Генератор импульсных токов регулируемой формы для питания плазменных излучателей

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности к устройствам формирования больших импульсных токов и может быть использована в источниках питания мощных импульсных плазменных излучателей, применяемых в фотохимии, осветительной технике, световых технологиях обработки материалов. Заявлен генератор импульсных токов регулируемой формы для питания плазменных излучателей с повышенным КПД, позволяющий формировать импульсы тока в плазменной нагрузке амплитудой до 3·10⁵ А, с крутым передним фронтом и большой длительностью. Он позволяет получить сложную форму разрядного тока: трапецеидальную, двух- и трехпиковую. В генераторе импульсных токов регулируемой формы для питания плазменных излучателей, содержащем зарядное устройство, емкостной накопитель, разделенный на секции, каждая из которых коммутируется через отдельный разрядник, и устройство запуска разрядников, конденсаторы емкостного накопителя разделены, по меньшей мере, на две секции, в одной из которых конденсаторы соединены последовательно - параллельно, а в другой(их) - параллельно, каждая секция снабжена коммутатором зарядного тока с блоком контроля зарядного напряжения на базе компаратора и релейной схемой управления коммутатором зарядного тока, каждый разрядник снабжен собственной схемой поджига, запускаемой внешним многоканальным генератором задержанных импульсов. 6 илл.

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности к устройствам формирования больших импульсных токов и может быть использована в источниках питания мощных импульсных плазменных излучателей, применяемых в фотохимии, осветительной технике, световых технологиях обработки материалов.

Для решения таких задач требуются излучатели с широким диапазоном параметров со сложной временной формой светового импульса. Питание таких излучателей осуществляется от генераторов импульсных токов (ГИТ) в виде высоковольтных емкостных накопителей, обеспечивающих протекание через плазменную нагрузку импульсных токов амплитудой 10³-10⁶ А.

Известно устройство - генератор импульсных токов регулируемой формы и длительности для питания газоразрядных ламп [Вицинский С.А., Кулаков В.И., Опре В.М. Генератор импульсов тока регулируемой формы и длительности для питания газоразрядных ламп. ПТЭ, 1, 1980 г. с.123-124], включающий емкостной накопитель в виде искусственной длинной линии, каждая из ячеек которой коммутируется через собственный игнитронный разрядник. Ячейки искусственной длинной линии заряжаются до разного напряжения через токоограничивающие сопротивления и диоды от трансформатора с отводами. Запуск разряда ячеек осуществляется не одновременно, а с задержкой относительно друг друга. Варьируя напряжение заряда и время задержки разряда каждой ячейки, можно существенным образом изменить форму тока разряда.

Однако, использование в устройстве искусственной длинной линии игнитронных разрядников ограничивает максимальную амплитуду разрядного тока до величины 10⁴ А. Трансформатор с отводами не позволяет изменить относительные уровни заряда отдельных ячеек формирующей линии, что ограничивает возможности регулирования формы разрядного тока.

Известен генератор импульсных токов для питания плазменных излучателей, выбранный нами в качестве прототипа [Келлер А.В., Козлов Е.А., Лапшин В.А., Рыбин В.Н. Система коммутации из 40 разрядников ИРТ-1 для мощного ГИТ. Электронная техника, сер. 4, 1981, вып.5(88), с.27-29], включающий соединенный с общим зарядным устройством емкостной накопитель, разделенный на 40 секций, в каждой из которых конденсаторы соединены параллельно. Коммутацию разрядного тока секций осуществляют 40 игнитронных разрядников. Разряд секций происходит одновременно при подаче на разрядники импульсов поджига от общего блока запуска.

Зарядное устройство накопителя заряжает все секции до одинакового напряжения, вплоть до 5 кВ.

Изменение формы импульса тока в плазменной нагрузке этого ГИТ осуществляется путем включения в основную цепь разряда дополнительных элементов: индуктивности и сопротивления.

Однако, в таком устройстве изменение параметров разрядного контура позволяет регулировать временную форму токовых импульсов в плазменной нагрузке только в определенных пределах [1], использование игнитронных разрядников, имеющих небольшую пропускную способность, вынуждает разбивать накопитель на большое количество секций, что усложняет систему управления накопителем, а в аварийных ситуациях повышает опасность заражения окружающей среды высокотоксичной ртутью. Схема накопителя с дополнительными элементами в цепи разряда не позволяет получить токовые импульсы большой амплитуды с крутым передним фронтом и большой длительностью и более сложную форму токового импульса, например, трапецеидальную, двух- или трехпиковую. Устройство имеет низкий КПД.

Нами заявлен генератор импульсных токов регулируемой формы для питания плазменных излучателей с повышенным КПД, позволяющий формировать импульсы тока в плазменной нагрузке амплитудой до ЗЛО⁵ А., с крутым передним фронтом и большой длительностью. Он позволяет получить сложную форму разрядного тока: трапецеидальную, двух- и трехпиковую.

Такой технический эффект достигнут нами, когда в генераторе импульсных токов регулируемой формы для питания плазменных излучателей, содержащем зарядное устройство, емкостной накопитель, разделенный на секции, каждая из которых коммутируется через отдельный разрядник, и устройство запуска разрядников, новым является то, что конденсаторы емкостного накопителя разделены, по меньшей мере, на две секции, в одной из которых конденсаторы соединены последовательно - параллельно, а в другой(их) - параллельно, каждая секция снабжена коммутатором зарядного тока с блоком контроля зарядного напряжения на базе компаратора и релейной схемой управления коммутатором зарядного тока, каждый разрядник снабжен собственной схемой поджига, запускаемой внешним многоканальным генератором задержанных импульсов, при этом зарядное устройство соединено с секциями емкостного накопителя через контакты реле, высоковольтные диодные развязки и зарядные сопротивления.

Подходы к решению задачи контроля зарядного напряжения на базе компаратора известны.

Подходы к решению задачи построения релейной схемы управления коммутатором зарядного тока известны.

На фиг.1* (*На фиг.1 приведены цифровые и принятые в электротехнике буквенные обозначения.) представлена функциональная схема генератора импульсных токов регулируемой формы для питания плазменных излучателей: с зарядным устройством 1 с высоковольтными диодными развязками Д1, Д2, Д3 и зарядными сопротивлениями R1, R2, R3, системой коммутации зарядного тока из реле P1, P2, Р3 и контактов P1.1, P2.1 и Р3.1, блоком 2 контроля заряда с делителями ДН1, ДН2 и ДН3 напряжения, разрядниками 3, 4, 5 с устройствами 6, 7, 8 запуска и генератором 9 задержанных импульсов, емкостной накопитель с тремя секциями C1, C2, С3 конденсаторов, и плазменным излучателем 10.

На фиг.2 представлен эскиз передней панели блока контроля заряда с органами управления одного канала, где индикатор 11 зарядного напряжения, кнопка 12 выбора режима индикации, ручка 13 потенциометра установки уровня зарядного напряжения, тумблер 14 включения автоматического устройства коммутации зарядного тока, индикатор 15 заряда, индикатор 16 включения устройства коммутации зарядного тока, индикатор 17 достижения установленного уровня зарядного напряжения.

На фиг.3 представлена фотография автоматического трехканального устройства коммутации зарядного тока, где электромагнитное реле 18, контакты 19 коммутатора зарядного тока, дополнительные контакты 20.

На фиг.4 представлена осциллограмма импульса разрядного тока трапецеидальной формы, где на оси абсцисс - время t, мксек., на оси ординат - ток I, кА.

На фиг.5 представлена осциллограмма импульса разрядного тока трехпиковой формы, где на оси абсцисс - время t, мксек., на оси ординат - ток I, кА.

На фиг.6 представлены осциллограммы тока разряда (I) и светового импульса (II) МПР, сформированные генератором импульсных токов, где на оси абсцисс - время t, мксек., на первой оси ординат - относительный световой поток F/F_m, отн. ед., на второй оси ординат - ток I, кА,

Заявленное устройство работает следующим образом (см. фиг.1).

Формирование импульсов разрядного тока требуемой амплитуды и временной формы осуществляют при последовательном запуске разряда секций емкостного накопителя, заряженных до разного напряжения. Это стало возможным благодаря тому, что в схему каждой секции C1, С2, С3 емкостного накопителя ГИТ нами введены релейные коммутаторы зарядного тока (реле Р1, Р2, Р3 и контакты P1.1, P2.1 и Р3.1), блоки 6, 7, 8 поджига вакуумных управляемых разрядников 3, 4, 5, генератор 9 задержанных импульсов для запуска блоков 6, 7, 8 поджига и трехканальный блок 2 контроля зарядного напряжения.

Исходя из требуемой формы импульса тока в плазменной нагрузке расчетным путем определяются зарядные напряжения каждой секции емкостного накопителя, последовательность их срабатывания и времена задержки срабатывания. Подходы к расчету уровней заряда и времени задержки известны. Уровни зарядного напряжения каждой секции устанавливают в соответствующих каналах блока 2 контроля заряда. Задержку запуска разряда секций емкостного накопителя устанавливают в соответствующих каналах генератора 9 задержанных импульсов. При включении заряда секций блок 2 подает напряжение на обмотки реле Р1, Р2, Р3. Контакты P1.1, P2.1, Р3.1 коммутатора зарядного тока замыкаются, ток от зарядного устройства 1 через диодные развязки Д1, Д2, Д3 и зарядные сопротивления R1, R2, R3 подается на соответствующие секции C1, C2, С3 емкостного накопителя ГИТ. Напряжение на секциях накопителя измеряется делителями ДН1, ДН2, ДН3 напряжения, сигналы с которых подаются на компараторную схему блока 2 контроля заряда. По достижении напряжения заряда секции установленного уровня блок 2 контроля заряда отключает напряжение от обмоток реле Р1, Р2, Р3. Контакты P1.1, P2.1, Р3.1 коммутатора зарядного тока размыкаются, заряд прекращается. Если напряжение заряженной секции после отключения заряда упадет на 5% относительно установленного, блок 2 вновь подаст напряжение на обмотку соответствующего реле, контакты реле замкнутся, начнется дозаряд секции.

Например, формирование крутого переднего фронта и большой амплитуды разрядного тока в плазменной нагрузке стало возможным благодаря тому, что конденсаторы одной из секций переключены нами на последовательно - параллельное соединение, при котором пары конденсаторов, включенных последовательно, соединяются параллельно. При этом емкость секции уменьшается в четыре раза, а зарядное напряжение повышается в два раза. Разряд секции с малой емкостью и высоким зарядным напряжением формирует крутой передний фронт разрядного тока большой амплитуды. После запуска следующей секции, заряженной до меньшего напряжения, чем первая, суммарная емкость накопителя, подключенного к плазменной нагрузке, и постоянная времени разряда увеличиваются, формируется пологий задний фронт разрядного тока. После запуска третьей секции, заряженной до еще меньшего напряжения, чем вторая, суммарная емкость накопителя и постоянная времени разряда еще более увеличиваются, задний фронт еще более затягивается. Таким образом происходит формирование импульса разрядного тока большой длительности с крутым передним фронтом и большой амплитудой. Формирование импульсов более сложной формы происходит аналогично при соответствующем подборе уровней зарядного напряжения и времени задержки запуска секций емкостного накопителя ГИТ.

Пример конкретного исполнения (см. фиг.2-6).

В нашей организации создан генератор импульсных токов переменной формы и длительности для питания плазменного излучателя на основе магнитоприжатого разряда. Генератор включает в себя три секции конденсаторов, каждая из которых имеет высоковольтную диодную развязку зарядного напряжения, зарядное сопротивление, устройство коммутации зарядного тока, управляемый вакуумный разрядник, блок поджига разрядника, делитель напряжения для контроля зарядного напряжения. ГИТ имеет общее зарядное устройство напряжением до 10 кВ, блок контроля заряда трехканальный.

Две секции 1 и 2 емкостного накопителя собраны из параллельно соединенных конденсаторов ИМ 5-140, в секции 3 конденсаторы соединены последовательно - параллельно. Параметры секций приведены в табл.1

Общее зарядное устройство обеспечивает ток заряда до 6 А, напряжение до 10 кВ.

Трехканальное устройство коммутации зарядного тока (фиг.3) предназначено для дистанционного подключения и отключения отдельных секций накопителя к зарядному устройству. Устройство изготовлено на базе электромагнитного реле МИС 5100М (18). При подаче напряжения на обмотку реле замыкаются контакты 19, через которые ток заряда направляется на соответствующие секции емкостного накопителя. Контроль срабатывания устройства осуществляется с помощью дополнительных контактов 20.

Блок контроля заряда - трехканальный, создан на основе компараторной схемы сравнения напряжений. С помощью блока осуществляется предварительная установка величин рабочего напряжения на трех секциях конденсаторной батареи, контроль напряжения на конденсаторах в процессе заряда и автоматическое поддержание напряжений после достижения заданных величин.

На фиг.2 изображена часть лицевой панели блока с органами управления процессом заряда одной секции емкостного накопителя. Цифровой индикатор 11 напряжения постоянно подключен к соответствующей секции накопителя. При нажатии кнопки 12 индикатор подключается к прецизионному потенциометру, с помощью которого устанавливается требуемое напряжение заряда секции. При отпускании кнопки индикатор возвращается в исходное состояние и указывает напряжение на секции. Процесс заряда секции емкостного накопителя запускается включением тумблера 14. При этом зажигается светодиод 15, в блоке контроля срабатывает реле, которое подает напряжение на обмотку реле автоматического устройства коммутации зарядного тока. При этом замыкаются контакты (поз.19 фиг.3), через которые ток заряда направляется на соответствующие секции емкостного накопителя. Срабатывание устройства коммутации подтверждается светодиодом 16, цепь питания которого замыкается дополнительными контактами автоматического устройства коммутации. На индикаторе отображается рост напряжения по мере заряда секции емкостного накопителя.

Заряд накопителя можно остановить выключением тумблера 14, например, в случае нештатной ситуации. В нормальном режиме заряда напряжение на батарее достигает предварительно установленной величины, после чего управляющее реле в блоке контроля отключается и зажигается индикатор 17. При этом должны отключиться силовые контакты и погаснуть индикатор 16. На этом процесс заряда завершается. Тумблер можно выключить.

Если тумблер 14 оставить включенным, схема управления соответствующего канала переходит в режим автоматического поддержания заданного напряжения на батарее. Когда в результате саморазряда емкостного накопителя напряжение упадет больше, чем на 5% заданной величины, компаратор в схеме управления снова включит силовые цепи на дозаряд накопителя.

Система поджига управляемых вакуумных разрядников (РВУ) секций емкостного накопителя состоит из блоков поджига (БП) и шестиканального генератора задержанных импульсов ГЗИ - 6. БП каждой секции запускается собственным импульсом от ГЗИ - 6. Последовательность запуска секций и времена задержки запуска определяют форму токового импульса в плазменной нагрузке.

Испытания созданного на предприятии ГИТ проводились в режиме разряда секций емкостного накопителя на эквивалент нагрузки. В качестве эквивалента нагрузки использовалось активное сопротивление, включенное в цепь разряда, величиной 15 мОм. Такое же сопротивление имеет плазменная нагрузка.

Во время испытаний использовалось разное количество секций накопителя, варьировались зарядные напряжения секций и времена их срабатывания.

Осциллограмма разрядного тока трапецеидальной формы (фиг.4) получена в режиме, когда напряжение заряда секции 3 U_з3=2.5 кВ, секции 2 U_з2=2.0 кВ, секции 1 U_з1=1.5 кВ. Время задержки запуска секции 3 _з3=0, секции 2 _з2=200 мкс, секции 1 _з1=400 мкс. Осциллограмма показывает, что длительность переднего фронта не зависит от полной емкости накопителя. При использовании традиционного способа включения емкостного накопителя длительность переднего фронта увеличивалась с ростом емкости. Полная длительность токового импульса при равных емкостях в нашем случае оказалась больше, чем в обычной схеме. Амплитуда тока в новой схеме зависит только от напряжения заряда секции, включаемой первой. Следует отметить, что предложенная система позволила реализовать практически полное вложение запасенной накопителем энергии в нагрузку.

Осциллограмма тока, приведенная на фиг.5, иллюстрирует возможность получения с помощью ГИТ трехпикового импульса тока, что принципиально неосуществимо в традиционной схеме включения емкостного накопителя. Трехпиковый импульс получен при использовании секций 1, 2 и 3, заряженных до 1, 1.5 и 2 кВ соответственно. Первой запускалась секция 3, секция 2 разряжалась на нагрузку с задержкой 500 мкс, секция 1 разряжалась с задержкой 1000 мкс.

На фиг.6 приведены осциллограммы токового и светового импульсов, сформированные ГИТ в плазменной нагрузке. Осциллограммы получены при разряде на плазменную нагрузку третьей, второй и первой секций емкостного накопителя ГИТ, заряженных до 2,5, 2 и 1,5 кВ соответственно. Задержка запуска третьей и второй секций составила 200 мкс. Задержка запуска третьей и первой секций составила 400 мкс. Импульсы на фиг.6 имеют форму, характерную для режима RC - разряда, хотя получены без использования дополнительного сопротивления в цепи основного разряда, рассеивающего запасаемую накопителем энергию. В этом режиме вся запасаемая накопителем энергия была вложена в плазменную нагрузку. Поскольку максимальное зарядное напряжение третьей секции емкостного накопителя ГИТ составляет 10 кВ, амплитуда тока разряда в этом режиме может достигать 250-300 кА, при сохранении временной формы с крутым передним фронтом и пологим спадом, что нереализуемо в традиционной схеме включения емкостного накопителя или в схеме, использующей дополнительные элементы разрядного контура.

Литература

1. Калашников Е.В., Миронов И.С., Роговцев П.Н., Павлова Л.А. Исследование динамики излучения сильноточного магнитоприжатого разряда. ТВТ, 1986 г., Т.24, 5, С.837-843.

Генератор импульсных токов регулируемой формы для питания плазменных излучателей, содержащий зарядное устройство, емкостной накопитель, разделенный на секции, каждая из которых коммутируется через отдельный разрядник, и устройство запуска разрядников, отличающийся тем, что конденсаторы емкостного накопителя разделены, по меньшей мере, на две секции, в одной из которых конденсаторы соединены последовательно-параллельно, а в другой(их) - параллельно, каждая секция снабжена коммутатором зарядного тока с блоком контроля зарядного напряжения на базе компаратора и релейной схемой управления коммутатором зарядного тока, каждый разрядник снабжен собственной схемой поджига, запускаемой внешним многоканальным генератором задержанных импульсов, при этом зарядное устройство соединено с секциями емкостного накопителя через контакты реле, высоковольтные диодные развязки и зарядные сопротивления.