СИСТЕМА ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННАЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОФИЛЬТРА
SYSTEM FOR GENERATION OF PULSES INTENDED FOR ELECTRIC FILTER

Область техники
Настоящее изобретение относится к системе генерации импульсов, обеспечивающей генерирование высоковольтных импульсов для питания электрофильтра (электростатического осадителя, ЭСО). Система содержит первый источник питания; второй источник питания, который обеспечивает предварительную подачу на электростатический осадитель заданного постоянного напряжения; накопительный конденсатор и включенный последовательно с ним индуктор; а также ключ, включенный параллельно с антипараллельным выпрямительным устройством. При этом данная система адаптирована для подключения к электростатическому осадителю.
Уровень техники
Электростатические осадители (электрофильтры) могут быть использованы для сбора и, следовательно, для удаления частиц из газового потока в технологических процессах. Плотность частиц в газовом потоке может быть существенно уменьшена за счет сообщения им (с помощью соответствующего электрода электростатического осадителя) заряда таким образом, что генерируемые носители заряда присоединяются к частицам, взвешенным в газовом потоке, и приложения к ним высоковольтного поля. В результате на заряженные частицы действует сила в направлении анода электростатического осадителя, так что они выводятся из газового потока. Собранные частицы образуют на аноде электростатического осадителя слой пыли, который периодически удаляют посредством механических встряхивающих устройств.
Функциональность электростатического осадителя может ухудшаться при наличии частиц пыли с высоким электрическим сопротивлением. Пыль, обладающая высоким сопротивлением, приводит к формированию в слое собранных в электростатическом осадителе частиц сильного электрического поля. Это, в свою очередь, вызывает электрический пробой в слое пыли. Данное явление получило название "обратной короны", или "обратной ионизации".
Возникновение обратной короны соответствует генерированию, в результате пробоя пылевого слоя, положительных ионов, которые нейтрализуют положительный эффект отрицательных ионов, генерируемых разрядными (коронирующими) электродами и служащих для придания частицам пыли отрицательного заряда. Это приводит к снижению напряжения, приложенного к электростатическому осадителю, и к возврату частиц пыли в газовый поток вследствие небольших выбросов из пылевого слоя.
Современные электростатические осадители имеют импульсное питание, которое в типичном случае соответствует подаче на электростатические осадители плавно изменяющегося постоянного напряжения, на которое накладываются высоковольтные импульсы малой длительности. Ширина (длительность) импульсов обычно составляет около 100 мкс или более при частоте повторения, выбираемой в интервале 1-400 импульсов/с. Средний ток может регулироваться варьированием частоты следования импульсов, задаваемой ключом, входящим в состав системы, при сохранении уровня напряжения, прикладываемого к электростатическому осадителю. Такой режим позволяет в значительной степени ограничить или устранить возникновение обратной короны и ее негативных эффектов. Следует также отметить, что накопительный конденсатор, ключ и индуктор образуют последовательный резонансный контур.
Существуют два главных варианта архитектуры импульсных систем для осадителей. Одна из них основана на переключениях в низковольтной сети, а другая - в высоковольтной сети. Система первого типа обычно содержит (как это описано в US 4052177, US 4600411 и ЕР 0108963) импульсный трансформатор, причем переключение производится в его первичном контуре. В ЕР 1293253 А2 представлен пример второго типа, когда переключение осуществляется в высоковольтной цепи.
В документе US 4600411 описана импульсная система с трансформатором, имеющим первичную и вторичную обмотки, а также с тиристорным ключом. Источник питания соединен с зарядным индуктором, включенным последовательно с зарядным конденсатором и с противобросковым индуктором, подсоединенным к первичной обмотке трансформатора. Между противобросковым индуктором и зарядным конденсатором включена ограничивающая цепь, служащая для ограничения напряжения на противобросковом индукторе и на первичной обмотке трансформатора и содержащая ограничивающий диод и параллельно соединенные резистор и конденсатор.
В документе US 4854948 описана иная импульсная система, использующая трансформатор с первичной и вторичной обмотками, источник питания, подключенный к накопительному конденсатору, и тиристорный контур, подсоединенный к первичной обмотке трансформатора. Диод, подключенный к соединенным параллельно конденсатору и резистору, образует вместе с ними контур для защиты тиристорного контура. Источник напряжения, составляющего, например, 35 кВ, обеспечивает базовое напряжение для электрофильтра, подключенного к вторичной обмотке трансформатора. К электрофильтру подключен детектор для обнаружения быстрых изменений напряжения, которые будут иметь место в случае искровых разрядов в электрофильтре, и для перевода тиристорного контура в проводящее состояние, обеспечивая тем самым защиту этого контура. Однако использование такого детектора увеличивает стоимость импульсной системы.
Представляется желательным повысить эффективность систем, описанных в US 4600411 и US 4854948. Далее, ни в US 4600411, ни в US 4854948 не решена проблема, состоящая в том, что в результате искровых разрядов в электростатическом осадителе происходит насыщение сердечника трансформатора, что существенно ухудшает параметры электростатического осадителя. Кроме того, ключи в известных системах подвергаются потенциально вредным воздействиям при больших скоростях изменения тока di/dt, имеющих место при наличии искровых разрядов в электростатических осадителях и сокращающих сроки службы ключей.
Раскрытие изобретения
В связи с изложенным задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании более эффективной системы генерации импульсов. Еще одна задача заключается в создании системы генерации импульсов, содержащей трансформатор, насыщение сердечника которого устранено или ослаблено. Дальнейшей задачей является создание системы с улучшенной защитой ключа.
Решение данных задач достигнуто созданием системы генерации импульсов типа системы, определенной в разделе "Область техники". Система по изобретению характеризуется тем, что ключ выполнен с возможностью управляемого размыкания. Благодаря этому становится возможным подавать на электростатический осадитель импульсы, длительность которых уменьшена по сравнению с импульсами в известных системах генерации импульсов. По данным экспериментов, проведенных на опытном образце ЭСО, такое решение значительно повышает эффективность системы за счет лучшего подавления обратной короны и повышения пиковых напряжений, способствующего сообщению частицам заряда. В качестве ключа может быть использован любой приемлемый ключ, способный к размыканию, например полупроводниковые ключи, такие как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), запираемый тиристор с интегрированным управлением (IGCT) или тиристор с запираемым вентилем (GTO).
В предпочтительном варианте система дополнительно содержит трансформатор с первичной и вторичной обмотками. При этом первый источник питания, накопительный конденсатор, ключ и антипараллельное выпрямительное устройство подключены к первичной обмотке трансформатора, тогда как второй источник питания и разделительный конденсатор подключены к вторичной обмотке трансформатора. Кроме того, система адаптирована для подключения к электростатическому осадителю через разделительный конденсатор. Тем самым обеспечивается эффективная реализация системы того типа, в котором система генерации импульсов содержит трансформатор. Зарядка накопительного конденсатора до желательного уровня напряжения осуществляется первым источником питания, тогда как второй источник питания генерирует базовое постоянное высоковольтное напряжение. Разделительный конденсатор предотвращает короткое замыкание второго источника питания через вторичную обмотку.
В другом предпочтительном варианте системы первый источник питания подсоединен к одной клемме накопительного конденсатора, другая клемма которого соединена с одной клеммой первичной обмотки трансформатора, а другая клемма первичной обмотки трансформатора связана с общей клеммой. Кроме того, ключ и антипараллельное выпрямительное устройство включены взаимно параллельно, причем одна клемма ключа подсоединена между первым источником питания и накопительным конденсатором, тогда как другая клемма ключа соединена с общей клеммой. Одна клемма вторичной обмотки трансформатора соединена с общей клеммой, а другая ее клемма связана с электростатическим осадителем через разделительный конденсатор. При этом второй источник питания подсоединен к точке соединения разделительного конденсатора и электростатического осадителя. Тем самым обеспечивается еще одна эффективная реализация системы того типа, в котором система генерации импульсов содержит трансформатор. Следует также отметить, что общая клемма, в зависимости от требований к источникам питания, может быть выполнена заземленной или незаземленной.
В процессе нормального функционирования электростатического осадителя внутри него могут иметь место искровые разряды. Как это поясняется в документе ЕР 0054378, искровой разряд может возникнуть при подаче высоковольтного импульса (такой разряд называется "импульсный искровой разряд") или в интервале между двумя последовательными импульсами (в этом случае разряд называется "искровой разряд постоянного тока"). В том случае, если система генерации импульсов содержит импульсный трансформатор, напряжение, приложенное к разделительному конденсатору при разряде любого из названных типов, оказывается приложенным непосредственно к вторичной обмотке, вызывая насыщение импульсного трансформатора и, возможно, повреждая ключ.
Еще в одном предпочтительном варианте обеспечивается размыкание ключа до момента, в который происходит естественный переход поданного на электростатический осадитель импульса тока через нулевое значение. При этом желательно, чтобы ключ был разомкнут непосредственно перед указанным моментом перехода тока через нулевое значение. Однако применение ключа с управляемым размыканием позволяет, в случае необходимости, уменьшить до нуля импульсный ток, текущий через электростатический осадитель существенно раньше момента его естественного перехода через нулевое значение. Поскольку большая часть искровых разрядов в электростатическом осадителе имеет место на временном отрезке, близком к указанному моменту перехода тока в электростатическом осадителе через нулевое значение, совпадающего с пиковым значением напряжения в импульсе, ключ целесообразно разомкнуть именно в момент перехода тока через нулевое значение. Таким образом, если искровой разряд произойдет после указанного момента, ключ уже будет находиться в разомкнутом состоянии. Если искровой разряд происходит до момента указанного перехода, ток в импульсе будет нарастать, так что ключ следует разомкнуть до того, как ток увеличится до недопустимого уровня. В обоих случаях необходимо предусмотреть альтернативную цепь для основного тока. В типичном случае такая цепь обеспечивается с использованием подсоединенной параллельно диодной цепи. В настоящее время ключи, используемые в имеющихся на рынке системах генерации импульсов, представляют собой тиристоры. Присущая им способность коммутации делает необходимым использование сложных методов защиты, подобных описанным в ЕР 0145221 и ЕР 0212854. Некоторые искровые разряды приводят к скачкам напряжения или к превышению допустимого напряжения на ключе. Для решения этой проблемы предлагалось, например, в US 4600411 и в ЕР 0108963 использовать диод, включенный параллельно первичной обмотке.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения система дополнительно содержит ограничивающую цепь, подсоединенную к точке соединения между накопительным конденсатором и первым источником питания. Таким образом, данная цепь подключена как можно ближе к ключу. Тем самым формируется цепь для протекания (при разомкнутом ключе) тока, обусловленного энергией, запасенной в системе (например, в индукторе утечки импульсного трансформатора), и, следовательно, защита ключа путем ограничения прикладываемого к нему напряжения за счет того, что конденсатор, используемый в данной цепи, имеет большую емкость. Кроме того, ограничивающая цепь предотвращает насыщение импульсного трансформатора в случае искровых разрядов, поскольку он отбирает энергию от системы. Ограничивающая цепь предпочтительно содержит диод, конденсатор, включенный последовательно по отношению к диоду, и резистор, включенный параллельно диоду. Конденсатор служит для того, чтобы ограничить напряжение, приложенное к ключу, когда он разомкнут, а резистор служит для ограничения тока в процессе разрядки ограничивающего конденсатора при замкнутом ключе.
В альтернативном предпочтительном варианте система содержит ограничивающую цепь, подсоединенную к точке соединения между накопительным конденсатором и первичной обмоткой трансформатора и содержащую последовательно соединенные демпфирующий резистор, ограничивающий диод и батарею конденсаторов. В этом варианте батарея конденсаторов, на которой поддерживается желательное напряжение, служит для того, чтобы предотвратить насыщение импульсного трансформатора между импульсами в процессе нормального функционирования, тогда как демпфирующий резистор существенно ограничивает скорость изменения тока di/dt при возникновении импульсных искровых разрядов.
Данная ограничивающая цепь может дополнительно содержать вспомогательный источник постоянного напряжения, зарядный резистор, транзистор, разрядный резистор и опорный диод. Вспомогательный источник постоянного напряжения ограничивает напряжение на батарее конденсаторов при возникновении искровых разрядов в электростатическом осадителе. Одновременно ослабляются проблемы насыщения сердечника трансформатора, поскольку рост напряжения на батарее конденсаторов, обусловленный бросками тока в ЭСО, компенсируется за счет ее разрядки через разрядный резистор и транзистор.
Желательно также, чтобы система согласно изобретению содержала сглаживающий контур, включенный параллельно ключу и антипараллельному выпрямительному устройству. Целесообразность такого решения обусловлена наличием паразитной индуктивности кабельного соединения между ключом и ограничивающей цепью. Сглаживающий контур ограничивает скорость нарастания напряжения (dv/dt) на ключе при его размыкании. Тем самым обеспечивается защита ключа.
И, наконец, система согласно изобретению в предпочтительном варианте дополнительно содержит цепь смещения, связанную с первичной обмоткой трансформатора и содержащую источник напряжения, ограничительный резистор и блокирующий дроссель. Данная цепь повышает эффективность сердечника трансформатора, поскольку он приобретает способность намагничиваться с двумя различными полярностями. Это позволяет использовать трансформатор меньших размеров и, следовательно, меньшей стоимости.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет подробно описано далее на примере предпочтительных вариантов его осуществления и со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 представлена блок-схема импульсной системы согласно изобретению.
gate
ESP
pulse
На фиг.2 приведены профили управляющего напряжения (u), подаваемого на ключ, напряжения, приложенного к ЭСО (u), и импульсного тока (i), протекающего через ЭСО в процессе нормального функционирования.
ESP
diode
switch
На фиг.3 приведены профили напряжения, приложенного к ЭСО (u), тока через ключ, тока через ограничительный диод (i), показанный на фиг.1, и напряжения на ключе (u) для случая, когда искровой разряд возникает непосредственно перед моментом перехода нулевого значения током через ключ.
На фиг.4 приведены профили напряжения (u) на разделительном конденсаторе и тока (i) через него до, во время и после искрового разряда постоянного тока при отсутствии ограничивающей цепи.
На фиг.5 приведены профили, аналогичные представленным на фиг.4, но соответствующие прохождению искрового разряда постоянного тока, но при использовании предпочтительного варианта ограничивающей цепи.
На фиг.6 схематично представлена система с альтернативным вариантом ограничивающей цепи, включенной параллельно первичной обмотке трансформатора.
На фиг.7 представлены профили напряжения на первичной обмотке импульсного трансформатора при использовании и при отсутствии батареи конденсаторов в альтернативной ограничивающей цепи по фиг.6.
Сходные элементы на чертежах имеют одинаковые обозначения.
Осуществление изобретения
На фиг.1 приведена блок-схема импульсной системы согласно изобретению. Показаны первый источник 1 питания (далее именуемый также источником 1 импульсного напряжения) и второй источник 2 питания (далее именуемый также источником 2 постоянного напряжения), снабжающие энергией электростатический осадитель 10. Источник 2 постоянного напряжения обеспечивает предварительную подачу на электростатический осадитель 10 постоянного напряжения, в типичном случае лежащего в интервале 25-50 кВ. Оба источника 1, 2 питания подключены к трехфазной сети 19 питания. Главный контур системы согласно изобретению обозначен, как 18. Из фиг.1 видно также, что источник 1 импульсного напряжения подсоединен к одной клемме накопительного конденсатора 7 через дроссель-фильтр 3, тогда как другая клемма накопительного конденсатора 7 соединена с клеммой первичной обмотки трансформатора 9. Другая клемма первичной обмотки трансформатора 9 связана с общей клеммой, которая, в зависимости от требований к источникам питания, может быть выполнена заземленной или незаземленной.
Главный контур 18 содержит также включенные параллельно ключ 5 и антипараллельное выпрямительное устройство 6. При этом одна клемма ключа 5 подсоединена между первым источником 1 питания и накопительным конденсатором 7, тогда как другая клемма ключа 5 соединена с общей клеммой. Ключ 5 является полупроводниковым ключом, обеспечивающим функцию размыкания (функцию выключателя) и представляющим собой биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), запираемый тиристор с интегрированным управлением (IGCT) или тиристор с запираемым вентилем (GTO). Сглаживающий контур 14 включен параллельно ключу 5 и антипараллельному выпрямительному устройству 6. Данный контур состоит из сглаживающего конденсатора и сглаживающего резистора. Приемлемые значения емкости и сопротивления сглаживающего конденсатора и сглаживающего резистора соответственно могут составлять десятые доли нанофарады и несколько сотен ом.
Главный контур 18 содержит также дополнительный индуктор (не изображен), включенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора 9. Данный индуктор может рассматриваться как индуктивность утечки трансформатора 9 (именно поэтому он не изображен на фиг.1).
Одна клемма вторичной обмотки трансформатора 9 соединена с общей клеммой, а другая ее клемма связана с разрядными (коронирующими) электродами (катодами) электростатического осадителя 10 через разделительный конденсатор 8. Осадительный электрод (анод) электростатического осадителя 10 соединен с общей клеммой. Источник 2 постоянного напряжения подсоединен к точке соединения разделительного конденсатора 8 и электростатического осадителя 10 через дроссель-фильтр 4.
Кроме того, главный контур 18 содержит ограничивающую (фиксирующую) цепь, состоящую из диода 11, включенного последовательно с конденсатором 12, и резистора 13, включенного параллельно диоду 11. Ограничивающая цепь, показанная на фиг.1, подсоединена к точке соединения между накопительным конденсатором 7 и дроссель-фильтром 3, т.е. параллельно по отношению к параллельному соединению, охватывающему ключ 5, диод антипараллельного выпрямительного устройства 6 и сглаживающий контур 14. Другая клемма ограничивающей цепи 11-13 соединена с общей клеммой.
Система, представленная на фиг.1, содержит также цепь смещения, связанную с первичной обмоткой трансформатора 9 и содержащую источник 15 напряжения, ограничительный резистор 16 и блокирующий дроссель 17.
PS
DC
Источник 1 импульсного напряжения генерирует напряжение U для зарядки накопительного конденсатора 7 и для подачи напряжения на первичную обмотку импульсного трансформатора 9 через дроссель-фильтр 3. В типичном варианте коэффициент трансформации импульсного трансформатора 9 находится в интервале 15-30. Заданное высокое постоянное напряжение на электростатическом осадителе 10 создается источником 2 постоянного напряжения, подающим на электростатический осадитель 10 через дроссель-фильтр 4 напряжение -U. В предпочтительном варианте значения индуктивности дроссель-фильтров 3 и 4 находятся в интервалах примерно 50-100 мГн и примерно 300-800 мГн соответственно.
DC
Разделительный конденсатор 8, включенный последовательно с вторичной обмоткой импульсного трансформатора 9, используется для предотвращения короткого замыкания источника 2 постоянного напряжения через импульсный трансформатор 9. Данный конденсатор 8 заряжается через вторичную обмотку импульсного трансформатора 9 до напряжения -U.
Высоковольтный импульс генерируется, когда происходит замыкание полупроводникового ключа 5, в результате чего формируется последовательный колебательный контур. Данный контур состоит из накопительного конденсатора 7, индуктора утечки импульсного трансформатора 9 (не изображенного с целью облегчения восприятия схемы), разделительного конденсатора 8 и емкости электростатического осадителя 10 (составляющей в типичном варианте 30-40 пФ на квадратный метр осадительной поверхности). Ток, текущий через данный колебательный контур, имеет синусоидальный профиль (см. фиг.2). В положительный полупериод ток протекает через полупроводниковый ключ 5, а в отрицательный полупериод - через антипараллельно включенный диод выпрямительного устройства 6. В такой схеме энергия, не израсходованная на генерирование коронного разряда и на потери, возвращается в накопительный конденсатор 7, что дает значительную экономию энергии.
Чтобы более эффективно использовать сердечник импульсного трансформатора 9, перед генерированием каждого импульса производится намагничивание трансформатора в противоположном направлении. Для этого используется цепь смещения, состоящая из источника 15 напряжения, ограничительного резистора 16 и блокирующего дросселя 17 и обеспечивающая протекание тока через первичную обмотку импульсного трансформатора 9. В типичном варианте постоянное напряжение, обеспечиваемое источником 15, находится в интервале 10-20 В, тогда как сопротивление ограничительного резистора 16 предпочтительно составляет несколько ом. Индуктивность блокирующего дросселя 17 предпочтительно составляет 0-200 мГн.
Ограничивающая цепь, включенная параллельно полупроводниковому ключу 5, как уже упоминалось, состоит из ограничивающего диода 11, ограничивающего конденсатора 12 и ограничительного резистора 13. Емкость ограничивающего конденсатора 12 выбирается относительно большой (в типичном варианте более 0,5 мкФ), чтобы ограничить возрастание напряжения до нескольких сотен вольт во время протекания через него импульса тока при формировании искрового разряда постоянного тока или в том случае, когда ключ 5 осуществляет выключение до момента или в момент прохождения тока через нулевое значение. Сопротивление ограничительного резистора 13 предпочтительно составляет несколько сотен ом.
В связи с наличием паразитной индуктивности кабельного соединения между ключом 5 и ограничивающей цепью, предусмотрен сглаживающий контур 14, ограничивающий скорость нарастания напряжения на ключе 5 при его размыкании.
pulse
pulse
gate
На фиг.2 приведены графики управляющего напряжения, подаваемого на ключ, напряжения, подаваемого на электростатический осадитель и протекающего через него тока (i) в условиях нормального функционирования. Более конкретно, показан профиль импульса 20 тока (i), текущего в контуре, включающем вторичную обмотку трансформатора 9, разделительный конденсатор 8 и электростатический осадитель 10, в условиях нормального функционирования в импульсном режиме, когда ключ 5 размыкается в точке 25 импульса 20 тока, соответствующей нулевой силе тока. Показан также профиль напряжения 22, подаваемого на электростатический осадитель 10 в нормальном импульсном режиме. Размыкание ключа 5 производится подачей управляющего сигнала 24 (u). Точка 25 перехода импульсом 20 тока через нулевое значение совпадает с моментом перехода управляющего сигнала 24 к нулевому значению. Амплитуда 21 импульса 20 тока соответствует нескольким сотням ампер, а его длительность существенно короче 100 мкс. Амплитуда подаваемого на электростатический осадитель 10 напряжения 23 (т.е. постоянного напряжения с накладывающимися на него импульсами) может превышать 100 кВ.
ESP
switch
diode
switch
switch
ESP
switch
diode
switch
switch
На фиг.3 представлены профили напряжения, приложенного к электростатическому осадителю 10 (u), тока через ключ 5 (i), тока через ограничивающий диод 11 (i) и напряжения на ключе 5 (u) для ситуации, когда искровой разряд происходит непосредственно перед прохождением током, текущим через ключ 5 (i), нулевого значения. На фиг.3 через 31 обозначен профиль напряжения, приложенного к электростатическому осадителю 10 (u) (см. также фиг.1), тогда как падение напряжения, вызванное разрядом, соответствует вертикальному подъему 32. Через 33 обозначен профиль тока (i) через ключ 5 (см. также фиг.1), а через 36 - ток через ограничивающий диод 11 (i) (см. фиг.1). Обозначения 37, 38, 39 относятся к напряжению на ключе 5 (u) (см. фиг.1). Через 30 обозначен момент, когда ток через ключ равен нулю. Управляющий сигнал 24 (см. фиг.2), задающий размыкание ключа 5, является тем же самым, что и на фиг.2. Поскольку разряд происходит до момента 30, когда ток станет равным нулю, ток, текущий через ключ, в момент разряда начинает возрастать, а затем падает до нуля при размыкании ключа, т.е. в момент ожидавшегося перехода этого тока через нулевое значение. Это иллюстрируется вертикальным падением 34 профиля 33 тока через ключ 5 (i). В этот момент ток переключается на ограничивающий диод 11, что показано в виде вертикального подъема 35 на профиле 36 тока через ограничивающий диод 11. Из фиг.3 можно видеть, что ограничивающий диод 11 пропускает весь нарастающий ток. Амплитуда этого тока может соответствовать нескольким килоамперам, и для того чтобы избежать повышенного напряжения на ключе 5, ограничивающий конденсатор 12 должен иметь большую емкость, в типичном случае превышающую 0,5 мкФ.
switch
diode
Как уже упоминалось, на фиг.3 представлен также профиль напряжения 37 на ключе 5 (u). Рост напряжения 37 до уровня 38 составляет только несколько сотен вольт. Сразу же после того, как ток через ограничивающий диод 11 (i) становится равным нулю, напряжение на ключе 5 падает до меньшего значения 39, определяемого остаточным напряжением на накопительном конденсаторе 7 и на разделительном конденсаторе 8.
На фиг.4 показаны профили напряжения (и) на разделительном конденсаторе и тока (i) через него до, во время и после искрового разряда постоянного тока для случая, когда система, представленная на фиг.1, не содержит ограничивающей цепи (состоящей из ограничивающего диода 11, ограничивающего конденсатора 12 и ограничительного резистора 13).
DC
DC
Профили 40, 45, представленные на фиг.4, соответствуют возникновению искрового разряда постоянного тока, что вызывает насыщение импульсного трансформатора 9 (см. фиг.1). Из фиг.1 можно видеть, что такое насыщение вызывается тем, что разделительный конденсатор 8 заряжается до напряжения U, которое при возникновении искрового разряда в электростатическом осадителе 10 прикладывается непосредственно к вторичной обмотке импульсного трансформатора 9. Профиль 40 тока (i) через разделительный конденсатор 8 и профиль 45 напряжения (u) на разделительном конденсаторе 8 при отсутствии ограничивающей цепи 11-13 свидетельствуют о насыщении импульсного трансформатора. Искровой разряд постоянного тока возникает в момент, обозначенный, как 42, который следует, спустя несколько миллисекунд, за нормальным импульсом 41 тока. Разделительный конденсатор 8 заряжается до напряжения 46, которое несколько меньше напряжения D, и когда интеграл по времени для напряжения, приложенного к сердечнику, превысит максимальную плотность потока через сердечник, он насыщается, и через разделительный конденсатор 8 начинает течь сильный импульс 43 тока. В конце этого токового импульса полярность напряжения меняется на обратную (изменившаяся полярность обозначена, как 47). Через некоторое время вновь происходит насыщение сердечника, и через контур снова, но в противоположном направлении, протекает импульс 44 тока. Как показано на фиг.4, амплитуды импульсов тока и напряжения на разделительном конденсаторе 8 после завершения искрового разряда постоянного тока уменьшаются. Это явление обусловлено потерями в контуре. Описанный процесс насыщения трансформатора продолжается до тех пор, пока, вследствие потерь в контуре, не произойдет существенного снижения уровня энергии.
В интервалы, соответствующие насыщению трансформатора, система не выполняет своих функций. Более того, амплитуда импульсов 43, 44 тока во вторичной обмотке трансформатора 9 может превысить 1 кА, что может привести к нежелательным последствиям для компонентов системы. Ситуация может быть значительно улучшена при использовании цепи с ограничивающим диодом, как это иллюстрируется на фиг.5.
DC
На фиг.5 показаны профили, аналогичные представленным на фиг.4, которые соответствуют прохождению искрового разряда постоянного тока при использовании предпочтительного варианта ограничивающей цепи 11-13, в частности, в системе по фиг.1. На фиг.5 ток через разделительный конденсатор и напряжение на этом конденсаторе обозначены соответственно, как 50 и 55. Искровой разряд происходит в момент, обозначенный на фиг.5, как 53, т.е. после завершения одного нормального импульса 51. В этом случае на ограничивающий диод 11 подано напряжение в проводящем направлении, так что через этот диод, ограничивающий конденсатор 12, импульсный трансформатор 9 и разделительный конденсатор 8 проходит импульс 52 тока. Амплитуда этого импульса 52 меньше, чем амплитуда импульса 43 тока в случае, показанном на фиг.4, из-за изменения импеданса контура вследствие включения в него ограничивающей цепи 11-13. Показанный на фиг.5 импульс тока приводит к процессу 56 разряда разделительного конденсатора 8 до некоторого напряжения 57. Насыщение имеет место только один раз, что иллюстрируется импульсом 54 тока, который дополнительно разряжает разделительный конденсатор 8. Как следствие, напряжение на разделительном конденсаторе 8 стремится к нулю (а затем, при наложении последующих импульсов, к -U), так что насыщения в дальнейшем не происходит. Таким образом, ограничивающая цепь 11-13 значительно повышает эффективность системы по фиг.1 и ослабляет негативные результаты воздействия сильных импульсов тока на основные компоненты системы.
На фиг.6 схематично представлена система с альтернативным вариантом ограничивающей цепи, включенной параллельно первичной обмотке трансформатора 9. Данная альтернативная ограничивающая цепь подсоединена к точке соединения (клемме, обозначенной, как 68) между накопительным конденсатором 7 и первичной обмоткой трансформатора 9. Данная цепь содержит соединенные последовательно демпфирующий резистор 60, ограничивающий диод 61 и батарею 62 конденсаторов, подсоединенную к общей клемме. Кроме того, ограничивающая цепь содержит последовательно соединенные источник 63 постоянного напряжения и зарядный резистор 64, которые включены параллельно батарее 62 конденсаторов. Кроме того, параллельно батарее 62 конденсаторов включены последовательно соединенные транзистор 66 и разрядный резистор 65, а также последовательно соединенные опорный диод 67 и резистор.
Напряжение на батарее 62 конденсаторов поддерживается постоянным, на уровне 10-50 В, с помощью источника 63 напряжения в сочетании с зарядным резистором 64, разрядным резистором 65 и транзистором 66. Полупроводниковый ключ 5 размыкается при прохождении тока через нулевое значение (см. фиг.2). В том случае, когда в момент размыкания ключа имеют место искровые разряды, по ограничивающей цепи 60-67 будет протекать сильный импульсный ток, составляющий несколько килоампер, увеличивая напряжение на батарее 62 конденсаторов. Когда это напряжение превысит желательный уровень, задаваемый опорным диодом 67, разрядный резистор 65 и транзистор 66 разрядят батарею 62 конденсаторов. Источник 63 напряжения необходим для зарядки батареи 62 конденсаторов и поддержания напряжения на ней на требуемом уровне при включении импульсной системы, исключая тем самым насыщение импульсного трансформатора.
Демпфирующий резистор 60, включенный между клеммой 68 импульсного трансформатора 9 и анодом ограничивающего диода 61, служит для отбора энергии из системы в том случае, когда имеет место искровой разряд, и, тем самым, для снижения скорости нарастания тока через ограничивающий диод. Сопротивление демпфирующего резистора 60 в типичном варианте составляет 50 мОм или более, тогда как сопротивления зарядного резистора 64 и разрядного резистора 65 составляют соответственно примерно 10 Ом или менее и примерно 1 Ом или менее.
На фиг.7 представлены профили напряжения на первичной обмотке импульсного трансформатора 9 при использовании и при отсутствии батареи 62 конденсаторов и ассоциированных с ней компонентов ограничивающей цепи, показанных на фиг.6. Другими словами, фиг.7 иллюстрирует эффект использования батареи 62 конденсаторов. Верхний и нижний графики на фиг.7 соответствуют профилям 72 и 75 напряжения (и) на первичной обмотке импульсного трансформатора 9 без применения и с применением батареи 62 конденсаторов и ассоциированных компонентов.
Поскольку ограничивающий диод в интервале между двумя импульсами является прямосмещенным, амплитуда 74 напряжения, приложенного к первичной обмотке трансформатора 9, была бы зафиксирована этим диодом и удерживалась на уровне напряжения, соответствующего прямому смещению (<1 В). Тогда после нескольких импульсов имело бы место насыщение сердечника импульсного трансформатора 9. Поэтому необходимо удерживать это напряжение (и) на первичной обмотке импульсного трансформатора 9 на уровне 10-50 В с помощью источника 63 напряжения и зарядного резистора 64, как это показано на профиле 75 напряжения. Указанный уровень напряжения, составляющий 10-50 В и обозначенный, как 76, должен поддерживаться постоянным. Однако в результате импульсов тока, возникающих при искровых разрядах, это напряжение имеет тенденцию к возрастанию. Поэтому разрядный резистор 65 и транзистор 66 служат для выполнения функции разрядки, обеспечивая поддержание постоянного уровня 76 напряжения.
В применениях, когда допустима длительность импульса тока, превышающая 100 мкс, вместо ключа с возможностью размыкания может быть использован тиристор. Такой тиристор будет самостоятельно запираться при снижении тока ниже заданного значения; однако его необходимо защитить в отношении импульсных искровых разрядов, например, как это описано в ЕР 0212854. В случае применения тиристора могут быть использованы оба описанных варианта ограничивающей цепи, т.е. цепь 11-13, показанная на фиг.1, и цепь 60-67, показанная на фиг.6, которые обеспечат необходимую защиту ключа в случае искровых разрядов и минимизируют насыщение импульсного трансформатора, как это было описано выше.