ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ОПТИЧЕСКИМ УПРАВЛЕНИЕМ
HIGH-VOLTAGE PULSES GENERATOR WITH OPTICAL CONTROL

Изобретение относится к импульсной высоковольтной технике и может быть использовано в составе мощных линейных индукционных ускорителей (ЛИУ-Р-Т, ЛИУ-30, ЛИУ-10М, СТРАУС-2 и др.) для дистанционного запуска высоковольтной системы синхронизации (ВСС). Для запуска ВСС линейного индукционного ускорителя типа ЛИУ-Р-Т необходим генератор с выходной амплитудой импульса не менее 7 кВ, длительностью не менее 50 нс и фронтом нарастания не более 20 нс на кабельной нагрузке. Запуск генератора осуществляют современным программируемым генератором сигналов (ПГС) с выходными оптическими каналами, что требует запуск его по оптическому каналу. Использование на ускорителе современной автоматизированной системы управления и контроля (АСУК) предъявляет к генератору высоковольтных импульсов требования по выполнению его на основе современной радиоэлектронной элементной базы.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание генератора высоковольтных импульсов с оптическим запуском высоковольтного коммутатора, управление которого осуществляется дистанционно, с обеспечением контроля работоспособности и готовности генератора к пуску.
Известен блочный импульсный наносекундный генератор BING-5 (Kudasov В., Pavlov S., Tananakin V. et al. Module pulse nanosecond generators (BING) for universal high-voltage synchronization systems. Digest of Technical Papers, 11-th IEEE International Pulsed Power Conference, - 1997. - V. 2. - PP. 1572-1574). Генератор BING-5 состоит из высоковольтного источника питания и выходного импульсного формирователя. Высоковольтный источник питания преобразует сетевое напряжение 220 В 50 Гц в постоянное напряжение отрицательной полярности 10 кВ для зарядки трех параллельно соединенных накопительных керамических конденсаторов из титаната бария емкостью 4,7 нФ каждый. Разрядник РУ-62 в генераторе используется в качестве коммутатора и запускается импульсом с амплитудой 10 кВ. Генератор нагружен тремя кабельными линиями с волновым сопротивлением 50 Ом каждая. Параметры блочного импульсного наносекундного генератора: амплитуда выходного импульса 10 кВ, фронт нарастания 5 нс, задержка сигнала (130±5) нс, накопительная емкость 14.1 нФ, амплитуда пускового электрического импульса 100 В.
К недостаткам этого генератора следует отнести отсутствие запуска по оптическому сигналу, отсутствие контроля работоспособности и готовности генератора к пуску со стороны АСУК, устаревшую элементную базу, низкую электропрочность высоковольтных накопительных конденсаторов. Использование генератора BING-5 на ускорителе ЛИУ-Р-Т требует разработки дополнительных устройств для адаптации к современным модулям АСУК и оптическим выходам ПГС, повышение помехоустойчивости, ремонтопригодности и стабильности работы генератора.
Известен генератор высоковольтных импульсов с оптическим управлением по патенту RU 105786 (опубл. 20.06.2011), выбранный в качестве ближайшего аналога. Генератор включает источник питания, в схему которого включен трансформатор, предназначенный для заряда высоковольтного накопительного конденсатора, выпрямитель, состоящий из последовательно соединенных высоковольтных диодов, ограничительные сопротивления и высоковольтный управляемый коммутатор, в качестве которого применен игнитрон со схемой оптического управления. В состав источника питания входит силовой высоковольтный трансформатор, напряжение которого регулируется при помощи подключенного к его первичным обмоткам автотрансформатора. Зарядку высоковольтного накопительного конденсатора осуществляют регулированием напряжения на первичной обмотке силового трансформатора через выпрямитель, собранный на диодах, и ограничительных сопротивлениях. Разряд емкости происходит при помощи управляемого игнитрона. В состав схемы оптического управления игнитрона входит приемник оптического сигнала, позволяющий коммутировать импульсы тока в нагрузку в заданные моменты времени в ручном и автоматическом режимах при помощи внешнего источника излучения. Силовая часть схемы управления игнитроном состоит из импульсного трансформатора, выпрямителя, собранного на диодах, умножителя напряжения, высоковольтного конденсатора и двухэлектродного разрядника Р-76, напряжение срабатывания которого составляет 2000 В. Импульсный трансформатор схемы управления предназначен для зарядки высоковольтного конденсатора, запуска двухэлектродного разрядника Р-76 и игнитрона. Анод игнитрона подключен к одному выводу высоковольтного накопительного конденсатора, а катод, через нагрузку, - ко второму выводу, к отрицательному проводу схемы управления и общей отрицательной шине. Второй провод схемы управления подключен к управляющему электроду игнитрона. Когда разрядник срабатывает, происходит ионизация ртути и игнитрон пропускает импульс тока в нагрузку.
Недостатком данного генератора является то, что процесс заряда высоковольтного конденсатора, входящего в силовую часть схемы управления, осуществляют во время подачи пускового импульса. Это приводит к увеличению длительности пускового импульса и, как следствие, к увеличению времени срабатывания генератора (более сотни мс), это не позволяет использовать его совместно с ПГС. Кроме того, использование двухэлектродного разрядника Р-76 в схеме управления увеличивает разброс времени срабатывания генератора, что снижает стабильность его работы. Отсутствие возможности осуществления внешнего диагностического контроля работоспособности и готовности генератора к работе не позволяет определить неисправность генератора до момента его запуска.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение стабильности работы генератора. Дополнительным техническим результатом является уменьшение времени срабатывания и обеспечение контроля работоспособности и готовности генератора к работе.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в генераторе высоковольтных импульсов с оптическим управлением, включающем источник питания, в схему которого включен трансформатор, предназначенный для заряда высоковольтного накопительного конденсатора, ограничительное сопротивление, управляемый высоковольтный коммутатор, в схему управления которым входит приемник оптического сигнала, позволяющий коммутировать импульсы в нагрузку в заданные моменты времени, и импульсный трансформатор, предназначенный для запуска коммутатора, новым является то, что в схеме источника питания в качестве трансформатора используют высоковольтный импульсный трансформатор, кроме этого, в схему включены контроллер с обратной связью, управляющий транзистором, коммутирующим первичную обмотку трансформатора на общую шину, и умножитель напряжения, подключенный ко вторичной обмотке, в качестве управляемого высоковольтного коммутатора используют трехэлектродный разрядник, а высоковольтный импульсный конденсатор выполнен с разнонаправленными выводами и вместе с трехэлектродным разрядником помещен в общий заземленный бокс, при этом одним выводом конденсатор подсоединен к ограничительному сопротивлению и выходу генератора, а другим - к выходу источника питания и аноду трехэлектродного разрядника, в схеме управления которым на выходе приемника оптического сигнала установлена микросхема преобразователя уровня, выход которой соединен с базой двухплечевого эмиттерного повторителя, к выходу которого подсоединен затвор транзистора, коллектор которого подсоединен к первичной обмотке импульсного трансформатора, предназначенного для запуска трехэлектродного разрядника, а его вторичная обмотка - к управляющему электроду и катоду трехэлектродного разрядника.
Генератор дополнительно может содержать блок индикации и контроля работоспособности и готовности генератора к работе, схема которого включает стабилизаторы напряжения, компаратор, оптрон и резистивный делитель.
Использование в схеме источника питания высоковольтного импульсного трансформатора, контроллера с обратной связью, управляющего транзистором, коммутирующим первичную обмотку трансформатора на общую шину, и умножителя напряжения, подключенного ко вторичной обмотке, позволяет создавать и поддерживать необходимое стабилизированное напряжение зарядки высоковольтного накопительного конденсатора и иметь защиту от короткого замыкания.
Использование в качестве управляемого высоковольтного коммутатора трехэлектродного разрядника позволяет уменьшить разброс времени срабатывания генератора до уровня единиц наносекунд.
Выполнение высоковольтного импульсного конденсатора с разнонаправленными выводами и размещение его вместе с трехэлектродным разрядником в общий заземленный бокс позволяет исключить их электромагнитное влияние на схему управления и блок индикации и контроля генератора, что положительно сказывается на стабильности работы.
Подсоединение конденсатора одним выводом к ограничительному сопротивлению и выходу генератора, а другим - к выходу источника питания и аноду трехэлектродного разрядника, в схеме управления которым на выходе приемника оптического сигнала установлена микросхема преобразователя уровня, выход которой соединен с базой двухплечевого эмиттерного повторителя, к выходу которого подсоединен затвор транзистора, коллектор которого подсоединен к первичной обмотке импульсного трансформатора, предназначенного для запуска трехэлектродного разрядника, а его вторичная обмотка - к управляющему электроду трехэлектродного разрядника, позволяет сократить время срабатывания генератора до уровня нескольких сотен наносекунд и уменьшить разброс времени срабатывания генератора.
Включение дополнительно блока индикации и контроля работоспособности и готовности генератора к работе, схема которого включает стабилизаторы напряжения, компаратор, оптрон и резистивный делитель, позволяет дистанционно осуществлять проверку исправности генератора, контролируя питающие напряжения, и отслеживать наличие необходимого напряжения на высоковольтном накопительном конденсаторе.
На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого устройства, где:
1 - ВИП - высоковольтный источник питания;
2 - БЗ - блок запуска высоковольтного разрядника РУ-62;
3 - БИК - блок индикации и контроля;
4 - БП БЗ - блок питания для БЗ;
5 - БП ВИП и БИК - блок питания для ВИП и БИК;
6 - ШИМ - контроллер широтно-импульсной модуляции;
7 - Q1- транзистор;
8 - ТР1 - импульсный трансформатор на сердечнике МП140;
9 - умножитель напряжения на 10;
10 - РУ-62 - управляемый трехэлектродный разрядник;
11 - С - высоковольтный накопительный конденсатор;
12 - R - ограничительное сопротивление;
13 - ОК - оптоэлектронный инверсный конвертор:
14 - ПУ - преобразователь уровня;
15 - ЭП - двухплечевой эмиттерный повторитель;
16 - Q2- транзистор;
17 - ТР2 - импульсный трансформатор на сердечнике 2000НМ;
18 - C1, С2, С3 - стабилизаторы напряжения;
19 - компаратор;
20 - оптрон;
21 - РД - резистивный делитель;
22 - развязывающий трансформатор на 220 В;
23 - диодный мост;
24 - умножитель напряжения на два;
На фиг. 2 - осциллограмма выходного высоковольтного импульса.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить генератор высоковольтных импульсов с оптическим управлением для запуска ВСС линейного индукционного ускорителя ЛИУ-Р-Т.
Генератор включает ВИП - высоковольтный источник питания, высоковольтный трехэлектродный разрядник РУ-62, БЗ - блок запуска разрядника, БИК - блок индикации и контроля, блок питания для ВИП и БИК, блок питания для БЗ, ограничительное сопротивление и накопительную емкость - высоковольтный накопительный конденсатор. ВИП выполнен по схеме обратноходового преобразователя, в которую включен ШИМ-контроллер с обратной связью по напряжению, мощный импульсный MOSFET транзистор (Q1), высоковольтный импульсный трансформатор на сердечнике марки МП140 (TP1) и десятикратный умножитель напряжения, выполненный по типу генератора Кокрофта-Уолтона. Для повышения электропрочности используется высоковольтный импульсный конденсатор постоянной емкости с фольговыми обкладками, имеющий разнонаправленные выводы, расположенные на расстоянии 10 см друг от друга. С целью повышения помехоустойчивости высоковольтный накопительный конденсатор и разрядник РУ-62 расположены в одном заземленном металлическом боксе.
Блок запуска разрядника РУ-62 содержит оптоэлектронный инверсный конвертор (ОК), преобразователь уровня (ПУ), двухплечевой эмиттерный повторитель (ЭП), мощный импульсный IGBT транзистор (Q2) и импульсный трансформатор (ТР2). Блок питания для ВИП и БИК - предназначен для снабжения постоянным напряжением положительной полярности 26 В высоковольтного источника питания, блока индикации и контроля и содержит источник питания промышленного производства Omron S8VS-03024.
Блок питания для БЗ предназначен для обеспечения постоянными напряжениями положительной полярности 620 В, 15 В, 5,9 В блока запуска разрядника РУ-62 и содержит развязывающий трансформатор на 220 В, диодный мост, умножитель напряжения на два (×2) и схему стабилизатора (С1).
Блок индикации и контроля предназначен для мониторинга автоматизированной системой управления и контроля ускорителя выходных напряжений блоков питания и готовности генератора к пуску. БИК содержит компаратор, два стабилизатора напряжения 5 В (С3) и 15 В (С2), оптрон и резистивный делитель.
Генератор высоковольтных импульсов с оптическим управлением работает следующим образом.
Блок индикации и контроля 3 предназначен для мониторинга АСУК ускорителя выходных напряжений блоков питания 4, 5 и готовности генератора к пуску. Контрольное напряжение положительной полярности 2.5 В с контроллера ШИМ 6 ВИП 1 (соответствует напряжению отрицательной полярности 10 кВ на выходе ВИП 1) поступает па вход компаратора 19. Происходит сравнение входного сигнала с минимальным и максимальным пороговыми уровнями напряжения. При штатном функционировании устройства контрольное напряжение находится в диапазоне от 2,4 до 2,6 В положительной полярности. Компаратор 19 формирует сигнал готовности генератора к пуску для АСУК и внешней индикации. При выходе контрольного напряжения из вышеуказанного диапазона АСУК оповещает оператора о неисправности ВИП 1. Сигнал готовности гальванически развязан с модулями ввода-вывода АСУК оптроном 20. Резистивный делитель 21 адаптирует выходные напряжения положительной полярности 620 В, 15 В и 5,9 В БП БЗ 4 под входные параметры модулей контроля ввода-вывода АСУК.
Постоянное положительное напряжение 26 В с блока питания 5 для ВИП и БИК поступает на контроллер ШИМ 6 и импульсный трансформатор 8 TP1. Контроллер ШИМ 6 с частотой в несколько килогерц управляет транзистором 7 Q1, который коммутирует первичную обмотку трансформатора ТР1 8 на общую шину. На вторичной обмотке повышающего трансформатора ТР1 8 формируются импульсы амплитудой около 1,2 кВ, а после умножителя на десять 9 - постоянная отрицательная амплитуда напряжения 10 кВ. Обратная связь обеспечивает стабильность выходного отрицательного напряжения. Таким образом, ВИП 1 преобразует постоянное напряжение положительной полярности 26 В в постоянное напряжение отрицательной полярности 10 кВ и заряжает высоковольтный накопительный конденсатор 11 С=15 нФ. По команде оператора АСУК ускорителя с выхода ПГС формируется пусковой оптический импульс длительностью 4 мкс и фронтом не более 2 нс, который поступает на оптический вход блока запуска 2 разрядника РУ-62 (вход ОК 13), конвертируется в инверсный электрический ТТЛ-сигнал 5 В и поступает на вход микросхемы ПУ 14. На выходе микросхемы ПУ 14 формируется ТТЛ-сигнал положительной полярности 15 В и приходит на базу двухплечевого эмитерного повторителя 15, усиливается по току и открывает транзистор Q2 16. В результате на вторичной обмотке повышающего трансформатора 17 ТР2 генерируется высоковольтный импульс положительной полярности амплитудой 8 кВ, запускающий разрядник 10 РУ-62. Накопленная в высоковольтном накопительном конденсаторе 11 энергия через разрядник 10 РУ-62 коммутируется на общую шину, вследствие чего на выходе генератора формируется высоковольтный импульс положительной полярности амплитудой 10 кВ, фронтом нарастания 10 нс, длительностью 600 нс и через кабельную линию пускает ВСС.
Ниже в таблице показаны технические характеристики генератора высоковольтных импульсов.
Осциллограмма выходного высоковольтного импульса генератора показана на фиг. 2. Нагрузкой генератора являлся отрезок кабеля КВИ-100 длиной 20 метров и волновым сопротивлением 55 Ом. Амплитуда импульса 10 кВ, фронт нарастания на уровнях от 0,1 до 0,9 от максимальной амплитуды равен 10 нс.
В процессе эксплуатации ускорителя ЛИУ-Р-Т совместно с генератором высоковольтных импульсов было проведено несколько сотен рабочих включений, по итогам которых он показал высокую стабильность запуска и устойчивость выходных параметров к помехам.