ИНДУКТИВНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР
INDUCTIVE-PULSE GENERATOR

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для питания ускорителей, плазмотронов, лазеров, электрогидравлических устройств.
Известен индуктивно-импульсный генератор [RU 130168 U1, МПК Н03К 17/08 (2006/01), опубл. 10.07.2013], содержащий повышающий трансформатор, первичная обмотка которого подключена последовательно через коммутатор к источнику постоянного тока, а вторичная обмотка подключена к нагрузке. Параллельно первичной обмотке повышающего трансформатора подключена катушка индуктивности, имеющая от 1,1 до 2 раз большую индуктивность и от 1,1 до 2 раз большую добротность, чем индуктивность и добротность первичной обмотки повышающего трансформатора, а конденсатор подключен параллельно коммутатору.
После размыкания коммутатора только часть запасенной энергии через повышающий трансформатор передается в нагрузку. При больших значениях тока возникает эффект насыщения стали магнитопровода повышающего трансформатора, вследствие чего коэффициент связи первичной и вторичной обмоток уменьшается и увеличиваются потери в стали магнитопровода трансформатора. Следовательно, снижается доля энергии, передаваемой в нагрузку, что приводит к уменьшению величины и мощности импульса тока в нагрузке.
Предлагаемое изобретение позволяет увеличить величину и мощность импульса тока в нагрузке путем увеличения доли энергии, передаваемой в нагрузку.
Индуктивно-импульсный генератор, так же как прототип, содержит первую катушку индуктивности, подключенную через коммутатор к источнику постоянного тока, конденсатор, включенный параллельно коммутатору и нагрузку.
Согласно изобретению, к входному зажиму первой катушки индуктивности, образующему первую общую точку со вторым выводом конденсатора и выходным зажимом коммутатора, подключен входной зажим второй катушки индуктивности, имеющей от 1,1 до 10 раз меньшую индуктивность и от 1,1 до 10 раз меньшую добротность, чем первая катушка индуктивности. Выходной зажим первой катушки индуктивности подключен к аноду первого вентиля, а выходной зажим второй катушки индуктивности соединён во вторую общую точку с анодом второго вентиля и с выходным зажимом нагрузки. Катод второго вентиля подключен к входному зажиму третьей
катушки индуктивности, выходной зажим которой подключен в третью общую точку с минусовым зажимом источника постоянного тока, с катодом первого вентиля и с анодом третьего вентиля, катод которого подключен к входному зажиму нагрузки.
Изобретение имеет следующие преимущества перед устройством-прототипом:
1) в предложенной схеме до размыкания коммутатора первая катушка индуктивности подключена параллельно источнику постоянного тока через первый вентиль, а вторая катушка индуктивности, соединенная последовательно с третьей катушкой индуктивности через второй вентиль, подключена также параллельно источнику постоянного тока. Таким образом, благодаря наличию трех катушек индуктивности увеличивается запасаемая устройством электромагнитная энергия.
2) благодаря тому, что вторая катушка индуктивности имеет от 1,1 до 10 раз меньшую индуктивность и от 1,1 до 10 раз меньшую добротность, чем первая катушка индуктивности, ток, протекающий по второй и третьей катушкам индуктивности при подключении коммутатора, имеет меньшую величину, чем ток, протекающий по первой катушке индуктивности. Через третий вентиль и через нагрузку ток не идёт. При размыкании коммутатора ток в первой катушке индуктивности не меняет своего направления, а во второй катушке индуктивности ток меняет свое направление на противоположное. При этом первая и вторая катушка индуктивности через первый и третий вентиль будут включены последовательно с нагрузкой, и возникающий в первой и второй катушках индуктивностей скачок тока будет проходить через сопротивление нагрузки. Кроме того, третья катушка индуктивности через второй и третий вентиль подключается параллельно нагрузке, что увеличивает долю энергии, передаваемую в нагрузку, и в ней формируется импульс тока, имеющий большую величину и мощность, чем в устройстве прототипа.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема индуктивно-импульсного генератора, на фиг. 2 - диаграмма тока в первой катушке индуктивности, на фиг. 3 - диаграмма тока во второй катушке индуктивности, на фиг. 4 - импульс тока в нагрузке.
Индуктивно-импульсный генератор содержит источник постоянного тока 1 (фиг. 1), плюсовой зажим которого подключен к входному зажиму коммутатора 2 и первому выводу конденсатора 3, выходной зажим коммутатора 2 соединен в первую общую точку со вторым выводом конденсатора 3 и входными зажимами первой 4 и второй 5 катушек индуктивности. Выходной зажим первой катушки индуктивности 4 подключен к аноду первого вентиля 6. Выходной зажим второй катушки индуктивности 5 соединен во вторую общую точку с анодом второго вентиля 7 и выходным зажимом нагрузки 8. Входной зажим нагрузки 8 подключен к катоду третьего вентиля 9. Катод второго вентиля 7 подключен к входному зажиму третьей катушки индуктивности 10, выходной зажим которой соединен в третью общую точку с минусовым зажимом источника постоянного тока 1, катодом первого вентиля 6 и анодом третьего вентиля 9.
Lк
-
Lп
-
Lк
-
Lп
-
0
Lк
+
0
Lк
-
Lк
+
Lп
-
Lк
+
0
Устройство работает следующим образом. Источник постоянного тока 1 при замыкании коммутатора 2 в нулевой момент времени создает в первой катушке индуктивности 4 и в первом вентиле 6 ток 11 I(0) (фиг. 2), а во второй катушке индуктивности 5, в третьей катушке индуктивности 10 и во втором вентиле 7 ток 12 I(0) (фиг. 3), которые протекают от плюса к минусу источника 1. Поскольку индуктивность и добротность первой катушки индуктивности 4 выше индуктивности и добротности второй катушки индуктивности 5 от 1,1 до 10 раз, то соответственно ток 11 I(0) больше тока 12 I(0) от 1,1 до 10 раз. При этом третий вентиль 9 закрыт и ток в сопротивлении нагрузки 8 равен нулю. В момент времени t коммутатор 2 размыкается, первая катушка индуктивности 4, вторая катушка индуктивности 5 через первый вентиль 6 и третий вентиль 9 включаются последовательно с нагрузкой 8 и по ним будет протекать общий ток I(0). В соответствии с обобщенным законом коммутации суммарное потокосцепление первой катушки индуктивности 4 и второй катушки индуктивности 5 в момент времени t не может измениться скачком, следовательно, в первой катушке индуктивности 4, имеющей большую индуктивность и более высокую добротность, чем вторая катушка индуктивности 5, возникает скачок тока 13, равный (I(0) - I(0)), причем ток не изменяет своего направления. Во второй катушке индуктивности 5 ток меняет свое направление на противоположное и возникает скачок тока 14 равный (I(0) - (- I(0))). В этот же момент времени t через вентили 7 и 9 параллельно нагрузке 8 подключается третья катушка индуктивности 10 и в сопротивлении нагрузки 8 формируется результирующий импульс тока 15 (фиг. 4). Возникающее перенапряжение на коммутаторе 2 при его размыкании уменьшается при помощи конденсатора 3.
С помощью программы Multisim были проведены исследования модели индуктивно-импульсного генератора со следующими параметрами: напряжение источника постоянного тока 1-50 В, его внутреннее сопротивление - 0,1 Ом, индуктивность первой катушки индуктивности 4-100 мГн, её активное сопротивление - 0,1 Ом, индуктивность второй катушки индуктивности 5-20 мГн, её активное сопротивление - 0,1 Ом, индуктивность третьей катушки индуктивности 10-10 мГн, её активное сопротивление - 0,1 Ом, сопротивление активной нагрузки 8-11 Ом. При размыкании коммутатора 2 амплитуда импульса тока в нагрузке 8 составила 382 А при длительности импульса 19.43 мс. Амплитудная мощность импульса составила 1605,1 кВт.
При отсутствии третьей катушки индуктивности 10, амплитуда тока в нагрузке 8 составляет 289,1 А, уменьшаясь в 1,32 раза, а амплитудная мощность импульса уменьшается до 919,3 кВт, то есть в 1,74 раза. Следовательно, третья катушка индуктивности 10 позволяет существенно увеличить долю энергии, передаваемую в нагрузку 8 и увеличить амплитуду и мощность импульса тока 15.
В устройстве-прототипе, при формировании импульса тока в нагрузке, потери энергии в магнитопроводе повышающего трансформатора за счет эффекта насыщения стали могут увеличиваться на 10%-20%. Таким образом, заявляемое устройство позволяет на 10%-20% увеличить долю энергии, передаваемой в нагрузку и соответственно на 10%-20% увеличить величину и мощность импульса тока в нагрузке.