УПРАВЛЯЕМЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ РАЗРЯДНИК

Полезная модель относится к высоковольтной импульсной технике, в частности к устройствам коммутации однократных импульсов тока. Предлагаемое устройство может быть использовано в генераторах импульсных токов с емкостными накопителями энергии, в том числе, в диапазоне низких уровней запасаемой энергии, например, в технологических установках магнитно-импульсной, электрогидравлической и лазерной обработки материалов, медицинской технике, электрофизике, импульсных источниках светового, рентгеновского и нейтронного излучения.
Известны различные типы управляемых разрядников для коммутации импульсных токов емкостного накопителя энергии, например: с помощью полупроводниковых ключей - силовых тиристоров, транзисторов, динисторов и др.; вакуумных или газонаполненных трех электродных разрядников. Основными недостатками полупроводниковых ключей являются: ограниченная скорость нарастания тока и напряжения, малая перегрузочная способность по амплитуде тока и низкое напряжение коммутации (не более 6 кВ). Трех электродные разрядники свободны от указанных недостатков, самостоятельный разряд в них поддерживается за счет коммутируемой энергии и характеризуется нестабильностью включения и работы при коммутации малых уровней энергии: Алферов Д.Ф. и др. «Новое поколение сильноточных вакуумных разрядников», - Прикладная физика, 2001 г, №4, стр.41-48.; «Физика и техника мощных импульсных систем», - г.Москва, Энергоиздат, 1987 г., стр.141-145)
Известно поджигающее устройство разрядника (АС №355704 от 23.10.72. кл. Н01T 1/00 Бюл. №31), содержащего полый электрод с отверстием для выхлопа ионизированной плазмы, поджигающий электрод и камеру поджига. Для увеличения быстродействия и уменьшения мощности запуска, в системе поджига используется направленная струя эрозионного плазменного генератора. Однако в этом случае речь идет о поддержании разряда за счет коммутируемой энергии в режиме самостоятельного разряда, характеризующегося нестабильностью при коммутации токов малых энергий.
Наиболее близким к заявляемому устройству является управляемый плазменный разрядник (А.С. №1818650 А1 кл. Н01T 2/02 от 30.05.93. Бюл. №20), содержащий два основных противостоящих электрода и генератор плазмы, установленный в одном из электродов. Для инициации коммутирующего разряда используется импульсный плазмотрон рельсового типа с выдуванием импульсного дугового разряда в междуэлектродный промежуток. В результате этого улучшаются временные характеристики включения разрядника - быстродействие, временной разброс (джиттер).
Однако, в этом случае, не создавалось плазменной струи на все время коммутации, а речь шла только о выталкивании короткоживущего плазменного сгустка в межэлектродный зазор с целью скорейшей инициации разряда. Поддержание разряда происходит за счет коммутируемой энергии (режим самостоятельного разряда). Недостатком является нестабильность разрядного тока при малых уровнях коммутируемой энергии.
Инициирование пробоя между основными электродами вакуумного, газового и ртутного разрядника происходит при подаче напряжения управляющего импульса между поджигающим и одним из основных электродов или иным способом ионизации канала разряда. Если коммутируемая энергия и время прохождения тока достаточны для поддержания стационарного дугового разряда, разрядник удерживается во включенном состоянии - режим самостоятельного разряда. В момент пробоя сопротивление междуэлектродного промежутка и напряжение на нем резко падают, а через разрядник протекает практически ток короткого замыкания, величина и форма которого будет зависеть от параметров и характера нагрузки. Ток в междуэлектродном промежутке будет проходить через высокоионизированный канал разряда до тех пор, пока энергия, поступающая от источника питания в канал разряда в единицу времени, не станет меньше мощности потерь разряда. Как только это случится, разряд прекращается, наступает деионизация междуэлектродного промежутка, и разрядник выключается.
В основу полезной модели поставлены задачи: расширение диапазона стабильной коммутации импульсных токов и напряжений до низких уровней энергии, а также существенное уменьшение потерь коммутируемой энергии на поддержание проводящего состояния разрядника в процессе коммутации.
Технический результат достигается тем, что в управляемом плазменном разряднике, содержащем два основных противостоящих электрода, внутри одного из которых смонтирован импульсный генератор плазменной струи эрозионного типа, согласно полезной модели корпус генератора плазмы выполнен в виде токоведущей части одного электрода, а на противоположном электроде дополнительно установлена внутренняя ракорда, образующая разрядную камеру. Генератор плазменной струи подключен к блоку формирования импульса запуска, причем формирователь соединен с дополнительным управляющим конденсатором, длительность разряда которого превышает основное время коммутации энергии, образуя несамостоятельный разряд. Кроме того, каждый из основных электродов дополнительно снабжен одной или несколькими защитными ракордами, образующими буферную зону с поворотом плазменной струи на 180°
На фиг.1 показана конструкция управляемого плазменного разрядника несамостоятельного разряда.
На фиг.2 представлена схема включения управляемого плазменного разрядника в разрядную цепь емкостного накопителя энергии с индуктивной нагрузкой.
На фиг.3 показана осциллограмма разрядного тока известного разрядника (серии РВУ) в режиме коммутации малых уровней энергии.
На фиг.4 представлена осциллограмма разрядного тока плазменного разрядника предлагаемой конструкции при коммутации малых уровней энергии.
Разрядник содержит два основных противостоящих электрода 1 и 2. Электрод 1 представляет собой генератор плазменной струи эрозионного типа, корпус которого является токоведущей частью основного электрода коммутирующего разряд. Противостоящий электрод 2 представляет собой плоскую или специально спрофилированную площадку, расположенную перпендикулярно оси истечения плазменной струи. Электрод 2 вместе с внутренней ракордой 3 образуют разрядную камеру. На электродах 1 и 2 установлены внешние защитные ракорды 4 и 5. Система электродов помещается в диэлектрическом корпусе 6. Генератор плазменной струи подключен к формирователю импульсов запуска 7. Управляющий конденсатор 8 соединен с формирователем импульсов запуска 7 и разряжается на генератор плазменной струи. Основной электрод 2 подключен к накопителю энергии 9, а противоположный основной электрод 1 соединен с индуктивной нагрузкой 10.
Разрядник работает следующим образом. Плазменная струя из генератора плазмы, встроенного в электрод 1, после прохождения разрядного промежутка тормозится на поверхности противостоящего электрода 2 и, растекаясь по его поверхности, достигает стенок разрядной камеры 3, заполняя ее объем ионизированной проводящей средой с высокой проводимостью.
Скоростной напор плазменной струи способствует заполнению разрядной камеры, противодействует сжатию токовых каналов за счет собственного магнитного поля протекающего тока разряда и создает объемное протекание тока в камере. Это позволяет снизить собственную индуктивность разрядника, а натекающий поток горячей плазмы от генератора плазмы в течение всего времени коммутации обеспечивает минимальные омические потери коммутируемой энергии на поддержание ионизации среды в разрядной камере.
Защитные ракорды 4 и 5 образуют буферную зону с поворотом потока продуктов плазмы, в которой происходит охлаждение горячего ионизированного газа, выбрасываемого из разрядной камеры, за счет расширения объема. В буферной зоне происходит деионизация плазмы, конденсация паров материала электродов и плазмообразующего вещества плазменной струи.
За счет поворота канала буферной зоны на 180° происходит рассеивание кинетической энергии волновых ударных нагрузок и отражение ударных волн.
Наличие буферной зоны с поворотом потока предохраняет внутреннюю поверхность диэлектрического корпуса 6 от прямого воздействия горячего ионизированного газа, светового излучения и ударных нагрузок, что позволяет не использовать для изготовления корпуса дорогостоящей высокопрочной керамики. Количество поворотов буферной зоны (количество защитных ракорд) выбирается из конкретных условий работы коммутатора.
Пример работы плазменного разрядника в составе емкостного накопителя энергии.
После окончания заряда накопителя энергии 9 и заряда управляющего конденсатора 8, подается управляющий сигнал на устройство формирования импульса запуска 7 генератора плазменной струи 1. Струя ионизированного газа истекает в межэлектродный промежуток и заполняет пространство разрядной камеры 3, осуществляя замыкание коммутирующих электродов разрядника 1 и 2. По натекающей плазменной струе происходит разряд накопителя энергии 9 на индуктивную нагрузку 10. После окончания разряда накопителя энергии ток в разрядной цепи прекращается и процесс коммутации заканчивается. Однако управляющий конденсатор 8 еще некоторое время продолжает разряжаться через устройство формирования импульса запуска 7 и разрядная камера продолжает быть заполнена плазмой. Сброс отработанной плазмы и ее деионизация происходит в буферной зоне между ракордами 4, 5 с поворотом потока и заканчивается с окончательным разрядом управляющего конденсатора 8.
Пример использования плазменного управляемого разрядника.
0
0
0
Плазменный разрядник использовался в составе малогабаритной магнитно-импульсной установки в цепи накопителя энергии емкостью С=40 мкФ с максимальной запасаемой энергией 500 Дж. Нагрузка индуктивная L=1,5 мкГн. Рабочее напряжение U изменялось в диапазоне 0,5…5 кВ. В режиме «малых токов», при напряжениях заряда 0,5…2 кВ разрядник работает устойчиво, без обрывов тока.
На фиг.3, 4 приведены сравнительные осциллограммы разрядных токов управляемого вакуумного разрядника РВУ-73 и плазменного разрядника предлагаемой конструкции при коммутации запасаемой энергии 80 Дж. На осциллограмме тока вакуумного разрядника (фиг.3) в диапазоне «малых токов» 1…10 кА наблюдаются «обрывы тока» во втором и последующих полупериодах. Разрядный ток плазменного разрядника (фиг.4) не имеет «обрывов тока» и искажений формы тока не наблюдалось.