УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ВЫСОКИМ ПОСТОЯННЫМ И ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ СУБМИКРОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR SIMULTANEOUS POWER SUPPLY TO ELECTROPHYSICAL INSTRUMENTS WITH HIGH CONSTANT AND PULSE-FREQUENCY VOLTAGE OF SUB-MICROSECOND RANGE (VERSIONS)

Изобретение относится к технике высоких напряжений, а именно к устройствам высоковольтного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением субмикросекундного диапазона, и может быть использовано в системах питания озонаторов, ускорителей электронных и ионных пучков, оптических квантовых генераторов и генерирования мощных импульсов малой длительности в камерах низкотемпературной плазмы технологического назначения, в частности для модификации поверхностных свойств различных материалов.
По первому варианту известно устройство для одновременного питания электрофизического аппарата в виде электрофильтра постоянным и импульсным напряжением, содержащее последовательно соединенные трансформатор, выпрямитель, катушку индуктивности, электрофильтр и генератор импульсного напряжения, подключенный параллельно электрофильтру, состоящий из нечетного количества последовательно включенных конденсаторов, зарядных элементов, подключенных параллельно конденсаторам через один, управляемых разрядников, подключенных параллельно каждому второму конденсатору, блока запуска управляемых разрядников и импульсного трансформатора (см. Патент RU №2036017, Кл. В03С 3/68, опубл. 27.05.1995).
Недостатком данного устройства является низкая энергетическая эффективность его работы (КПД не более 50%) из-за значительных потерь энергии в разрядниках и разброса времени их срабатывания. В устройстве ограничены рабочая частота (100 Гц) и срок службы из-за эрозии электродов разрядников.
По второму варианту известно устройство для одновременного питания электрофизического аппарата в виде электрофильтра постоянным и импульсным напряжением, содержащее последовательно соединенные трансформатор, выпрямитель, катушку индуктивности, электрофильтр и генератор импульсного напряжения, подключенный параллельно электрофильтру, состоящий из нечетного количества последовательно включенных конденсаторов, зарядных элементов, подключенных параллельно конденсаторам через один, управляемых разрядников, подключенных параллельно каждому второму конденсатору, блока запуска управляемых разрядников и импульсного трансформатора (см. Патент РФ №2036017, Кл. В03С 3/68, опубл. 27.05.1995).
Недостатком данного устройства является низкая энергетическая эффективность его работы (КПД не более 50%) из-за значительных потерь энергии в разрядниках и разброса времени их срабатывания. В устройстве ограничены рабочая частота (100 Гц) и срок службы из-за эрозии электродов разрядников.
По третьему варианту известно устройство для одновременного питания электрофизического аппарата в виде электрофильтра постоянным и импульсным напряжением, содержащее последовательно соединенные трансформатор, выпрямитель, катушку индуктивности, электрофильтр и генератор импульсного напряжения, подключенный параллельно электрофильтру, состоящий из нечетного количества последовательно включенных конденсаторов, зарядных элементов, подключенных параллельно конденсаторам через один, управляемых разрядников, подключенных параллельно каждому второму конденсатору, блока запуска управляемых разрядников и импульсного трансформатора (см. Патент РФ №2036017, Кл. В03С 3/68, опубл. 27.05.1995).
Недостатком данного устройства является низкая энергетическая эффективность его работы (КПД не более 50%) из-за значительных потерь энергии в разрядниках и разброса времени их срабатывания. В устройстве ограничены рабочая частота (100 Гц) и срок службы из-за эрозии электродов разрядников.
Технический результат по первому варианту - повышение энергетической эффективности, увеличение частотного диапазона и ресурса работы устройства.
Технический результат по второму варианту - повышение энергетической эффективности, увеличение частотного диапазона, надежности и ресурса работы устройства.
Технический результат по третьему варианту - повышение энергетической эффективности, увеличение частотного диапазона, надежности, ресурса и стабильности работы устройства при одновременном снижении материальных затрат на изготовление генератора импульсного напряжения мегавольтного диапазона.
Технический результат по первому варианту достигается тем, что в устройстве для одновременного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением субмикросекундного диапазона, содержащем высоковольтный зарядный блок, питающий постоянным напряжением электрофизический аппарат, например электрофильтр, и подключенный параллельно электрофизическому аппарату генератор импульсного напряжения, состоящий из нечетного количества последовательно включенных конденсаторов, двух групп зарядных катушек индуктивностей, присоединенных параллельно конденсаторам через один, импульсного трансформатора и блока запуска, согласно изобретению, последовательное соединение высоковольтного зарядного блока и аппарата осуществляют через одну из групп зарядных катушек индуктивностей, генератор импульсного напряжения дополнительно содержит подключенные параллельно четным конденсаторам тиратроны, блоки стабилизации тока накала с разделительными силовыми трансформаторами и блоки управления тиратронов, при этом подключение блоков стабилизации тока накала тиратронов осуществляют через разделительные силовые трансформаторы, а блоки управления тиратронов подключают к блокам запуска через вторичные обмотки импульсных трансформаторов.
Технический результат по второму варианту достигается тем, что в устройстве для одновременного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением субмикросекундного диапазона, содержащем высоковольтный зарядный блок, питающий постоянным напряжением электрофизический аппарат, например электрофильтр, и подключенный параллельно электрофизическому аппарату генератор импульсного напряжения, состоящий из нечетного количества последовательно включенных конденсаторов, двух групп зарядных катушек индуктивностей, присоединенных параллельно конденсаторам через один, импульсного трансформатора и блока запуска, согласно изобретению, последовательное соединение высоковольтного зарядного блока и аппарата осуществляют через одну из групп зарядных катушек индуктивностей, генератор импульсного напряжения дополнительно содержит подключенные параллельно четным конденсаторам тиратроны, блоки стабилизации тока накала тиратронов, аккумуляторы и блоки управления тиратронов, при этом подключение блоков стабилизации тока накала тиратронов осуществляют к аккумуляторам, а блоки управления тиратронов подключают к блокам запуска через вторичные обмотки импульсных трансформаторов.
Технический результат по третьему варианту достигается тем, что в устройстве для одновременного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением субмикросекундного диапазона, содержащем высоковольтный зарядный блок, питающий постоянным напряжением электрофизический аппарат, например электрофильтр, и подключенный параллельно электрофизическому аппарату генератор импульсного напряжения, состоящий из нечетного количества последовательно включенных конденсаторов, двух групп зарядных катушек индуктивностей, присоединенных параллельно конденсаторам через один, импульсного трансформатора и блока запуска, согласно изобретению, последовательное соединение высоковольтного зарядного блока и нагрузки осуществляют через одну из групп зарядных катушек индуктивностей, генератор импульсного напряжения дополнительно содержит подключенные параллельно четным конденсаторам тиратроны, блоки стабилизации тока накала тиратронов, блоки управления тиратронов и аккумуляторы для питания блоков стабилизации тока накала тиратронов, блоков управления тиратронов и блоков запуска, при этом одновременный запуск тиратронов обеспечивают подключением блоков запуска к оптоволоконному кабелю, а блоки запуска тиратронов размещают под напряжением кратным зарядному.
На фиг.1 изображена схема устройства для одновременного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением субмикросекундного диапазона по первому варианту.
На фиг.2 изображена схема устройства для одновременного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением субмикросекундного диапазона по второму варианту.
На фиг.3 изображена схема устройства для одновременного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением субмикросекундного диапазона по третьему варианту.
имп
имп
имп
На фиг.4 изображена осциллограмма выходных импульсов напряжения U и тока I, а также внедренной (в представленном примере - коронно-стримерный атмосферный разряд в электрофильтре) мощности Рустройств по варианту 1 и 2.
Устройство по первому варианту (см. фиг.1) содержит высоковольтный зарядный блок 1, питающий постоянным напряжением электрофизический аппарат 2, подключенный параллельно аппарату 2 генератор импульсного напряжения, состоящий из нечетного количества, например трех, последовательно включенных конденсаторов 3, двух групп зарядных катушек индуктивностей 4 и 5, каждая из которых присоединена параллельно конденсаторам через один, импульсных трансформаторов 6, блоков запуска 7 и диодов 8, включенных последовательно с катушками индуктивностей 5. Генератор импульсного напряжения содержит тиратроны 9, подключенные параллельно четным конденсаторам (2n), где n - любое целое натуральное число, большее или равное 1, блоки 10 стабилизации тока накала тиратронов 9, при этом питание блоков 10 стабилизации тока накала тиратронов 9, находящихся под напряжением кратным зарядному, осуществляют через разделительные трансформаторы 11, а одновременный запуск тиратронов 9 обеспечивают подключением блоков запуска 7 к электродам управления 12 через вторичные обмотки импульсных трансформаторов 6 и блоки управления 13. Блоки управления 13 обеспечивают импульсную предионизацию и запуск тиратронов 9.
Устройство по второму варианту (см. фиг.2) содержит высоковольтный зарядный блок 1, питающий постоянным напряжением электрофизический аппарат 2, подключенный параллельно аппарату 2 генератор импульсного напряжения, состоящий из нечетного количества, например пяти, последовательно включенных конденсаторов 3, двух групп зарядных катушек индуктивностей 4 и 5, каждая из которых присоединена параллельно конденсаторам через один, импульсных трансформаторов 6, блоков запуска 7 и диодов 8, включенных последовательно с катушками индуктивностей 5. Генератор импульсного напряжения содержит тиратроны 9, подключенные параллельно четным конденсаторам (2n), блоки 10 стабилизации тока накала тиратронов 9 и аккумуляторы 14, при этом одновременный запуск тиратронов 9 обеспечивают подключением блоков запуска 7 к электродам управления 12 через вторичные обмотки импульсных трансформаторов 6 и блоки управления 13. Блоки управления 13 обеспечивают импульсную предионизацию и запуск тиратронов 9. Питание блоков 10 стабилизации тока накала тиратронов 9, находящихся под напряжением кратным зарядному, осуществляют от аккумуляторов 14.
Устройство по третьему варианту (см. фиг.3) содержит высоковольтный зарядный блок 1, питающий постоянным напряжением электрофизический аппарат 2, подключенный параллельно аппарату 2 генератор импульсного напряжения, состоящий из нечетного количества, например пяти, последовательно включенных конденсаторов 3, двух групп зарядных катушек индуктивностей 4 и 5, каждая из которых присоединена параллельно конденсаторам через один, блоков запуска 7 и диодов 8, включенных последовательно с катушками индуктивностей 5. Генератор импульсного напряжения содержит тиратроны 9, подключенные параллельно четным конденсаторам (2n), блоки 10 стабилизации тока накала тиратронов 9 и аккумуляторы 14, при этом одновременный запуск тиратронов 9 обеспечивают подключением блоков запуска 7 к электродам управления 12 через блоки управления 13. Блоки управления 13 обеспечивают импульсную предионизацию и запуск тиратронов 9. Аккумуляторы 14 питают блоки 10 стабилизации тока накала тиратронов 9, блоки запуска тиратронов 7 и блоки управления тиратронов 13, при этом одновременный запуск тиратронов 9 обеспечивают подключением блоков запуска 7 к оптоволоконному кабелю 15, а блоки запуска тиратронов 7 размещают под высоким напряжением кратным зарядному.
пост
пост
Работа устройства по первому варианту осуществляется следующим образом. В качестве электрофизического аппарата используют электрофильтры, озонаторы или плазмохимические реакторы с электродами, формирующими резконеоднородные электрические поля, на которые от устройства подают высокое постоянное напряжение U (например, 10-50 кВ) с наложенными на него субмикросекундными импульсами (например, с фронтом 50-100 нс и длительностью 150-800 нс) напряжения с амплитудой 2 n* U с частотой 50-1000 Гц. При таком комбинированном питании электрофизического аппарата (нагрузки) от одного устройства в последней формируется импульсно-периодическая стримерная корона, характеризуемая высокой плотностью заряженных частиц, используемых для очистки потоков газа, выработки озона или обработки поверхности в зависимости от используемого в качестве нагрузки электрофизического аппарата.
зар
зар
Пояснение работы устройства рассмотрено на примере функционирования первой ступени генератора импульсных напряжений, образованной тремя конденсаторами 3 (n=1). Высокое постоянное зарядное напряжение от зарядного блока 1 подается на конденсаторы 3 и аппарат 2 через зарядную катушку индуктивности 5 и диод 8. Полярность диода 8 выбирается исходя из полярности, необходимой аппарату 2. Зарядные катушки индуктивностей 4 и 5 подсоединены к конденсаторам через один, что позволяет параллельно зарядить конденсаторы 3 до напряжения U, причем полярность зарядки среднего конденсатора 3 (четного) противоположна полярности зарядки крайних конденсаторов 3 (нечетных). Питание блока 10 стабилизации тока накала тиратрона 9, находящегося под зарядным напряжением, осуществляют через разделительный силовой трансформатор 11. Подача импульса предионизации и запускающего импульса на электроды управления 12 от блока запуска 7 через импульсный трансформатор 6 и блок управления 13 приводит к срабатыванию тиратрона 9. Колебательный процесс в контуре, состоящем из индуктивности тиратрона, собственной индуктивности конденсатора и его емкости, приводит к перевороту полярности четного конденсатора 3 примерно за четверть периода колебаний. Время переворота четного конденсатора определяется параметрами элементов, образующих колебательный контур. В результате напряжения последовательно включенных конденсаторов 3 складываются, и на выходе первой ступени генерируется импульс с амплитудой U~3U.
Данная схема устройства применима для очистки газов от мелкодисперсных аэрозолей высокотоксичных органических и неорганических загрязнений (таких, например, как диоксины, ангидрид хрома, фтористый водород и др.), выработки озона и обработки поверхностей из органических и неорганических материалов с целью модификации их поверхностных свойств.
Работа устройства по второму варианту осуществляется следующим образом. В качестве электрофизического аппарата используют электрофильтр или плазмохимический реактор.
3
зap
Пояснение работы устройства рассмотрено на примере функционирования первых двух ступеней генератора импульсных напряжений, образованных пятью конденсаторами 3 (n=2). Высокое постоянное зарядное напряжение от зарядного блока 1 подается на конденсаторы 3 и аппарат 2 через зарядные катушки индуктивности 5 и диоды 8. Полярность диодов 8 выбирается исходя из полярности, необходимой аппарату 2. Зарядные катушки индуктивностей 4 и 5 подсоединены к конденсаторам через один, что позволяет параллельно зарядить конденсаторы 3 до напряжения U, причем полярность зарядки четных конденсаторов 3 противоположна полярности зарядки нечетных конденсаторов 3. Питание блоков 10 стабилизации тока накала тиратронов 9, находящихся под зарядным напряжением, осуществляют от аккумуляторов 14. Одновременная подача импульсов предионизации и запускающих импульсов на электроды управления 12 от блоков запуска 7 через импульсные трансформаторы 6 и блоки управления 13 приводит к одновременному срабатыванию тиратронов 9 с джиттером 1-2 нс. Колебательный процесс в контурах, состоящих из индуктивности тиратронов, собственных индуктивностей конденсаторов и их емкости, приводит к одновременному перевороту полярностей четных конденсаторов 3. В результате напряжения всех последовательно включенных конденсаторов 3 складываются, и на выходе первой ступени генерируется импульс с амплитудой U~5U.
Во втором варианте отсутствуют разделительные силовые трансформаторы, что позволяет повысить надежность работы генератора за счет уменьшения количества нагруженных высоким напряжением входящих в него элементов.
Данная схема устройства применима для создания в плазмохимическом реакторе атмосферного давления наносекундной импульсной короны, генерирующей активные частицы, предназначенные, например, для обработки поверхности различных материалов.
Работа устройства по третьему варианту осуществляется следующим образом. В качестве электрофизического аппарата используют электрофильтр, плазмохимический реактор или импульсный ускоритель частиц.
3
зap
Пояснение работы устройства рассмотрено на примере функционирования первых двух ступеней генератора импульсных напряжений, образованных пятью конденсаторами 3 (n=2). Высокое постоянное зарядное напряжение от зарядного блока 1 подается на конденсаторы 3 и аппарат 2 через зарядные катушки индуктивности 5 и диоды 8. Полярность диодов 8 выбирается исходя из полярности, необходимой аппарату 2. Зарядные катушки индуктивностей 4 и 5 подсоединены к конденсаторам через один, что позволяет параллельно зарядить конденсаторы 3 до напряжения U, причем полярность зарядки четных конденсаторов 3 противоположна полярности зарядки нечетных конденсаторов 3. Питание блоков стабилизации тока накала 10, запуска 7 и управления 13 тиратронов 9, находящихся под зарядным напряжением, осуществляют от аккумуляторов 14. Подача импульсов предионизации и запускающих импульсов на электроды управления 12 от блоков запуска 7 через блоки управления 13 приводит к срабатыванию тиратронов 9. Колебательный процесс в контурах, состоящих из индуктивностей тиратронов, собственных индуктивностей конденсаторов и их емкостей, приводит к перевороту полярностей четных конденсаторов примерно за четверть периода колебаний. Время переворотов четных конденсаторов одинаково и определяется одинаковыми параметрами элементов, образующих колебательные контуры. В результате напряжения всех последовательно включенных конденсаторов 3 складываются, и на выходе устройства генерируется импульс с амплитудой U~5U.
зap
зар
В устройстве с количеством конденсаторов 2n+1, где n>2, при одновременной работе тиратронов 9, подключенных параллельно каждому четному конденсатору 3(2n), формируются импульсы с амплитудой U~2nU, наложенные на постоянное напряжение U, которые прикладываются к нагрузке 2.
зap
В третьем варианте выполнения устройства вместо материалоемких разделительных и импульсных трансформаторов, электроизоляция которых должна быть рассчитана на высокое и сверхвысокое напряжение, кратное 2nU, устройство содержит аккумуляторы 14, питающие блоки 10 стабилизации тока накала, запуска 7 и управления 13 тиратронов 9.
Питание блоков запуска 7 и блоков управления 13 от аккумуляторов 14 осуществляет режим постоянной предионизации тиратронов 9, увеличивающий ресурс их работы. Управление тиратронами 9 производится подачей синхроимпульсов на блоки запуска 7, находящиеся под высоким потенциалом рядом с тиратронами 9, по оптоволоконным кабелям 15. Блоки запуска 7 и управления 13 могут быть в этом варианте выполнены в одном корпусе. Исполнение устройства по третьему варианту позволяет повысить надежность, стабильность и ресурс работы генератора высоковольтных импульсов.
Подзарядка аккумуляторов 14 устройства осуществляется в технологические перерывы работы электрофизического аппарата от сети либо от термоэлектрических преобразователей, использующих тепло, рассеиваемое тиратроном (более 100 Вт), либо от фотоэлектрических преобразователей по оптоволоконным кабелям 15. Для накала и управления современным тиратроном, например ТПИ 1-10 k/50, мощность, необходимая для его работы в килогерцовом диапазоне, составляет около 25 Вт.
Последовательное соединение высоковольтного зарядного блока 1 и аппарата 2 через группу зарядных катушек индуктивностей 5 позволяет не применять разделительную катушку индуктивности между генератором и зарядным блоком 1, используемую в известных устройствах для ограничения воздействия на зарядный блок высокого импульсного напряжения. Диоды 8 служат для демпфирования низкочастотных колебаний в ступенях генератора импульсных напряжений, образованных конденсаторами 3(2n), 3(2n+1) и увеличения КПД устройства.
Схема устройства по третьему варианту применима для создания сверхвысокого (более 500 кВ) импульсно-периодического напряжения мегавольтного диапазона, предназначенного для питания ускорительных трубок электронных и ионных пучков.
Работоспособность и полезность предложенных устройств подтверждена техническими данными тестовых испытаний образца аппарата, количество последовательно включенных конденсаторов в котором равнялось трем, работавшего на электрофизический аппарат в виде электрофильтра с амплитудой импульсного напряжения около 100 кВ, длительностью импульсов 200, не положительной полярности, током в импульсе до 200А и частотой 1000 Гц в течение всей длительности технологического цикла по очистке газа от вредных примесей.
Коэффициент полезного действия устройства при работе на электрофизический аппарат в виде электрофильтра, характеризуемый нелинейной нагрузкой с начальным сопротивлением, много большим волнового сопротивления импульсного генератора, достигал 75%.