ИНДУКТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА

Полезная модель относится к импульсной технике и может быть использована для питания ускорителей, плазмотронов, лазеров и т.п.
Известен индуктивный генератор импульсов тока [RU 87847 U1, H03K 17/08, опубл. 20.10.2009], содержащий однофазный ударный генератор, статорная обмотка которого подключена через первый тиристор к индуктивному накопителю, второй тиристор, включенный параллельно обмотке индуктивного накопителя так, что катоды обоих тиристоров подключены к входному зажиму обмотки индуктивного накопителя, а выходной зажим обмотки индуктивного накопителя, анод второго тиристора и входной зажим статорной обмотки ударного генератора образуют общую точку. На ферромагнитном сердечнике индуктивного накопителя, размещена согласно включенная и индуктивно связанная с обмоткой индуктивного накопителя дополнительная обмотка, индуктивность которой в 25-100 раз меньше индуктивности обмотки индуктивного накопителя. Параллельно дополнительной обмотке подключена ветвь с последовательно включенными третьим тиристором и нагрузкой.
Недостатком такого устройства является небольшая мощность импульса тока в нагрузке.
Задачей полезной модели является увеличение мощности импульса тока в нагрузке.
Предложенный индуктивный генератор импульсов тока, так же как в прототипе содержит однофазный ударный генератор, выходной зажим статорной обмотки которого подключен к аноду тиристора. Выходной зажим обмотки индуктивного накопителя и входной зажим статорной обмотки ударного генератора образуют общую точку. На ферромагнитном сердечнике индуктивного накопителя размещена индуктивно связанная с обмоткой индуктивного накопителя дополнительная обмотка, индуктивность которой в 25-100 раз меньше индуктивности обмотки индуктивного накопителя.
Согласно полезной модели катод тиристора подключен к входному зажиму первой вторичной обмотки импульсного трансформатора, выходной зажим которой подключен к входному зажиму второй вторичной обмотки импульсного трансформатора и к входному зажиму обмотки индуктивного накопителя. К общей точке подключен анод вентиля, катод которого подключен к выходному зажиму второй вторичной обмотки импульсного трансформатора. Первичная обмотка импульсного трансформатора входным зажимом подключена к первому выводу коммутатора, а выходным зажимом подключена к минусу источника постоянного напряжения, плюс которого подключен ко второму выводу коммутатора, а параллельно дополнительной обмотке индуктивного накопителя подключена нагрузка.
Полезная модель имеет следующие преимущества перед устройством прототипа:
В устройстве прототипа ток в нагрузке формируется при уменьшении тока статорной обмотки ударного генератора, т.е. ток уменьшается не мгновенно быстро, а с постоянной времени, определяемой параметрами статорной обмотки. Поэтому в соответствии с законом электромагнитной индукции в нагрузке возникает импульс тока, имеющий небольшую мощность.
Благодаря предложенной схеме включения при замыкании коммутатора в первичной обмотке импульсного трансформатора протекает постоянный ток, создающий постоянный магнитный поток, охватывающий обе вторичные обмотки. При размыкании коммутатора ток в первичной обмотке импульсного трансформатора падает до нуля, в обеих вторичных обмотках импульсного трансформатора формируются импульсы токов, которые приводят к мгновенному запиранию тиристора и вентиля, что приводит к мгновенному разрыву тока в обмотке индуктивного накопителя. При этом во вторичной обмотке формируется импульс тока, имеющий большую мощность, чем в устройстве прототипа.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема генератора импульсов тока.
На фиг. 2 изображены диаграммы напряжения и тока статорной обмотки однофазного ударного генератора, тока в обмотке индуктивного накопителя, тока вентиля и импульса тока в нагрузке.
Генератор импульсов тока (фиг. 1) содержит однофазный ударный генератор, статорная обмотка 1 которого выходным зажимом подключена к аноду тиристора 2, катод которого подключен к входному зажиму первой вторичной обмотки 3 импульсного трансформатора. Выходной зажим первой вторичной обмотки 3 подключен к входному зажиму второй вторичной обмотки 4 и к входному зажиму обмотки индуктивного накопителя 5. Выходной зажим второй вторичной обмотки 4 подключен к катоду вентиля 6, анод которого образует общую точку с входным зажимом статорной обмотки ударного генератора 1 и с выходным зажимом обмотки индуктивного накопителя 5. Первичная обмотка 7 импульсного трансформатора входным зажимом подключена к первому выводу коммутатора 8, а выходным зажимом подключена к минусу источника постоянного напряжения 9, плюс которого подключен ко второму выводу коммутатора 8. Параллельно дополнительной обмотке 10 индуктивного накопителя подключена нагрузка 11.
1
2
3
4
5
6
7
Устройство работает следующим образом. Ударный генератор приводится во вращение и в его статорной обмотке 1 возбуждается ЭДС 12 (фиг. 2). Одновременно замыкается коммутатор 8, подключающий источник постоянного напряжения к первичной обмотке 7 импульсного трансформатора. Постоянный магнитный поток обмотки 7 охватывает витки вторичных обмоток 3, 4 импульсного трансформатора. В момент времени t включается тиристор 2, подключающий статорную обмотку 1 ударного генератора к обмотке индуктивного накопителя 5. По цепи статорная обмотка 1 - тиристор 2 - первая вторичная обмотка 3 импульсного трансформатора - обмотка индуктивного накопителя 5 начинает протекать ток 13. В момент времени t, когда ЭДС 12 генератора 1 переходит нулевое значение и ток 13 начнет уменьшаться, автоматически включается вентиль 6, шунтирующий обмотку индуктивного накопителя 5. Ток 14 вентиля 6 начинает нарастать, а ток 13 тиристора 2 уменьшается до нуля и в момент времени t тиристор 2 запирается. Через обмотку индуктивного накопителя 5, вентиль 6 и вторую вторичную обмотку 4 импульсного трансформатора протекает ток 15. В момент времени t вновь срабатывает тиристор 2, ток 13 статорной обмотки 1 ударного генератора растет, а ток 14 вентиля 6 уменьшается. В момент времени t ток 13 становится равным току 15, а ток 14 уменьшается до нуля и вентиль 6 закрывается. В момент времени t, когда ток 13 статорной обмотки 1 ударного генератора достигнет максимума, вновь открывается вентиль 6, шунтирующий обмотку 5 индуктивного накопителя. Таким образом, идет процесс накопления энергии в обмотке индуктивного накопителя, осуществляемый за 10-30 периодов ЭДС 12. На фиг. 2 представлены всего лишь три периода ЭДС, что вполне достаточно для пояснения принципа работы устройства. Амплитуда импульса тока с каждым циклом накопления увеличивается и может достигнуть тока внезапного короткого замыкания ударного генератора, а энергия, запасаемая в обмотке индуктивного накопителя, может в несколько раз превышать электромагнитную энергию ударного генератора. В момент времени t, когда ток 13 статорной обмотки 1 ударного генератора в очередной раз достигнет максимума, размыкается коммутатор 8, отключающий источник постоянного напряжения 9 от первичной обмотки 7 импульсного трансформатора. Магнитный поток обмотки 7 падает до нуля, что приводит к возникновению импульсов тока во вторичных обмотках 3, 4 импульсного трансформатора. Ток 13 протекающий через тиристор 2 и через обмотку индуктивного накопителя 5 мгновенно переходит через ноль, что приводит к отключению тиристора 2. Одновременно в цепи вентиля 6 формируется отрицательный импульс тока, не позволяющий ему открыться. Энергия, запасенная в обмотке 5 индуктивного накопителя, посредством индуктивной связи передается в дополнительную обмотку 10, которая формирует в нагрузке 11 импульс тока 16.
С помощью программы Multisim были проведены исследования модели генератора импульсов тока со следующими параметрами: ЭДС статорной обмотки ударного генератора 1-100 В, частота - 50 Гц, индуктивность обмотки 5 индуктивного накопителя - 1 Гн, суммарное активное сопротивление статорной обмотки и обмотки индуктивного накопителя - 0.11 Ом, индуктивность дополнительной обмотки 10-0,1 Гн, коэффициент связи обмоток - 0.8, активное сопротивление дополнительной нагрузки 11-1 Ом. Индуктивность первичной обмотки 7 импульсного трансформатора - 2 Гн, активное сопротивление обмотки 7-1 Ом, индуктивности вторичных обмоток 3, 4 импульсного трансформатора - 0.01 Гн, активные сопротивления обмоток 3,4-0.1 Ом. Величина напряжения источника постоянного напряжения 9-300 В. Величина тока, запасаемого в обмотке 5 индуктивного накопителя, составила 140 А. При размыкании коммутатора 8, в нагрузке 11 формируется импульс тока 16 амплитудой 364 А, длительностью 0.1 си максимальной мощностью 132.5 кВт.