ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в электрофизических установках с высоковольтными емкостными накопителями энергии.
Известен генератор импульсных напряжений [1], содержащий ряд накопительных конденсаторов, тиристорных коммутаторов, токоограничивающих дросселей, вспомогательный генератор импульсов и активную нагрузку.
Недостатком известного устройства является сложность силовой схемы, увеличенные его масса и габариты.
В качестве прототипа выбран известный генератор импульсных напряжений [2], содержащий последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор и активную нагрузку.
Общим недостатком известных устройств является значительная энергоемкость накопительного конденсатора, его масса и габариты при формировании в активной нагрузке прямоугольных импульсов из-за постоянства сопротивления силового контура.
Предлагаемой полезной моделью решается задача снижения энергоемкости, массы и габаритов накопительных конденсаторов генераторов импульсных напряжений.
Технический результат от использования полезной модели состоит в постепенном уменьшении сопротивления силового контура генераторов импульсных напряжений и поддержании величины тока и напряжения в активной нагрузке в пределах заданной нестабильности.
Указанный технический результат достигается с помощью генератора импульсных напряжений, содержащего последовательно соединенные накопительный конденсатор, транзисторный высоковольтный коммутатор, активную нагрузку и тиристорный регулятор напряжения, включенный между накопительным конденсатором и коммутатором, содержащий N звеньев, каждое из которых, кроме первого, содержит тиристор, к аноду которого присоединен шунтирующий резистор, причем катоды всех тнристоров объединены и присоединены к транзисторному высоковольтному коммутатору, а другие выводы шунтирующих резисторов объединены и подключены к положительной обкладке накопительного конденсатора, а первое звено содержит шунтирующий резистор, включенный между точкой соединения катодов тиристоров и положительной обкладкой накопительного конденсатора.
Введение тиристорного регулятора позволяет путем постепенного уменьшения вводимого последовательно с нагрузкой добавочного сопротивления поддерживать величину тока и напряжения нагрузки в пределах заданной нестабильности. Это дает возможность, по сравнению с прототипом, уменьшить энергоемкость, массу и габариты накопительного конденсатора при заданной нестабильности вершины импульсов выходного напряжения.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема генератора импульсных напряжений где: 1 - накопительный конденсатор, 2 - высоковольтный транзисторный коммутатор, 3 - активная нагрузка, 4 - тиристорный регулятор с числом звеньев N=6, 5, 6, 7, 8, 9 - тиристоры регулятора, 10, 11, 12, 13, 14, 15 - шунтирующие резисторы регулятора.
На фиг.2 приведены диаграммы работы генератора импульсных напряжений.
На диаграммах буквами обозначены: а - ток нагрузки 3; б - напряжение нагрузки 3; в - сигнал управления транзисторным коммутатором 2; г, д, е, ж, з - сигналы управления 5, 6, 7, 8, 9 тиристорами регулятора 4, соответственно.
Устройство содержит накопительный конденсатор 1, последовательно соединенный транзисторный коммутатор 2 и активную нагрузку 3. Между положительной обкладкой конденсатора 1 и транзисторным коммутатором 2 включен тиристорный регулятор 4, содержащий N звеньев, в каждом из которых кроме первого последовательно с тиристорами 5, 6, 7, 8, 9 включены шунтирующие резисторы 10, 11, 12, 13, 14. Катоды тиристоров 5, 6, 7, 8, 9 объединены и присоединены к транзисторному коммутатору 2, а другие выводы шунтирующих резисторов 10, 11, 12, 13, 14 объединены и подключены к положительной обкладке накопительного конденсатора. Первое звено регулятора 4 содержит шунтирующий резистор 15, включенный между точкой соединения катодов тиристоров 5, 6, 7, 8, 9 и положительной обкладкой накопительного конденсатора 1. Отпирание тиристоров 5, 6, 7, 8, 9 и управление коммутатором 2 производит система управления (на фиг.1 не показана).
Принцип работы предлагаемого устройства поясняется диаграммами, приведенными на фиг.2, и заключается в следующем.
На интервале формирования импульса напряжения в нагрузке в работе устройства можно выделить N интервалов непрерывности, соответствующих включенному состоянию транзисторного коммутатора 2 и тиристоров 5, 6, 7, 8, 9.
01
После зарядки накопительного конденсатора 1 от источника питания (на фиг.1 не показан) до заданного начального уровня напряжения U система управления отпирает транзисторный коммутатор 2 и далее поочередно с заданной временной задержкой включает 5, 6, 7, 8, 9 тиристоры N-1 звеньев тиристорного регулятора 4. При этом накопительный конденсатор 1 разряжается на нагрузку 3 через параллельно включаемые тиристорами 5, 6, 7, 8, 9 шунтирующие резисторы звеньев регулятора 4, общее сопротивление которых по мере формирования импульса уменьшается. В результате, кривые тока и напряжения нагрузки изменяются между максимальными и минимальными значениями и имеют вид, представленный кривыми а, б на фиг.2.
На произвольном j-м интервале работы генератора, когда открыты тиристоры 1-го, 2-го, 3-го, … j-1-го звеньев регулятора 4, напряжение накопительного конденсатора 1 определяется из формулы
0j
j
где U, R - начальное напряжение конденсатора 1 и активное сопротивление силового контура на j-м интервале, соответственно; С - емкость накопительного конденсатора 1.
Максимальное значение напряжения нагрузки на j-м интервале равно
Минимальное значение напряжения нагрузки на этом интервале в соответствии с выражениями (1) и (2) будет
j
где τ - длительность j-го интервала.
Из выражения (1) с учетом (3) находим связь между значениями начальных напряжений накопительного конденсатора 1 на j и j+1-м интервалах работы регулятора 4
Из выражения (4) с учетом (2) находим соотношение между сопротивлениями силового контура на рассматриваемых интервалах
Для получения наименьших пульсаций тока и выходного напряжения генератора необходимо, чтобы минимальные и максимальные напряжения на нагрузке на интервалах работы регулятора 4 оставались неизменными, т.е.
При выполнении этих условий из выражения (5) следует система соотношений
н
н
*
где N - число звеньев регулятора 4; R - сопротивление нагрузки 3; U  - относительная величина минимального значения напряжения нагрузки, характеризующая величину пульсаций выходного напряжения на вершине импульса.
1
Из последнего выражения системы (7) определяем исходное значение сопротивления силовой цепи R при выключенных ключах регулятора 4
Общие сопротивления регулятора при включенных тиристорах j и j+1 ступеней регулятора 4 определяются по формулам, соответственно
ш(j)
При переходе на j+1 ступень включают j+1-й шунтирующий резистор регулятора, сопротивление которого R находят из формулы
или
Решая совместно (7), (8) и (12), получаем выражение для расчета сопротивления j+1-го шунтирующего резистора регулятора 4
Из выражения (3) с учетом равенств (6), (7) определяем длительность j-го интервала
Задержка отпирания k-го тиристора 5 регулятора 4 относительно момента начала формирования выходного импульса определяется из формулы
где k=1…(N-1).
Длительность формируемого импульса равна
В известном генераторе импульсных напряжений, как следует из выражения (3), длительность формируемого импульса будет
1
где С - величина емкости накопительного конденсатора известного устройства.
Из выражений (16) и (17) определяем соотношение между емкостями накопительных конденсаторов предлагаемого и известного генератора при формировании импульса с одинаковыми параметрами и при одном и том же сопротивлении нагрузки
Энергоемкость накопительного конденсатора предлагаемого генератора импульсных напряжений при учете выражений (2) и (8) будет равна
где  - среднее значение напряжения нагрузки на интервале формируемого импульса.
Энергоемкость известного устройства с учетом (2) и (17) равна
Из выражений (19) и (20) находим соотношение энергоемкостей накопительных конденсаторов предлагаемого и известного устройства
1
C
C1
Из формул (18) и (21) следует, что в предлагаемом устройстве, например, при значениях  и N=10 требуемое значение емкости накопительного конденсатора равно С≈0,095C при формировании импульса с одинаковыми параметрами (длительность, среднее значение, величина пульсаций выходного напряжения на вершине импульса) и одном и том же сопротивлении нагрузки. При этом энергоемкость накопительного конденсатора будет равна W≈0,115W.
Из приведенного описания и выражений для расчета следует, что применение предлагаемого устройства позволяет значительно уменьшить величины емкости и энергии, накопительного конденсатора, уменьшить его массу и габариты при заданной величине пульсаций выходного напряжения на вершине импульса. Кроме того уменьшение энергоемкости накопительного конденсатора в предлагаемом устройстве позволяет уменьшить негативные последствия аварийных режимов, связанных с полным разрядом накопительного конденсатора на нагрузку при выходе из строя высоковольтного транзисторного ключа.
Источники информации:
1. А.с. 1003310 СССР, Н03К 3/53, Генератор высоковольтных импульсов / Кириенко В.П., Ваняев В.В. // Опубл. 07.03.83.
2. M.P.J.Gaudreau, J.A.Casey, T.P.Hawkey, J.M.Mulvaney, M.A.Kempkes, P.Ver Planck. Solid state modulator application in linear accelerators // Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999, p.1491-1493.