Генератор мощных импульсов тока с индуктивным накопителем

6. Хвастунов М.С./ Циклический индукционный ускоритель // Приборы и техника эксперимента, 1981. №3. - С.- 20-23.

7. Канунников В.Н., Михалев П.С., Симухин Н.Ф. и д р.//Сб: Труды шестого Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. - Дубна.: ОИЯИ, 1979. Т.2. - С. 319.

8. Ананьев Л.М., Воробьев A.A., Горбунов В.И. Индукционный ускоритель электронов - бетатрон. - М.: Атомиздат, 1961.

9. Филиппов М . Ф . Руководство по расчету электромагнита бетатрона. - Томск: ТПИ, 1967.

Ю.Азимов А., Баб ад жанов Р.Д., Москалев В.А. и др. //Прикладная ядерная

спектроскопия, 1979. Вып. 8.

11. Москалев В.А. Индукционный ускоритель заряженных частиц (варианты). // Патент РФ №2153783. Опубл. БИ. №21.-2000.

12. Фурман Э.Г. Бетатрон с подмагничиванием. - Томск: Изд. ТПУ, 2000.

13. Касьянов В.А., Рынков М.В., Филимонов A.A. и д р.//Сб. Доклады Десятого Международного Совещания по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине. - М.: ЦНИИАтомИнформ, 2001. - С. 113-116.

14. Москалев В.А., Сергеев Г.И., Шестаков В . Г ./ Компенсация потерь энергии на синхротронное излучение в индукционном циклическом ускоригеле.//ЖТФ,1993.Т.75. Вып.З. -С.200-205.

15.Москалев В.А., Сергеев Г. И ./Бетатрон на 500 МэВ.//Сб. Неразрушающий контроль и диагностика. -Томск: НТЛ, 1998. -С.89-92.

УДК: 621.384.

В.А.МОСКАЛЕВ, С.В.ПУСТЫННИКОВ, Г.И.СЕРГЕЕВ

ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА С ИНДУКТИВНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ

Для питания мощных электрофизических установок предложен и разработан генератор импульсов тока на основе ударного генератора с индуктивным накопителем. Новая схема заряда индуктивного накопителя с тиристорными ключами позволила исключить быстродействующий электромеханический коммутатор, разрывающий цепь накопителя в момент передачи энергии в нагрузку.

Исследования, проведенные авторами на модели ударного генератора, выполненного в габаритах асинхронного двигателя МТР-211, показали, что при соотношении параметров Хц/Худ=2 наблюдается увеличение запасаемой в накопителе энергии в 1,5 раза.

Работа подготовлена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.

Для питания потребителей импульсов тока большой мощности в настоящее время используются, в основном, три типа источников тока - источники тока с емкостными или с индуктивными накопителями энергии и ударные генераторы [1].

В тех случаях, когда требуются импульсы тока длительностью до 0.02 с - при получении сверхсильных магнитных полей в ускорителях, при питании плазмотронов, в некоторых электроимпульсных технологиях и т.д., предпочтение отдается ударным генераторам и индуктивным накопителям.

В свою очередь, индуктивный накопитель может являться промежуточным звеном между ударным генератором и нагрузкой, что позволяет значительно повысить долю энергии, передаваемой в нагрузку. В работах [1,2] показано, что при соотношении реактивных сопротивлений Хн накопителя и Худ ударного генератора Хц/Худ = 8 в индуктивном накопителе можно сосредоточить энергию, равную 3,75 энергии внезапного короткого замыкания генератора.

Основными недостатками, существенно ограничивающими область применения таких устройств, являются:

1) размагничивающее действие реакции якоря ударного генератора, под действием которой уменьшается внутренняя ЭДС генератора в процессе заряда индуктивного накопителя, и, следовательно, снижается уровень запасаемой энергии;

2) наличие быстродействующего коммутатора, разрывающего шунтирующую цепь индуктивного накопителя в момент передачи накопленной энергии в нагрузку.

Быстродействующий коммутатор является весьма дорогим и конструктивно сложным электромеханическим устройством. При токах размыкания в несколько десятков килоампер его габариты могут быть сравнимы с габаритами ударного генератора.

С другой стороны известно, что при работе индуктивного накопителя непосредственно на индуктивную нагрузку энергия, отдаваемая выключателю, в два раза превышает энергию, отдаваемую в нагрузку [1]. Следует отметить также, что разрыв в токовой цепи в момент максимального значения тока сопровождается броском перенапряжения, в 5 - 7 раз превышающим номинальное значение ЭДС генератора, что требует усиления изоляции обмоток генератора и индуктивного накопителя, а также увеличения класса напряжения применяемых в схемах тиристоров и диодов.

Компенсировать размагничивающее действие реакции якоря можно путем подключения на часть витков статорной обмотки ударного генератора конденсаторной батареи. Для устранения другого недостатка авторами разработана и испытана новая схема заряда индуктивного накопителя, в которой быстродействующий коммутатор, размыкающий цепь, заменен тиристорными ключами [3].

Принципиальная схема генератора импульсов тока представлена на рис.1, а на рис.2 приведены эпюры напряжений и токов.

Схема работает следующим образом. Однофазный ударный генератор О приво-

дится во вращение и возбуждается до номинальной ЭДС 8. В момент времени ^ коммутатор 51 подключает конденсатор С2 на часть витков статорной обмотки ударного генератора. Одновременно на тиристор УТ1 подается управляющий импульс и по цепи ударный генератор - индуктивный накопитель начинает протекать ток /о- В момент времени когда ЭДС генератора переходит нулевое значение и ток /с, начнет уменьшаться, срабатывает тиристор УТ4, шунтирующий накопитель I. Через индуктивный накопитель Ь и тиристор УТ4 начинает протекать ток г'ь, а ток ударного генератора /'о уменьшается до нуля, и в момент времени Ь тиристор УТ1 закрывается.

В момент времени Г4 вновь срабатывает тиристор УТ1, ток ударного генератора растет, в момент времени /5 он становится равным току г'ь и тиристор УТ4 закрывается. В момент времени когда ток ударного генератора достигает максимума, вновь срабатывает тиристор УТ4, шунтирующий индуктивный накопитель. Таким образом идет

С1

Рис. 1. Схема генератора тока

Рис.2. Временные диаграммы

процесс накопления энергии в индуктивном накопителе, осуществляемом за 10-30 периодов ЭДС ударного генератора. На рис.2 представлены всего лишь три периода ЭДС, что вполне достаточно для пояснения принципа работы устройства.

Амплитуда тока с каждым циклом накопления непрерывно увеличивается и может достичь значения тока внезапного короткого замыкания ударного генератора, а энергия, запасаемая в индуктивном накопителе, может в несколько раз превышать электромагнитную энергию ударного генератора.

В момент времени /7 на максимуме отрицательной полуволны ЭДС генератора включается тиристор VT2, и происходит заряд коммутирующего конденсатора Cl. На рис.2 показан ток заряда /3 и напряжение Uq конденсатора С1. В момент времени Ц когда ток ударного генератора в очередной раз достигнет максимума, включается тиристор VT3, конденсатор Cl разряжается и запирает тиристор VT1. Цепь протекания тока ударного генератора разрывается, и в момент времени /9 его ток падает до нуля. Так как тиристор VT4 на последнем этапе не включается, энергия, запасенная в индуктивном накопителе, через диод VD перебрасывается в нагрузку R\\, формируя в ней импульс тока ¡и- Когда ток в нагрузке упадет до нуля, диод VD закрывается и в момент времени t\о, когда ЭДС генератора переходит нулевое значение, схема возвращается в исходное состояние.

Работоспособность описанного генератора импульсов тока была проверена на макете. В качестве индуктивного накопителя использовался электромагнит небольшого бетатрона с индуктивностью L - 54 мГн, а в качестве электронных ключей - тиристоры типа ТЛ-200. На приведенной осциллограмме (рис.3) видно последовательное увеличение тока в индуктивном накопителе (верхний луч) за пять последовательных циклов и эффективный сброс запасенной энергии в активную нагрузку (нижний луч).

Исследования, проведенные авторами на модели ударного генератора, выполненного в габаритах асинхронного двигателя MTF-211, показали, что при соотношении параметров Агн/Агуд=2 и емкости С=100 мкФ наблюдается увеличение запасаемой в накопителе энергии в 1,5 раза.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сипайлов Г. А., Хорьков К.А. Генераторы ударной мощности. - М: Энергия, 1979.

2. Вен ю ков Э.И., Сипайлов Г.А., Хорьков К. А ./Формирование импульсов тока при работе генератора ударной мощности в режиме накопления энергии.//Электромеханика. 1980. №4. -С. 38-41.

3. Москалев В.А., Пустынников C.B., Сергеев Г . И ./Генератор импульсов тока. //Патент РФ по A.C. СССР № 2017329. - Опубл. БИ, 1994. №14.

Рис.3. Осциллограммы импульсов тока с индуктивного накопителя (верхний луч) и с нагрузки (нижний луч). Развертка 20 мс/дел, масштаб по вертикали 50 А/дел