ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ НА ИНДУКТИВНОМ НАКОПИТЕЛЕ ЭНЕРГИИ С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ СВЯЗЬЮ
PULSE GENERATOR BASED ON INDUCTIVE ENERGY STORAGE UNIT WITH MAGNETIC COUPLING

Изобретение относится к области мощной сильноточной импульсной электротехники, а более конкретно к устройствам для генерации мощных (терраваттных) импульсов наносекундной длительности.
Из достигнутого уровня техники известны различные пути решения задачи по повышению эффективности вывода энергии, накопленной в индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью, в нагрузку (И.П.Верещагин. Анализ трансформаторной схемы индуктивного накопителя энергии. Труды МЭИ, вып.45, 1963 с.21-24; SU №1029402, А, 1983; RU №2143172, С1, 1999; RU №2161857, C1 2001 и др.). Однако проблеме, связанной с тем, что при выводе накопленной энергии из вторичной обмотки в нагрузку напряжение на первичной обмотке возрастает в М раз, где М соотношение витков первичной и вторичной обмоток, специалистами в данной области не было уделено должного внимания. По всей видимости это связано с тем, что известные из уровня техники электромагнитные экраны (Г.Каден. Электромагнитные экраны в высокочастотной технике. ГЭИ, М., 1957) не могут быть использованы для экранирования первичной обмотки индуктивного накопителя энергии с трансформаторной связью.
В качестве прототипа был взят генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью, включающий источник питания, управляемый ключ, индуктивный накопитель энергии, содержащий первичную обмотку, N-секционную вторичную обмотку, две группы замыкателей по N штук в каждой, N размыкателей и индуктивную нагрузку, при этом источник питания через управляемый ключ соединен с первичной обмоткой индуктивного накопителя энергии, начало каждой секции вторичной обмотки индуктивного накопителя энергии соединено с первым выводом соответствующего каждой секции замыкателя из первой группы замыкателей, второй вывод замыкателей из первой группы замыкателей соединен с первым выводом нагрузки и первым выводом соответствующего каждой секции размыкателя, конец каждой секции вторичной обмотки соединен с первым выводом соответствующего каждой секции вторичной обмотки замыкателя из второй группы замыкателей и со вторым выводом соответствующего каждой секции размыкателя, а вторые выводы всех замыкателей второй группы замыкателей соединены со вторым выводом нагрузки (SU №1029402, А, 1983).
Основной недостаток прототипа заключается в том, что при выводе накопленной энергии в нагрузку напряжение на первичной обмотке индуктивного накопителя энергии в М раз превышает напряжение на нагрузке, где М - соотношение витков первичной и вторичной обмоток индуктивного накопителя энергии. В результате возникновения перенапряжения на управляемом ключе, включенным в цепь первичной обмотки индуктивного накопителя энергии, имеет место дугообразование, приводящее к существенным потерям первоначально накопленной энергии.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению экранирования первичной обмотки индуктивного накопителя энергии в интервале времени, соответствующем выводу накопленной энергии в нагрузку путем возбуждения в момент начала вывода накопленной энергии волны напряжения в отрезках коаксиальной линии, при этом каждый отрезок коаксиальной линии образован соответствующим витком первичной обмотки индуктивного накопителя энергии и охватывающим его и соответствующим ему электромагнитным экраном трубчатой формы, а удвоенное время пробега упомянутой выше волны по каждому отрезку коаксиальной линии равно времени вывода накопленной энергии в нагрузку. Достигаемый при этом технический результат заключается в снижении напряжения на первичной обмотке индуктивного накопителя энергии (во время вывода накопленной энергии в нагрузку) до величины, приблизительно равной напряжению на нагрузке, благодаря чему предотвращается дугообразование на управляемом ключе, включенным в цепь первичной обмотки и, следовательно, - потери накопленной энергии.
Поставленная задача решена тем, что генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью, содержащий источник питания, первый управляемый ключ, замыкатель, индуктивный накопитель энергии, включающий первичную обмотку и N-секционную вторичную обмотку и нагрузку, отличающийся тем, что он дополнительно содержит второй и третий управляемые ключи, индуктивный накопитель энергии включает однослойную катушку в виде свернутых в цилиндрическую или тороидальную N-витковую спираль двух коаксиально распложенных проводников, при этом внутренний проводник образует N-витковую первичную обмотку, а внешний проводник выполнен в виде расположенных последовательно вдоль общей оси для внутреннего и внешнего проводников N одинаковых и изолированных друг от друга элементов трубчатой формы, образующих N одинаковых одновитковых секций вторичной обмотки индуктивного накопителя энергии, между каждым витком первичной обмотки и охватывающим его витком вторичной обмотки размещен соответствующий им электромагнитный экран трубчатой формы, при этом между соответствующим началу каждой секции вторичной обмотки торцом соответствующего ей витка и расположенным рядом с ним первым торцом соответствующего этому витку вторичной обмотки экрана размещен коммутатор в виде кольцевого искрового разрядника, а второй, противоположный, торец каждого экрана электрически и механически соединен с внутренним проводником с образованием совместно с охватываемым им витком первичной обмотки соответствующего замкнутого на конце отрезка коаксиальной линии, первый вывод источника питания соединен с первым выводом первого управляемого ключа, второй вывод которого соединен с первым выводом второго управляемого ключа, началом первого витка первичной обмотки и первым выводом замыкателя, второй вывод которого соединен с первым выводом третьего управляемого ключа, параллельно которому включена нагрузка, второй вывод источника питания соединен со вторым выводом второго управляемого ключа, с концом последнего витка первичной обмотки и со вторым выводом третьего управляемого ключа, витки N-секционной вторичной обмотки соединены параллельно между собой, при этом соединенные между собой начала всех витков вторичной обмотки соединены с первым выводом третьего управляемого ключа, второй вывод которого соединен с объединенными между собой концами всех витков вторичной обмотки, при этом толщина δ экранов удовлетворяет соотношению:
0
1/2
δ≥10·[τ/(µµσ)],
где τ - время распространения электромагнитной волны до конца упомянутого выше отрезка коаксиальной линии, при этом 2τ равно времени вывода накопленной энергии в нагрузку [с];
µ - магнитная проницаемость материала экранов;
0
-7
µ = 4π·10 [Гн/м];
-1
-1
σ - проводимость материала [Ом·м].
Кроме того, поставленная задача решена тем, что упомянутый выше второй торец каждого экрана посредством от 4 до 12 перемычек, распложенных радиально и на одинаковом угловом расстоянии относительно друг друга электрически и механически соединены с внутренним проводником в местах, расположенных как по окружности, лежащей в плоскости сопряжения витков первичной обмотки между собой, так и лежащей на конце последнего витка первичной обмотки, при этом суммарное сопротивление упомянутых выше перемычек много меньше ρ, где ρ - волновое сопротивление упомянутых выше отрезков коаксиальной линии, удовлетворяющих соотношению:
2
0
ρ≥10·U/I,
где U - напряжение, индуцируемое на входе каждого отрезка коаксиальной линии [В];
0
I - ток в первичной обмотке, соответствующий накопленной энергии [А].
Преимущество патентуемого генератора импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью, по сравнению с прототипом, заключается в том, что при минимальных затратах энергии (не превышающих 1.5÷2% от первоначально накопленной энергии) на возбуждение волновых процессов, обеспечивающих эффективное экранирование первичной обмотки индуктивного накопителя энергии в течение всего времени вывода накопленной энергии в нагрузку, в результате экранирования напряжение на первичной обмотке индуктивного накопителя энергии (во время вывода энергии в нагрузку) приблизительно равно напряжению на нагрузке, а следовательно, не возникает дугообразования на управляемом ключе, включенном в цепь первичной обмотки, а также связанные с дугообразованием значительные потери ранее запасенной энергии.
В дальнейшем настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения упомянутого выше технического результата патентуемой совокупностью существенных признаков. Остальные технические результаты, достигаемые при использовании патентуемого устройства, станут ясными из дальнейшего изложения.
На фиг.1 изображена принципиальная схема генератора импульсов на индуктивном накопителе энергии; на фиг.2 - узел соединения последнего витка первичной обмотки индуктивного накопителя энергии с соответствующим ему электромагнитным экраном, вид сбоку.
1
2
3
N-1
N
1
2
3
N-1
N
n
n
n
1
N
n
n
n
i
i
i+1
N
N
1
N
1
N
Генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью содержит (фиг.1) источник 1 питания, предпочтительно генератор тока, первый управляемый ключ 2, второй управляемый ключ 3, третий управляемый ключ 4, параллельно которому подключена нагрузка 5, предпочтительно индуктивная, а также замыкатель 6, предпочтительно искровой разрядник, и индуктивный накопитель 7 энергии. Индуктивный накопитель 7 энергии включает однослойную катушку в виде свернутой в цилиндрическую или тороидальную N-витковую спираль двух коаксиально расположенных (аналогично тому, как в коаксиальном кабеле) проводников, при этом внутренний проводник образует N витков 8, 8, 8,….8, 8 первичной обмотки индуктивного накопителя 7 энергии, а внешний проводник выполнен в виде расположенных последовательно вдоль общей оси для внутреннего и внешнего проводников N одинаковых и изолированных друг от друга элементов трубчатой формы, образующих соответственно витки 9, 9, 9, …., 9 и 9одинаковых одновитковых секций N-секционной вторичной обмотки индуктивного накопителя 7 энергии. Между каждым витком 8, где n=l,2,3,.…, N первичной обмотки и охватывающим его витком 9 N-секционной вторичной обмотки размещен соответствующий им электромагнитный экран трубчатой формы 10, при этом все экраны 10÷10 выполнены одинаковыми. Между соответствующим началу каждой n-й секции вторичной обмотки торцом витка 9 и расположенным рядом с ним первым торцом соответствующего этому витку экрана 10 размещен коммутатор 11 в виде искрового разрядника, причем второй (противоположный) торец каждого экрана 10, где i=1,2,3,…,N-1, посредством от 4 до 12 перемычек 12, расположенных радиально и на одинаковом угловом расстоянии относительно друг друга, электрически и механически соединен с внутренним проводником 13 в местах, расположенных по окружности, лежащей в плоскости сопряжения витка 8, с витком 8 первичной обмотки индуктивного накопителя 7 энергии. Что касается второго торца экрана 10, то он электрически и механически соединен, аналогично тому, как описано выше, с концом витка 8 первичной обмотки индуктивного накопителя 7 энергии (фиг.2). Первый вывод источника 1 питания соединен с первым выводом первого управляемого ключа 2, второй вывод которого соединен с первым выводом второго управляемого ключа 3, началом витка 8 первичной обмотки индуктивного накопителя 7 энергии и первым выводом замыкателя 6, второй вывод которого соединен с первым выводом третьего управляемого ключа 4. Второй вывод источника 1 питания соединен со вторым выводом второго управляемого ключа 3, концом витка 8 первичной обмотки индуктивного накопителя 7 энергии и вторым выводом третьего управляемого ключа 4. Витки 9÷9 N-секционной вторичной обмотки индуктивного накопителя 7 энергии соединены параллельно между собой, при этом соединенные между собой начала всех упомянутых выше витков соединены с первым выводом третьего управляемого ключа 4, а соединенные между собой концы этих же витков соединены со вторым выводом третьего управляемого ключа 4.
n
n
1
N
0
0
1
N
1
N
0
1
N
0
1
N
1/2
2
-7
-1
-1
Каждый виток 8 первичной обмотки индуктивного накопителя 7 энергии совместно с соответствующим ему и охватывающим его электромагнитным экраном 10 образует отрезок коаксиальной линии, замкнутой на конце на суммарное сопротивление R перемычек 12, при этом геометрические размеры внутреннего проводника 13, одинаковых экранов 10÷10, перемычек 12, а также величина относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика, расположенного между ними, выбираются из условия обеспечения выполнения следующих соотношений: R‹‹ρ;δ≥10·[τ/(µµσ)]; ρ≥10·U/I, где ρ - волновое сопротивление [Ом] упомянутого выше отрезка коаксиальной линии; δ - толщина [м] экранов 10÷10; τ - время [с] распространения электромагнитной волны до конца отрезка коаксиальной линии, равное половине интервала времени, соответствующего выводу энергии в нагрузку 5; µ - магнитная проницаемость материала экранов 10÷10; µ - 4π·10 [Гн/м]; σ - проводимость [Ом·м] материала экранов 10÷10; U - напряжение [В], индуцируемое на входе каждого отрезка коаксиальной линии при переводе третьего управляемого ключа 4 из замкнутого в разомкнутое положении; I - ток [А] в первичной обмотке 8÷8, соответствующий накопленной энергии.
1
N
0
Генератор импульсов на индуктивном накопителе энергии с трансформаторной связью работает следующим образом. В исходном состоянии все управляемые ключи 2, 3 и 4, замыкатель 6 и коммутаторы 11÷11 находятся в разомкнутом положении. После перевода первого управляемого ключа 2 из разомкнутого в замкнутое положение начинается процесс накопления энергии в магнитном поле, связанным с током, возбуждаемым в первичной обмотке индуктивного накопителя 7 энергии. После достижения током в первичной обмотке заданного значения I (предпочтительно, максимального значения) второй управляемый ключ 3 переводится в замкнутое положении и одновременно первый управляемый ключ 2 переводится из замкнутого в разомкнутое положение. На этом этап накопления энергии в магнитном поле, связанным с индуктивным накопителем 7 энергии, заканчивается.
0
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
0
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
n
n
к
к
к
к
1
N
к-1
к-1
к
к
1
1
1
1
1
1
Перед выводом накопленной энергии в нагрузку 5, предпочтительно индуктивную, сначала третий управляемый ключ 4 переводится из разомкнутого в замкнутое положение, а затем второй управляемый ключ 3 переводится из замкнутого в разомкнутое положение. В результате ток в первичной обмотке индуктивного накопителя 7 энергии спадает до нуля, а ток в каждой одновитковой секции его вторичной обмотки возрастает до величины, равной I. Поскольку все N одновитковые секции вторичной обмотки индуктивного накопителя 7 энергии соединены параллельно между собой и подключены к находящемуся в замкнутом положении третьему управляемому ключу 4, то ток через него равен сумме токов, возбуждаемых во всех N секциях вторичной обмотки. Здесь необходимо отметить, что наличие электромагнитных экранов 10÷10 между каждым витком 8÷8 первичной обмотки и соответствующим каждому из них витком 9÷9 вторичной обмотки не оказывает влияния на коэффициент связи между упомянутыми выше витками, поскольку цепь, в которую включен каждый экран 10÷10, является разомкнутой (коммутаторы 11÷11 и замыкатель 6 находятся в разомкнутом положении). В момент достижения током через третий управляемый ключ 4 значения, приблизительно равного N·I, замыкатель 6 и коммутаторы 11÷11 переводятся в замкнутое положение, а третий управляемый ключ 4 одновременно с описанным выше коммутационным процессом переводится из замкнутого положения в разомкнутое положение, при этом время размыкания третьего управляемого ключа (иными словами интервал времени, в течение которого его сопротивление изменяется от нуля до величины, по меньшей мере, на порядок превышающей сопротивление нагрузки 5) меньше 2·τ. В процессе размыкания третьего управляемого ключа 4 происходит увеличение напряжения на нагрузке 5. Одновременно такое же напряжение индуцируется в каждом экране 10÷10, поскольку экраны 10÷10, по существу, образуют совокупность последовательно расположенных отдельных витков. Однако, в отличие от описанного выше процесса «переброски» тока из первичной обмотки во вторичную обмотку индуктивного накопителя 7 энергии, каждый экран 10÷10 (за счет перевода в замкнутое положение замыкателя 6 и коммутаторов 11÷11 (кольцевых искровых разрядников)) оказывается включенным в замкнутую цепь, а следовательно, обеспечиваются условия, необходимые для протекания по поверхностям экранов 10÷10 электрического тока. Поскольку второй торец каждого экрана 10÷10 посредством перемычек 12 электрически и механически соединен с внутренним проводником 13, то при размыкании третьего управляемого ключа 4 на входе каждого отрезка коаксиальной линии (образованного соответствующим витком 8 первичной обмотки и охватывающим его и соответствующим ему экраном 10) возникает напряжение, а в процессе изменения этого напряжения вдоль каждого упомянутого выше отрезка коаксиальной линии будет распространяться соответствующая волна напряжения. При этом электрический ток, обусловленный волной напряжения, распространяющейся в каждом отрезке коаксиальной линии, образованной витком 8 первичной обмотки и охватывающим его экраном 10 (где к=2, 4,…, N), протекает по следующему замкнутому контуру: по внутренней (обращенной к соответствующему витку первичной обмотки) поверхности экрана 10, а после замыкания у фронта волны на виток 8 протекает по его поверхности, а затем (поскольку толщина δ каждого экрана 10-10 существенно превышает глубину проникновения тока в толщу экрана за время, равное 2·τ) по внешней (обращенной к соответствующему витку вторичной обмотки) поверхности экрана 10, через коммутатор 11 и коммутатор 11 - к внутренней поверхности экрана 10. Что касается тока, обусловленного волной напряжения, распространяющейся в отрезке коаксиальной линии, образованной витком 8 первичной обмотки и охватывающим его экраном 10, то он протекает по следующему замкнутому контуру: внутренняя поверхность экрана 10, а после замыкания у фронта волны на виток 8 первичной обмотки, протекает по его поверхности, а затем через замыкатель 6 и коммутатор 11 - к внутренней поверхности экрана 10.
i
i
i
i
i+1
i+1
N
N
N
N
Из всего вышесказанного следует, что по внутренней поверхности каждого экрана 10 ток, обусловленный волной напряжения, распространяющейся в отрезке коаксиальной линии, образованной экраном 10, и витком 8, первичной обмотки, течет в одном направлении, а по внешней поверхности того же экрана 10 в противоположном направлении течет ток, обусловленный волной напряжения, распространяющейся в отрезке коаксиальной линии, образованной экраном 10 и витком 8. Что касается витка 8, то его экранирование обеспечивается током, протекающим по внутренней поверхности экрана 10 и обусловленным волной напряжения, распространяющейся в отрезке коаксиальной линии, образованной экраном 10 и витком 8. Из вышесказанного следует, что во время вывода накопленной энергии в нагрузку, за счет возбуждения в каждом упомянутом выше отрезке коаксиальной линии волнового процесса, длительность которого равно времени вывода накопленной энергии в нагрузку 5, обеспечиваются экранирование всех витков первичной обмотки индуктивного накопителя энергии, а также взаимная компенсация напряжений (эдс) индуцируемых (возбуждаемых) в расположенных рядом экранах.
2
N
0
0
2
N
2
N
2
Что касается напряжений на витках 8÷8 первичной обмотки, обусловленных протекающим по их поверхности токам, обусловленных волнами напряжения, распространяющимся по упомянутым выше отрезкам коаксиальных линий, то поскольку (как отмечалось выше) ρ≥10·U/I, то этот ток много меньше I, а сопротивление витков 8÷8 мало. Иными словами, суммарное напряжение на витках 8÷8 много меньше U.
0
Через интервал времени, равный τ, волна напряжения в каждом из упомянутых выше отрезков коаксиальной линии достигнет замкнутого посредством перемычек 12 конца соответствующего отрезка коаксиальной линии, а затем, отразившись от закороченного конца с одновременным изменением знака напряжения на обратный, будет распространятся в обратном направлении, и через интервал времени, равный τ, достигнет противоположного (открытого) конца соответствующего отрезка коаксиальной линии. Одновременно с окончанием описанных выше волновых процессов в отрезках коаксиальной линии закончится вывод запасенной энергии в нагрузку 5. Величина тока через нагрузку 5 станет существенно меньше величины I, и, следовательно, дальнейшее изменение тока через нагрузку 5 не приведет к возникновению перенапряжения на втором управляемом ключе 3.
Здесь необходимо отметить, что использование перемычек 12 для закорачивания конца отрезков коаксиальной линии позволяет существенно (по сравнению со сплошным концевым элементом) уменьшить выделение тепла в этой зоне, а следовательно, повысить эксплуатационную надежность устройства. При этом патентуемое количество перемычек от 4 до 12, как показали расчеты, является оптимальным с точки зрения обеспечения как электрических, так и тепловых показателей.
к
к
к-1
1
1
1
Кроме того, поскольку в контуре, подключенном к каждому витку 8 первичной обмотки индуктивного накопителя 7 энергии, экраны 10 и 10 соединены между собой таким образом, что наводимое в них (в процессе вывода энергии в нагрузку 5) эдс взаимно компенсируется, поэтому напряжение на этих витках первичной обмотки во время вывода энергии в нагрузку 5 равно нулю. Что касается напряжения на первом витке 8 первичной обмотки индуктивного накопителя 7 энергии, то оно равно напряжению на нагрузке 5, поскольку контур, подключенный к витку 8 первичной обмотки, содержит один экран 10, на котором индуцируется напряжение, равное напряжению на нагрузке 5. Таким образом, в патентуемом устройстве в процессе вывода энергии в нагрузку 5 обеспечивается снижение напряжения на первичной обмотке индуктивного накопителя 7 энергии (с учетом вышесказанного относительно падения напряжения, обусловленного токами, вызванных распространяющимися в отрезках коаксиальной линии волнами напряжения), незначительно превышающего напряжение на нагрузке 5.
Промышленная применимость патентуемого изобретения подтверждается также возможностью осуществления его с помощью известных из уровня техники компонент, используемых в данной области техники. Изобретение может быть использовано в ускорителях заряженных частиц, мощных источниках микроволнового излучения, в импульсных радарах и лазерах.