Устройство высоковольтного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением

Полезная модель относится к технике высоких напряжений, а именно к устройствам высоковольтного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением. Полезная модель может быть использована для генерации низкотемпературной плазмы в реакционных камерах плазменной очистки, дезинфекции воздуха и выбросных газов, плазменной модификации поверхностных свойств различных материалов, производства озона, в системах питания оптических квантовых генераторов, ускорителей электронных и ионных пучков, в которых необходима генерация мощных импульсов малой длительности с большой частотой следования.
Известно устройство для питания аппаратов плазменной очистки выбросных газов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением [1]. Недостатками такого устройства является, во-первых, наличие двух источников постоянного напряжения, одного низковольтного источника для питания устройства формирования импульсов, второго - высоковольтного для питания аппарата постоянным напряжением. Во-вторых, устройство требует изолированного с двух концов разделительного конденсатора на полное выходное рабочее напряжение.
Свободным от этих недостатков является устройство для одновременного питания электрофизических аппаратов высоким постоянным и частотно-импульсным напряжением субмикросекундного диапазона. Оно содержит высоковольтный зарядный блок, питающий постоянным напряжением электрофизический аппарат 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, при этом последовательное соединение высоковольтного зарядного блока и электрофизического аппарата осуществляют через одну из групп зарядных катушек индуктивностей, генератор импульсного напряжения дополнительно содержит подключенные параллельно четным конденсаторам тиратроны, блоки стабилизации тока накала тиратронов 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. [2].
Генерация импульсов в таком устройстве происходит за счет индуктивного переворота полярности четных конденсаторов при срабатывании тиратронов, а наложение импульсов на постоянное напряжение - за счет непосредственного подключения электрофизического аппарата через группы зарядных индуктивностей к источнику постоянного напряжения.
Недостатком данного устройства является низкая энергетическая эффективность работы из-за различия эквивалентных частот индуктивного переворота полярности конденсаторов и эквивалентной частоты всего разрядного контура, включающего генератор импульсных напряжений и нагрузку (электрофизический аппарат).
Полезная модель направлена на решение задачи повышения энергетической эффективности устройства, что и является ее техническим результатом.
Технический результат достигается за счет введения в разрядный контур тиратрона регулируемой индуктивности, позволяющей настроить равенство эквивалентной частоты цепи тиратрон - конденсатор - индуктивность частоте разрядной цепи из суммарной емкости цепочки последовательно включенных конденсаторов, их индуктивностей и индуктивности и емкости электрофизического аппарата.
Принципиальная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1. Она содержит высоковольтное зарядное устройство 1, n-каскадный (n≥1) генератор импульсного напряжения 14 и электрофизический аппарат 3. Первый каскад генератора состоит из 3х последовательно включенных конденсаторов 4, последующие каскады - из 2х последовательно включенных конденсаторов 4. Каждый каскад помимо конденсаторов состоит из двух зарядных катушек индуктивностей 5 и 6, один конец которых подключен к зарядному устройству, а другой присоединен к конденсаторам через один, причем катушка 6 присоединяется к конденсаторам через диод 7, тиратрона 8, подключенного параллельно среднему в первом каскаде и первому в остальных каскадах конденсатору через регулируемую катушку индуктивности 9. Средства управления тиратроном выполнены в виде импульсного трансформатора 10, первичная обмотка которого подключена к питаемому от сети блоку запуска 11, а вторичные обмотки подключены к катоду и сетке тиратронов. Средства обеспечения питания тиратрона выполнены в виде разделительного накального трансформатора 12, первичная обмотка которого подключена к сети, а вторичная обмотка подсоединена к накалу тиратрона. Каскады 2 генератора 14 включаются последовательно, а весь генератор 14 и электрофизической аппарат 3 подключаются к зарядному устройству 1 параллельно. На фиг. 2 представлена эквивалентная электрическая схема электрофизического аппарата, включающая емкость аппарата (С3) и нелинейное сопротивление Rраз, имитирующее разрядный процесс.
И
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом. При включении высоковольтного зарядного устройства 1 происходит подача высокого напряжения (Uзар) на электрофизический аппарат 3 и одновременно происходит зарядка конденсаторов 4, причем в первом каскаде полярность зарядки четного конденсатора противоположна полярности зарядки нечетных конденсаторов, а полярность зарядки конденсаторов остальных каскадов попарно противоположена. Подача импульса запуска от блока 11 на общую для всех каскадов первичную обмотку импульсного трансформатора 10 приводит к одновременному открытию всех тиратронов 8. Происходит индуктивный переворот полярности напряжения подключенных к тиратронам конденсаторов и сложение напряжений конденсаторов всех каскадов. В результате генерируется импульс с амплитудой относительно заземленной точки U ≈ (2n+1)⋅Uзар. Импульс содержит постоянную составляющую, равную Uзар и переменную составляющую с амплитудой ≈ 2n⋅ Uзар. Так как переменная составляющая импульса имеет форму, близкую к синусоиде, то можно рассчитать ее эквивалентную частоту как fg = 2π⋅√L9C4 (1), где С4 - емкость конденсатора генератора импульсных напряжений.
И
Работу однокаскадного устройства в режиме холостого хода иллюстрирует осциллограмма напряжения на выходе первого каскада генератора (фиг. 3), на которой переменная составляющая с амплитудой ≈2 Uзар, накладывается на постоянное напряжение, равное Uзар. В результате амплитуда импульса относительно заземленной точки U ≈ 3⋅ Uзар.
Эквивалентная частота разрядной цепи заявляемого устройства определяется выражением f ≈ 2π⋅√L13⋅(2n+1)-C4-C3/C3+(2n+l)-C4 (2), где L13 - эквивалентная индуктивность разрядной цепи и электрофизического аппарата, С3 - эквивалентная емкость электрофизического аппарата, Поскольку максимальная передача накопленной конденсаторами энергии электрофизическому аппарату происходит при совпадении указанных эффективных частот, равенство условий (1) и (2) может быть обеспечено путем настройки регулируемой катушки индуктивности 9.
Пример:
Для подтверждения вышесказанного были получены осциллограммы напряжения (U), тока (I), а также мощности (P=U⋅I) на электрофизическом аппарате при следующих параметрах устройства: генератор имеет один каскад, Uзар = 20 кВ, С4 = 2200 пФ, L9=0÷2,5 мкГн, L13 = 3.3 мкГн, С3 = 550 пФ (фиг. 4). В таблице 1 приведены зависимости Iмах и Рмах от значения L9.
Очевидно, что наиболее эффективным режимом работы устройства является режим с наибольшим значением пиковой мощности в электрофизическом аппарате. Величины Imax и Ртах, как видно из таблицы, являются функцией значения L9. Следовательно, за критерий регулирования индуктивности катушки L9 должно быть принято условие достижения пиковой мощностью своего максимального значения.
На электрофизический аппарат воздействует постоянно приложенное высокое напряжение, на которое накладывается импульсная составляющая. (рис. 2). Наличие высокого постоянного напряжения позволяет осуществить, во-первых, предионизацию активной среды в электрофизическом аппарате, а во-вторых, в случае использования его в качестве аппарата для очистки выбросных газов, производить в одном объеме конверсию примесей и очистку воздуха от продуктов конверсии и мелкодисперсной аэрозоли [3]. Оптимальное соотношение между постоянным и импульсным напряжением осуществляется путем подбора количества каскадов генератора.
Источники:
[1] G.J.J. Winands, Keping Yan, A.J.M. Pemen et.al. An Industrial Streamer Corona Plasma System for Gas Cleaning. IEEE Trans.on Plasma Science vol. 34 #5 October 206 pp. 2426-2433.
[2] Патент RU №2453022 Кл. H02J 3/00, H03K 3/543 опубл. 10.06.2012.
[3] Патент РФ №2320422 от 02.08.2006