить производительность процесса дезинтеграции, уменьшить рабочие напряжения, тем самым сократив риск пробоя изоляции. Осциллограмма разряда ГИН-ГИТ с выходным напряжением 135 кВ на резистивную нагрузку представлена на фиг. 8. На осциллограмме можно выделить 2 участка:
1) кратковременный импульс высокого напряжения до 135 кВ с малым фронтом - разряд части ГИН;
2) длительный спад напряжения после снижения до 15-17 кВ - разряд части ГИТ.