Устройство магнитного сжатия импульса

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для питания импульсных частотных нагрузок, например, мощных импульсных газовых лазеров и сильноточных наносекундных ускорителей с высокой частотой повторения импульсов. Изобретение позволяет увеличивать выходное напряжение в процессе магнитного сжатия импульса и упрощает устройство. Устройство содержит первичный емкостной накопитель и тиристорный коммутатор, подключенные к первичной обмотке импульсного трансформатора, нагрузку, зашунтированную конденсатором и катушкой индуктивности, N последовательно соединенных звеньев магнитного сжатия, которые включены между вторичной обмоткой импульсного трансформатора и нагрузкой. В каждом звене магнитного сжатия дополнительно к первым накопительным конденсаторам последовательно подключены вторые накопительные конденсаторы. Каждое звено содержит выходные магнитные ключи. Вторичная обмотка импульсного трансформатора подключена параллельно первому накопительному конденсатору первого магнитного звена сжатия. Выводы выходных магнитных ключей, кроме последнего, соединены с точкой соединения первого и второго накопительных конденсаторов последующих звеньев. Вывод выходного магнитного ключа последнего звена подключен к нагрузке. Параллельно первому накопительному конденсатору каждого из магнитных звеньев, кроме первого, подключены дополнительные магнитные ключи. В устройстве проходит повышение напряжения в 2 раза при переходе энергии от звена к звену, а выходное напряжение в 2^N раз превышает входное напряжение, где N - число звеньев сжатия. При этом ток заряда конденсаторов каждого звена автоматически перемагничивает сердечники магнитных ключей, что приводит к упрощению устройства. 1 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для питания импульсных частотных нагрузок, например, мощных импульсных газовых лазеров и сильноточных наносекундных ускорителей с высокой частотой повторения импульсов.

Известно устройство магнитного сжатия импульса, содержащее высоковольтный зарядный источник, газоразрядный коммутирующий тиратрон и звенья магнитного сжатия импульса [1] Недостаток устройства ограниченный ресурс из-за использования высоковольтного газоразрядного коммутатора.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство магнитного сжатия импульса, имеющее полностью твердотельную систему коммутации с использованием в первичной цепи тиристора и повышающего импульсного трансформатора [2] содержащее также узел нагрузки, звенья магнитного сжатия импульса и систему размагничивания магнитных ключей.

Недостаток устройства состоит в том, что в процессе магнитного сжатия импульса из-за потерь энергии происходит уменьшение амплитуды импульса при передаче энергии от звена к звену. Это приводит к необходимости существенного увеличения выходного напряжения импульсного трансформатора. С учетом согласованного разряда конденсатора последнего звена на нагрузку и потерь энергии в процессе магнитного сжатия импульса выходное напряжение импульсного трансформатора может в 2 3 раза превышать амплитуду импульса на нагрузке, что усложняет конструкцию импульсного трансформатора, когда требуется получать на нагрузке импульсы с амплитудой в десяти и сотни киловольт. К недостаткам также относится наличие дополнительной системы для размагничивания сердечников магнитных ключей, усложняющее устройство.

Цель изобретения увеличение выходного напряжения при передаче энергии от звена к звену, а также упростить устройство.

Это достигается тем, что в известное устройство магнитного сжатия импульса, содержащее первичный емкостной накопитель, тиристорный ключ, импульсный трансформатор, нагрузку, параллельно которой включены конденсатор и катушка индуктивности, N последовательно соединенных магнитных звеньев сжатия, которые включены между вторичной обмоткой импульсного трансформатора и нагрузкой, при этом первичный емкостной накопитель и первичная обмотка импульсного трансформатора соединены последовательно, тиристорный ключ включен между другими выводами первичного емкостного накопителя и первичной обмотки импульсного трансформатора, каждая из магнитных звеньев сжатия содержит магнитный ключ и первый накопительный конденсатор, один вывод которого подключен к общей шине, вторичная обмотка импульсного трансформатора подключена параллельно первому накопительному конденсатору первого магнитного звена сжатия, в каждое из N магнитных звеньев сжатия между другим выводом первого накопительного конденсатора и первым выводом магнитного ключа введен второй накопительный конденсатор, параллельно первому накопительному конденсатору каждого из магнитных звеньев, кроме первого, введен дополнительный магнитный ключ, а второй вывод магнитного ключа каждого из магнитных звеньев сжатия, кроме N-го, соединен с точкой соединения первого и второго накопительных конденсаторов последующего магнитного звена сжатия, второй вывод магнитного ключа N-го магнитного звена сжатия подключен к нагрузке, а величины емкостей первого и второго накопительных конденсаторов каждого из N магнитных звеньев сжатия выбраны равными.

Приведенная совокупность признаков приводит к тому, что в процессе магнитного сжатия импульса при переходе энергии от предыдущего звена к последующему происходит удвоение напряжения. Величина напряжения последнего звена составляет при этом U₀ 2^N, где U₀ выходное напряжение импульсного трансформатора, N число звеньев сжатия устройства. Кроме того, в отличие от прототипа, здесь обеспечивается режим автоматического размагничивавния сердечников всех магнитных ключей без использования дополнительной системы размагничивания, что существенно упрощает устройство, особенно при высоких напряжениях.

На чертеже дана схема предлагаемого устройства.

Предложенное устройство магнитного сжатия импульса содержит первичный емкостной накопитель 1 и тиристорный ключ 2, подключенные к первичной обмотке импульсного трансформатора 3. Узел нагрузки содержит непосредственно нагрузочный активный элемент 4, в качестве которого может выступать межэлектродный разрядный промежуток импульсного газового лазера или вакуумный диод ускорителя заряженных частиц, и шунтирующие его конденсатор 5 и катушку индуктивности 6. В каждом звене к первым накопительным конденсатором 7, 9 и 11 подключены вторые накопительные конденсаторы 8, 10 и 12 как это показано на чертеже. При этом емкости конденсаторов в одном звене одинаковы: C₇ C₈, C₉ C₁₀ и C₁₁ C₁₂. Каждое звено содержит выходные магнитные ключи 13, 14 и 15. Вторичная обмотка импульсного трансформатора подключена параллельно первому накопительному конденсатору 7 первого магнитного звена сжатия. Выводы магнитных ключей 13 и 14 соединены с точкой соединения первого и второго накопительных конденсаторов последующих звеньев, т.е. конденсаторов 9 10 и 11 12 соответственно. Вывод магнитного ключа 15 подключен к нагрузке. Параллельно первому накопительному конденсатору каждого из магнитных звеньев, кроме первого, подключены магнитные ключи 16 и 17. На схеме также указаны полярность зарядного напряжения конденсаторов звеньев и направление протекания токов по магнитным ключом (сплошная стрелка соответствует разрядному току, пунктирная зарядному).

Устройство работает следующим образом.

Конденсатор 1 заряжается от внешнего источника питания с указанной на схеме полярностью, причем зарядный ток этого конденсатора протекает по первичной обмотке импульсного трансформатора 3 в направлении пунктирной стрелки. При включении тиристора 2 начинается процесс передачи энергии из конденсатора 1 в конденсаторы первого звена 7 и 8 через импульсный трансформатор. Конденсатор 7 заряжается непосредственно от вторичной обмотки импульсного трансформатора, а ток заряда конденсатора 8 протекает также через магнитные ключи 13 и 16 в направлении пунктирных стрелок. Для согласования процесса передачи энергии емкости конденсаторов 1, 7 и 8 выбираются из соотношения C₁ (K_ит)² (C₇ + C₈) (K_ит)² 2C₇, где K_ит коэффициент трансформации импульсного трансформатора. В момент окончания заряда конденсаторов 7 и 8 происходит насыщение сердечника импульсного трансформатора и конденсатор 7 перезаряжается через его вторичную обмотку. При перезаряде конденсатора 7 напряжение в точке 18 нарастает от 0 до 2U₀ по закону (1 cos), где U₀ зарядное напряжение конденсаторов 7 и 8. Нарастающее напряжение в точке 18 блокируется магнитным ключом первого звена 13, который насыщается в момент максимального напряжения на нем. После включения ключа 13 начинается процесс передачи энергии из первого звена во второе, т.е. в конденсаторы 9 и 10. Ток разряда первого звена, протекающий через ключ 13 (сплошная стрелка), является зарядным током конденсаторов 9 и 10 второго звена. При этом конденсатор 10 заряжается током, протекающим через ключи 14 и 17 (пунктирные стрелки). Для согласованной передачи энергии из первого звена во второе емкости конденсаторов 9 и 10, которые также равны между собой, выбираются из соотношения C₇ 4C₉, т. е. емкости конденсаторов следующего звена должны быть в 4 раза меньше, чем емкости конденсаторов предыдущего звена. Это связано с тем, что от звена к звену передается одна и та же порция энергии (без учета активных потерь), в напряжение импульса при переходе от звена к звену удваивается. После заряда конденсаторов 9 и 10 (каждый из них заряжается до напряжения 2U₀) происходит насыщение сердечника ключа 16. Конденсатор 9 перезаряжается через насыщенный ключ 16, при этом напряжение в точке 19 изменяется от 0 до -4U₀. Это напряжение до достижения максимальной величины блокируется ключем 14. После его насыщения энергия из конденсаторов второго звена аналогичным образом передается в конденсаторы 11 и 12 третьего звена. После насыщения ключа 17 и перезаряда конденсатора 11 напряжение в точке 20 изменяется от 0 до +8U₀. Насыщение ключа 15 приводит к передаче энергии из последнего звена в нагрузку.

Таким образом, в предложенном устройстве происходит магнитное сжатие импульса с повышением напряжения в 2 раза при переходе энергии от звена к звену. Выходное напряжение без учета активных потерь в 2^N раза выше входного напряжения, где N число звеньев сжатия устройства. При этом ток заряда конденсаторов следующего звена, являющийся током разряда конденсаторов предыдущего звена, автоматически перемагничивает сердечники магнитных ключей следующего звена, в связи с чем отпадает необходимость применения дополнительной внешней системы размагничивания. Кроме того в предложенном устройстве в каждом звене происходит также двойное сжатие энергии импульса во времени за счет перезаряда конденсаторов 7, 9 и 11. Это позволяет по сравнению с прототипом вдвое уменьшить необходимое количество звеньев сжатия.

Формула изобретения

Устройство магнитного сжатия импульса, содержащее первичный емкостный накопитель, тиристорный ключ, импульсный трансформатор, нагрузку, параллельно которой включены конденсатор и катушка индуктивности, N последовательно соединенных магнитных звеньев сжатия, которые включены между вторичной обмоткой импульсного трансформатора и нагрузкой, при этом первичный емкостной накопитель и первичная обмотка импульсного трансформатора соединены последовательно, тиристорный ключ включен между другими выводами первичного емкостного накопителя и первичной обмотки импульсного трансформатора, каждое из магнитных звеньев сжатия содержит магнитный ключ и первый накопительный конденсатор, один вывод которого подключен к общей шине, вторичная обмотка импульсного трансформатора подключена параллельно первому накопительному конденсатору первого магнитного звена сжатия, отличающееся тем, что в каждое из N магнитных звеньев сжатия между другим выводом первого накопительного конденсатора и первым выводом магнитного ключа введен второй накопительный конденсатор, параллельно первому накопительному конденсатору каждого из магнитных звеньев сжатия, кроме первого, введен дополнительный магнитный ключ, а второй вывод магнитного ключа каждого из магнитных звеньев сжатия, кроме N-го, соединен с точкой соединения первого и второго накопительных конденсаторов последующего магнитного звена сжатия, второй вывод магнитного ключа N-го магнитного звена сжатия подключен к нагрузке, а величины емкостей первого и второго накопительных конденсаторов каждого из N магнитных звеньев сжатия выбраны равными.

РИСУНКИ

Рисунок 1