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, МПК H03K 17/08 (2006.01), опубл. 20.10.2009], содержащий однофазный ударный генератор, статорная обмотка которого через первый тиристор подключена 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.
Данная задача достигается тем, что индуктивный генератор импульсов тока, так же как в прототипе содержит однофазный ударный генератор, выходной зажим статорной обмотки которого подключен к аноду тиристора, катод которого подключен к входному зажиму обмотки индуктивного накопителя, а 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 выходной зажим обмотки индуктивного накопителя подключен к входному зажиму вторичной обмотки импульсного трансформатора. Выходной зажим вторичной обмотки импульсного трансформатора подключен в первую общую точку с входным зажимом статорной обмотки ударного генератора и с анодом вентиля. Катод вентиля включен во вторую общую точку с катодом тиристора и с входным зажимом обмотки индуктивного накопителя. 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 его вторичную обмотку. При размыкании коммутатора ток в первичной обмотке импульсного трансформатора мгновенно падает до нуля, во вторичной обмотке импульсного трансформатора формируется импульс тока, который мгновенно запирает тиристор с вентилем и разрывает ток в обмотке индуктивного накопителя. При этом в дополнительной обмотке индуктивного накопителя формируется импульс тока, передаваемый в нагрузку, 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 обмотки индуктивного накопителя 3 и к катоду вентиля 4. Выходной зажим обмотки индуктивного накопителя 3 подключен к входному зажиму вторичной обмотки 5 импульсного трансформатора. Выходной зажим вторичной обмотки 5 импульсного трансформатора подключен к входному зажиму статорной обмотки 1 ударного генератора и к аноду вентиля 4. Первичная обмотка 6 импульсного трансформатора входным зажимом подключена к первому выводу коммутатора 7, а выходным зажимом подключена к минусу источника постоянного напряжения 8, плюс которого подключен ко второму выводу коммутатора 7. На ферромагнитном сердечнике индуктивного накопителя размещена индуктивно связанная с обмоткой индуктивного накопителя 3 дополнительная обмотка 9, индуктивность которой в 25-100 раз меньше индуктивности обмотки индуктивного накопителя 3. Параллельно дополнительной обмотке индуктивного накопителя 9 подключена нагрузка 10.
1
2
3
4
5
6
7
Устройство работает следующим образом. Ударный генератор приводится во вращение и в его статорной обмотке 1 возбуждается ЭДС 11 (фиг.2). Одновременно замыкается коммутатор 7, подключающий источник постоянного напряжения 8 к первичной обмотке 6 импульсного трансформатора. Постоянный магнитный поток обмотки 6 охватывает витки вторичной обмотки 5 импульсного трансформатора. В момент времени t включается тиристор 2, подключающий статорную обмотку 1 ударного генератора к обмотке индуктивного накопителя 3. По цепи статорная обмотка 1 - тиристор 2 - обмотка индуктивного накопителя 3 - вторичная обмотка 5 импульсного трансформатора начинает протекать ток 12. В момент времени t, когда ЭДС 11 переходит нулевое значение и ток 12 начнет уменьшаться, автоматически включается вентиль 4, шунтирующий обмотку индуктивного накопителя 3. Ток 13, проходящий через вентиль 4 начинает нарастать, а ток 12 тиристора 2 уменьшается до нуля и в момент времени t тиристор 2 запирается. Через обмотку индуктивного накопителя 3, вентиль 4 и вторичную обмотку 5 импульсного трансформатора протекает ток 14. В момент времени t вновь срабатывает тиристор 2, ток 12 статорной обмотки 1 ударного генератора растет, а ток 13 вентиля 4 уменьшается. В момент времени t ток 12 становится равным току 14, а ток 13 уменьшается до нуля и вентиль 4 закрывается. В момент времени t, когда ток 12 статорной обмотки 1 ударного генератора достигнет максимума, вновь открывается вентиль 4, шунтирующий обмотку индуктивного накопителя 3. Таким образом, идет процесс накопления энергии в обмотке индуктивного накопителя 3, 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 3, может в несколько раз превышать электромагнитную энергию ударного генератора. В момент времени t, когда ток 12 статорной обмотки 1 ударного генератора в очередной раз достигнет максимума, размыкается коммутатор 7, отключающий источник постоянного напряжения 8 от первичной обмотки 6 импульсного трансформатора. Магнитный поток обмотки 6 падает до нуля, что приводит к возникновению импульса тока во вторичной обмотке 5 импульсного трансформатора. Ток 12 протекающий через тиристор 2 и через обмотку индуктивного накопителя 3 мгновенно переходит через ноль, что приводит к отключению тиристора 2 и к запиранию вентиля 4. Энергия, запасенная в обмотке индуктивного накопителя 3, посредством индуктивной связи передается в дополнительную обмотку индуктивного накопителя 9, которая формирует в нагрузке 10 импульс тока 15.
С помощью программы Multisim были проведены исследования модели генератора импульсов тока со следующими параметрами: ЭДС статорной обмотки 1 ударного генератора - 100 В, частота - 50 Гц, индуктивность обмотки индуктивного накопителя 3 - 1 Гн, суммарное активное сопротивление статорной обмотки 1 и обмотки индуктивного накопителя 3 - 0.11 Ом, индуктивность дополнительной обмотки индуктивного накопителя 9 - 0,1 Гн, коэффициент связи обмоток 3 и 9 - 0.8, активное сопротивление нагрузки 10 - 1 Ом. Индуктивность первичной обмотки 6 импульсного трансформатора - 2 Гн, активное сопротивление обмотки 6 - 1 Ом, индуктивность вторичной обмотки 5 импульсного трансформатора - 0.01 Гн, активное сопротивление обмотки 5 - 0.1 Ом. Величина напряжения источника постоянного напряжения 8 - 300 В. Величина тока, запасаемого в обмотке индуктивного накопителя 3, составила 140 А. При размыкании коммутатора 7, в нагрузке 10 формируется импульс тока 15 амплитудой 360 А, длительностью 0.1 с и максимальной мощностью 132 кВт.