RU2017308C1

RU2017308C1 - Generator of voltage pulses

Info

Publication number: RU2017308C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Бархатов; Ф.Я. Загулов; В.В. Кладухин; А.Н. Панов; С.П. Храмцов
Original assignee: Специальное конструкторское бюро научного приборостроения Уральского отделения РАН
Priority date: 1991-12-19
Filing date: 1991-12-19
Publication date: 1994-07-30

Abstract

FIELD: high-power pulse equipment. SUBSTANCE: generator of voltage pulses has two power supply sources 5, 10 of opposite polarity connected through controlled thyristors 6 and 9 to capacitor 1 which is linked through controlled thyristors 2 and 7 in parallel to primary windings 3, 8 of pulse transformer 4. Outputs of synchronization unit 18 are connected to controlling leads of specified thyristors which provides for successive opening of thyristors. Capacitor 12 and load 13 are connected in parallel to secondary winding 11 of pulse transformer. EFFECT: improved operational characteristics. 3 dwg

Description

Изобретение относится к мощной импульсной технике, а именно к генераторам высоковольтных импульсов с емкостным накопителем энергии, и может быть использовано в сильноточных импульсно-периодических ускорителях электронов и другой электрофизической аппаратуры. The invention relates to a powerful pulse technique, namely to high-voltage pulse generators with capacitive energy storage, and can be used in high-current pulse-periodic electron accelerators and other electrophysical equipment.

Известно устройство для зарядки емкостного накопителя, включающее параллельно соединенные первичную обмотку трансформатора, первый конденсатор и источник переменного напряжения, а также вторичную обмотку трансформатора, через выпрямитель включенную параллельно второму конденсатору [1]. A device for charging a capacitive storage device comprising a parallel connected primary winding of a transformer, a first capacitor and an AC voltage source, as well as a secondary winding of a transformer through a rectifier connected in parallel with the second capacitor [1].

Недостаток известного устройства обусловлен тем, что выпрямитель включен в цепь вторичной обмотки трансформатора, где действует повышенное напряжение. Это ограничивает область использования устройства сравнительно низкими напряжениями, в частности не более 100-200 кВ. A disadvantage of the known device is due to the fact that the rectifier is included in the secondary circuit of the transformer, where there is an increased voltage. This limits the scope of use of the device to relatively low voltages, in particular not more than 100-200 kV.

Наиболее близким к предложенному является генератор импульсов напряжения, включающий последовательно соединенные в кольцевую цепь первый емкостный накопитель, тиристор (основной управляемый ключ) и первичную обмотку импульсного трансформатора, причем параллельно первому емкостному накопителю включен источник питания положительной полярности, и параллельно включенные вторичную обмотку импульсного трансформатора, второй емкостный накопитель и вакуумный диод в качестве нагрузки [2]. Closest to the proposed one is a voltage pulse generator, including a first capacitive storage device, a thyristor (main controlled key) and a primary winding of a pulse transformer connected in series to a ring circuit, with a positive polarity power supply connected in parallel with the first capacitive drive and a secondary pulse transformer connected in parallel a second capacitive storage and a vacuum diode as a load [2].

Указанное устройство обеспечивает получение мощных высоковольтных импульсов напряжения, но имеет потери мощности вследствие перезаряда первого емкостного накопителя в каждом такте работы. The specified device provides powerful high-voltage voltage pulses, but has power losses due to overcharging of the first capacitive storage in each operation cycle.

Изобретение направлено на повышение КПД генератора путем исключения потерь при перезаряде емкостного накопителя. The invention is aimed at increasing the efficiency of the generator by eliminating losses during recharging of a capacitive storage.

Для этого в генератор импульсов, содержащий последовательно соединенные в кольцевую цепь первый емкостный накопитель, основной управляемый ключ и основную первичную обмотку импульсного трансформатора, причем параллельно указанному накопителю включен основной источник питания, например, положительной полярности, и параллельно включенные вторичную обмотку импульсного трансформатора, второй емкостный накопитель и нагрузку, введены дополнительный источник питания противоположной основному, например, отрицательной полярности, включенный через первый дополнительный управляемый ключ параллельно первому емкостному накопителю, последовательно соединенные, подключенные также параллельно первому емкостному накопителю второй дополнительный управляемый ключ и дополнительная первичная обмотка импульсного трансформатора, включенная встречно основной первичной обмотке, и третий дополнительный управляемый ключ, включенный между основным источником питания и первым емкостным накопителем. To this end, a pulse generator containing a first capacitive storage device connected in series in a ring circuit, a main controlled key and a primary primary winding of a pulse transformer, with a primary power supply, for example, of positive polarity, and a secondary secondary pulse of a pulse transformer connected in parallel to the drive, and a second capacitive drive and load, an additional power source is introduced opposite to the main one, for example, negative polarity, including through the first additional controlled key parallel to the first capacitive drive, connected in series, connected also parallel to the first capacitive drive, the second additional controlled key and an additional primary winding of the pulse transformer, connected counter to the primary primary winding, and the third additional controlled key connected between the main power source and the first capacitive storage.

В предлагаемый генератор введены известные элементы (источник питания, управляемые ключи, обмотка трансформатора), но по результатам патентных исследований не выявлена известноcть предложенного их соединения. Введение новых признаков обеспечивает появление нового технического результата. Это обусловлено следующим. Known elements (power supply, controlled keys, transformer winding) were introduced into the proposed generator, but according to the results of patent research, the knowledge of their proposed connection was not revealed. The introduction of new features provides the emergence of a new technical result. This is due to the following.

В известном генераторе заряд первого емкостного накопителя производится во всех тактах от основного источника питания одной полярности, а так как в каждом такте происходит смена знака заряда на первом накопителе, то часть энергии источника тратится на обратный заряд накопителя. В предложенном генераторе в каждом следующем такте обеспечивается дозаряд первого накопителя от источника питания с другой полярностью, соответствующей знаку заряда накопителя в этом такте. При этом не тратится энергия на перезаряд емкостного накопителя, что является новым техническим результатом изобретения. Повышается КПД генеpатора. In the known generator, the charge of the first capacitive storage device is performed in all clock cycles from the main power supply of the same polarity, and since in each cycle the charge sign changes on the first storage device, part of the source energy is spent on the reverse charge of the storage device. In the proposed generator, in each next cycle, the first drive is recharged from the power source with a different polarity corresponding to the sign of the drive charge in this cycle. In this case, no energy is spent on recharging a capacitive storage, which is a new technical result of the invention. Generator efficiency increases.

На фиг. 1 изображена схема генератор импульсов напряжения; на фиг.2 - схема блока синхронизации; на фиг.3 - эпюры напряжений на элементах схем, где t - время; U_х - напряжение на элементе схемы с номером Х.In FIG. 1 shows a diagram of a voltage pulse generator; figure 2 - circuit block synchronization; figure 3 - plot voltage on circuit elements, where t is the time; U _x - voltage on the circuit element with the number X.

Генератор импульсов напряжения содержит (фиг.1) последовательно соединенные в кольцевую цепь первый емкостный накопитель - конденсатор 1, основной управляемый ключ - тиристор 2 и основную первичную обмотку 3 импульсного трансформатора 4. При этом точка соединения конденсатора 1 с концом первичной обмотки 4 находится на корпусе генератора. Параллельно конденсатору 1 включен основной источник 5 питания положительной полярности, между выходом которого и конденсатором 1 включен дополнительный управляемый тиристор 6. Тиристоры 2 и 6 включены положительными выводами в сторону выхода источника 5 питания. Параллельно конденсатору 1 также включены последовательно соединенные дополнительный управляемый тиристор 7 и дополнительная первичная обмотка 8 импульсного трансформатора 4. Кроме того, параллельно конденсатору 1 включены последовательно соединенные дополнительный управляемый тиристор 9 и источник 10 питания отрицательной полярности. Тиристоры 7 и 9 включены отрицательными выводами в сторону выхода источника 10 питания. Обмотки 3 и 8 трансформатора 4 включены встречно друг другу. Параллельно вторичной обмотке 11 импульсного трансформатора 4 включены второй емкостный накопитель - конденсатор 12 и нагрузка - разрядник 13. С управляющими выводами тиристоров 6, 2, 9 и 7 соединены соответственно выходы 14, 15, 16 и 17 блока 18 синхронизации. Входы источников 5 и 10 питания соединены, например, с трехфазной сетью питания переменного напряжения. The voltage pulse generator comprises (Fig. 1) a first capacitive storage device connected in a ring circuit — a capacitor 1, a main controlled key — a thyristor 2, and a primary primary winding 3 of a pulse transformer 4. The connection point of the capacitor 1 and the end of the primary winding 4 is located on the housing generator. In parallel to the capacitor 1, the main power supply 5 is connected with a positive polarity, between the output of which and the capacitor 1 an additional controlled thyristor 6 is connected. Thyristors 2 and 6 are connected with positive leads to the output side of the power supply 5. In parallel to the capacitor 1, an additional controlled thyristor 7 and an additional primary winding 8 of the pulse transformer 4 are also connected in series. In addition, an additional controlled thyristor 9 and a negative polarity power supply 10 are connected in parallel to the capacitor 1. Thyristors 7 and 9 are connected with negative terminals in the direction of the output of the power source 10. The windings 3 and 8 of the transformer 4 are included in the opposite direction to each other. In parallel with the secondary winding 11 of the pulse transformer 4, a second capacitive storage device is connected - a capacitor 12 and a load - spark gap 13. The outputs 14, 15, 16 and 17 of the synchronization unit 18 are connected to the control terminals of the thyristors 6, 2, 9 and 7. The inputs of the power sources 5 and 10 are connected, for example, to a three-phase AC power supply network.

Блок 18 синхронизации (фиг.2) содержит источник 19 импульсов синхронизации, делители 20 и 21 частоты на два, схемы НЕ (инверторы) 22 и 23 и четыре трехвходовые схемы И (схемы совпадения) 24, 25, 26 и 27. Выход источника 19 импульсов синхронизации соединен с входом первого делителя 20 частоты на два и с первыми входами 28-31 схем 24-27 совпадения. Выход первого делителя 20 частоты на два соединен с входом второго делителя 21 частоты на два, с вторыми входами 32 и 33 схем 24 и 25 совпадения и непосредственно с вторыми входами 34 и 35 схем 26 и 27 совпадения через инвертор 22. Выход второго делителя 21 частоты на два соединен с третьими входами 37 и 39 схем 25 и 27 совпадения непосредственно и с третьими входами 36 и 38 схем 24 и 26 совпадения через инвертор 23. Block 18 synchronization (figure 2) contains a source of 19 pulses of synchronization, dividers 20 and 21 of the frequency into two circuits NOT (inverters) 22 and 23 and four three-input circuit And (matching circuit) 24, 25, 26 and 27. The output of the source 19 the synchronization pulse is connected to the input of the first frequency divider 20 into two and to the first inputs 28-31 of matching circuits 24-27. The output of the first frequency divider 20 into two is connected to the input of the second frequency divider 21 into two, with the second inputs 32 and 33 of the matching circuit 24 and 25 and directly with the second inputs 34 and 35 of the matching circuit 26 and 27 through the inverter 22. The output of the second frequency divider 21 two connected directly to the third inputs 37 and 39 of the matching circuit 25 and 27 and to the third inputs 36 and 38 of the matching circuit 24 and 26 through the inverter 23.

Генератор импульсов напряжения работает следующим образом. The voltage pulse generator operates as follows.

До момента времени t₁ (фиг.3) напряжение U₁ на конденсаторе 1 равно некоторому положительному значению + U₀, например, составляющему 20-30% от максимального напряжения на этом конденсаторе, что имеет место при коэффициенте связи обмотки 11 трансформатора 4, равном 0,7-0,8. Тиристоры 6, 2, 9 и 7 закрыты. Напряжение на конденсаторе 12 равно нулю.Until time t ₁ (Fig. 3), the voltage U ₁ on the capacitor 1 is equal to some positive value + U ₀ , for example, constituting 20-30% of the maximum voltage on this capacitor, which occurs when the coupling coefficient of the winding 11 of transformer 4 is equal to 0.7-0.8. Thyristors 6, 2, 9 and 7 are closed. The voltage across capacitor 12 is zero.

В момент времени t₁ импульс напряжения U₁₄ с выхода 14 блока 18 синхронизации открывает тиристор 6 (работа блока 18 синхронизации описана ниже). Начинается заряд конденсатора 1 от источника 5 питания до максимального напряжения + U_m. По окончании заряда конденсатора 1 тиристор 6 закрывается, напряжение + U_m действует до момента времени t₂, в который импульсом напряжения U₁₅ с выхода 15 блока 18 синхронизации открывается тиристор 2. При этом начинаютcя разряд конденсатора 1 на первичную обмотку 3 импульсного трансформатора 4 и заряд конденсатора 12, включенного параллельно вторичной обмотке 11 того же трансформатора. Конденсатор 1 разряжается до нуля и перезаряжается до отрицательного напряжения -U_о, равного по абсолютной величине напряжения +U_о. По окончании перезаряда конденсатора 1 тиристор 2 закрывается и напряжение на нем сохраняется до момента времени t₃. С началом заряда в момент времени t₂ конденсатора 12 напряжение на нем U₁₂ нарастает до требуемого положительного значения U_р, при котором происходит пробой разрядника 13, являющегося нагрузкой генератора. При этом конденсатор 12 за требуемое короткое время разряжается на нагрузку, напряжение на нем падает до нуля.At time t _{1, the} voltage pulse U ₁₄ from the output 14 of the synchronization unit 18 opens the thyristor 6 (the operation of the synchronization unit 18 is described below). The charge of the capacitor 1 starts from the power supply 5 to the maximum voltage + U _m . Upon completion of charging capacitor 6 closes the thyristor 1, the voltage + U _m is valid until the time t _2, in which the voltage pulse U ₁₅ from the output 15 synchronization unit 18 opens the thyristor 2. In this nachinayutcya discharge capacitor 1 to the primary winding of the pulse transformer 3 and 4 the charge of the capacitor 12 connected in parallel with the secondary winding 11 of the same transformer. The capacitor 1 is discharged to zero and recharged to a negative voltage -U _about equal in absolute value to the voltage + U _about . At the end of the overcharging of the capacitor 1, the thyristor 2 closes and the voltage on it remains until time t ₃ . With the beginning of the charge at the time t _{2 of the} capacitor 12, the voltage on it U ₁₂ rises to the required positive value U _p , at which the breakdown of the spark gap 13, which is the load of the generator, occurs. In this case, the capacitor 12 in the required short time is discharged to the load, the voltage across it drops to zero.

В момент времени t₃, непосредственно перед которым напряжение на конденсаторе 1 равно -U_о, напряжение на конденсаторе 12 равно нулю, а тиристоры 6, 2, 9 и 7 закрыты, импульсом напряжения U₁₆ с выхода 16 блока 18 синхронизации открывается тиристор 9. Начинается заряд конденсатора 1 до отрицательного напряжения -U_m от источника 10 отрицательного напряжения. По окончании заряда тиристор 9 закрывается, напряжение -U_m на конденсаторе 1 действует до момента времени t₄.At time t ₃ , immediately before which the voltage on the capacitor 1 is -U _о , the voltage on the capacitor 12 is zero, and the thyristors 6, 2, 9 and 7 are closed, the voltage pulse U ₁₆ from the output 16 of the synchronization unit 18 opens the thyristor 9. The charge of the capacitor 1 begins to a negative voltage -U _m from the source 10 of the negative voltage. At the end of the charge, the thyristor 9 closes, the voltage -U _m on the capacitor 1 is valid until time t ₄ .

В момент t₄ импульс напряжения U₁₇ с выхода 17 блока 18 синхронизации открывает тиристор 7, начинаются разряд конденсатора 1 на первичную обмотку 8 импульсного трансформатора 4 и заряд конденсатора 12 в цепи вторичной обмотки 11 трансформатора. Конденсатор 1 разряжается до нуля и перезаряжается до положительного напряжения +U_о, тиристор 7 закрывается, и это напряжение сохраняется до момента времени t₁₁, соответствующего в циклической работе генератора ранее описанному моменту времени t₁.At time t _{4, the} voltage pulse U ₁₇ from the output 17 of the synchronization unit 18 opens the thyristor 7, the discharge of the capacitor 1 to the primary winding 8 of the pulse transformer 4 and the charge of the capacitor 12 in the secondary circuit of the transformer 11 begin. The capacitor 1 is discharged to zero and recharged to a positive voltage + U _о , the thyristor 7 is closed, and this voltage is stored until the time t ₁₁ corresponding in the cyclic operation of the generator to the previously described time t ₁ .

С началом в момент времени t₄ заряда конденсатора 12 напряжение на нем U₁₂, как и в ранее рассмотренный период времени t₂-t₃, растет до требуемого положительного значения U_р, так как первичная обмотка 8 трансформатора 4 включена встречно первичной обмотке 3. Таким образом, хотя направление тока разряда конденсатора 1 в периоды времени t₂-t₃ (от + U_m до нуля) и t₄-t₁ (от -U_m до нуля) в первичных обмотках 3 и 8 трансформатора 4 разные, ток во вторичной обмотке 11 и соответственно знак напряжения U₁₂ на конденсаторе 12 одни и те же. По достижении напряжением U₁₂ значения U_р происходит пробой разрядника 13, конденсатор 12 разряжается на нагрузку. Цикл работы генератора импульсов напряжения закончен. С момента времени t₁ ¹ после появления на выходе 14 блока 18 синхронизации следующего импульса напряжения U₁₄ работа генератора повторяется.With the beginning at time t _{4 of the} charge of the capacitor 12, the voltage across it U ₁₂ , as in the previously considered time period t ₂ -t ₃ , rises to the required positive value U _p , since the primary winding 8 of the transformer 4 is connected counter to the primary winding 3. Thus, although the direction of the discharge current of the capacitor 1 in periods of time t ₂ -t ₃ (from + U _m to zero) and t ₄ -t ₁ (from -U _m to zero) in the primary windings 3 and 8 of transformer 4 is different, the current in the secondary winding 11 and, accordingly, the sign of the voltage U ₁₂ on the capacitor 12 are the same. When voltage U ₁₂ reaches the value of U _p , breakdown of the spark gap 13 occurs, the capacitor 12 is discharged to the load. The cycle of the voltage pulse generator is completed. From time t ₁ ¹ after the appearance of the output of block 14 of the synchronization 18 of the next voltage pulse U _{14, the} operation of the generator is repeated.

Блок 18 синхронизации работает следующим образом. Block 18 synchronization operates as follows.

На выходе источника 19 импульсов синхронизации действует импульсное напряжение U₁₉ (фиг.3) с заданным периодом повторения. На выходе делителя 20 частоты на два импульсное напряжение U₂₀ имеет период повторения в два раза больший, чем напряжение с выхода источника 19 импульсов синхронизации, а на выходе делителя 21 частоты на два импульсное напряжение U₂₁ имеет период повторения в четыре раза больший, чем у источника 19 импульсов синхронизации. Указанные импульсы напряжений попадают на входы схем 24 и 27 совпадения как непосредственно, так и через инверторы 22 и 23. Это обеспечивает соответствующее появление импульсов напряжения U₁₄ - U₁₇ на выходах инверторов.At the output of the clock pulse source 19, a pulse voltage U ₁₉ (FIG. 3) with a predetermined repetition period is applied. At the output of the frequency divider 20, the two pulsed voltage U ₂₀ has a repetition period two times longer than the voltage from the output of the clock pulse source 19, and at the output of the frequency divider 21 two pulses, the voltage U ₂₁ has a repetition period four times that a source of 19 pulses of synchronization. These voltage pulses get to the inputs of coincidence circuits 24 and 27 both directly and through inverters 22 and 23. This ensures the corresponding appearance of voltage pulses U ₁₄ - U ₁₇ at the inverter outputs.

Например, импульс напряжения U₁₄ на выходе 14 схемы 25 совпадения появляется, когда на ее входах 29, 33 и 37 действуют положительной полярности импульсы напряжений U₁₉, U₂₀, U₂₁ непосредственно с выходов источника 19 и делителей 20, 21. Импульс напряжения U₁₅ на выходе 15 схемы 27 совпадения появляется при появлении на входах 31 и 39 этой схемы импульсов положительной полярности U₁₉, U₂₁ c выходов источника 19 и делителя 21 непосредственно, а на входе 35 инвертированного импульса напряжения U₂₀, попадающего на этот вход с выхода делителя 20 через инвертор 22. Аналогично вырабатываются импульсы напряжений U₁₆ и U₁₇ на выходах 16 и 17 схем 24 и 26 совпадения.For example, a voltage pulse U ₁₄ at the output 14 of the coincidence circuit 25 appears when voltage polarity U ₁₉ , U ₂₀ , U ₂₁ directly from the outputs of the source 19 and dividers 20, 21 are acting on its inputs 29, 33 and 37. The voltage pulse U ₁₅ at the output 15 of the coincidence circuit 27 appears when positive polarity pulses U ₁₉ , U ₂₁ appear at the inputs 31 and 39 of this circuit from the outputs of the source 19 and the divider 21 directly, and at the input 35 of the inverted voltage pulse U ₂₀ reaching the input from the output divider 20 through inverter 22. Analog Normally the voltage pulses produced by U ₁₆ and U ₁₇ at the outputs 16 and 17 of the circuits 24 and 26 coincide.

Использование предложенного генератора импульсов напряжения обеспечивает повышение КПД на 10-30%. Using the proposed voltage pulse generator provides an increase in efficiency by 10-30%.

Claims

VOLTAGE PULSE GENERATOR, comprising a first capacitive storage device, a controllable key and a primary primary winding of a pulse transformer connected in series to a ring circuit, wherein a primary power supply, for example, of positive polarity, and a secondary secondary pulse of a pulse transformer, a second capacitive storage, are connected in parallel to the first capacitive storage and a load circuit, characterized in that an additional power source opposite to the main one is introduced into it, an example of negative polarity connected in parallel to the first capacitive drive through the first additional controlled key, sequentially connected and also connected in parallel to the first drive, the second additional controlled key and additional primary winding of the pulse transformer, connected counter to the primary primary winding, and the third additional managed key connected between the main power source and first capacitive storage.