научная статья по теме ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ПОДЖИГА ВАКУУМНОГО РАЗРЯДНИКА С НИЗКОВОЛЬТНЫМ НАКОПИТЕЛЬНЫМ КОНДЕНСАТОРОМ И ТИРИСТОРНЫМ КОММУТАТОРОМ Физика

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ПОДЖИГА ВАКУУМНОГО РАЗРЯДНИКА С НИЗКОВОЛЬТНЫМ НАКОПИТЕЛЬНЫМ КОНДЕНСАТОРОМ И ТИРИСТОРНЫМ КОММУТАТОРОМ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 51-56

^ ЭЛЕКТРОНИКА ^^^^^^^^^^^^^^

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.319.53

ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ПОДЖИГА ВАКУУМНОГО РАЗРЯДНИКА С НИЗКОВОЛЬТНЫМ НАКОПИТЕЛЬНЫМ КОНДЕНСАТОРОМ И ТИРИСТОРНЫМ КОММУТАТОРОМ © 2014 г. Е. Г. Крастелев

Объединенный институт высоких температур РАН Россия, 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, строение 2 E-mail: ekrastelev@yandex.ru Поступила в редакцию 21.01.2014 г.

Разработан усовершенствованный вариант генератора импульсов управления (поджига) вакуумным разрядником по схеме с разрядом накопительной емкости на управляющий промежуток разрядника через повышающий импульсный трансформатор. От аналогов он отличается введением на выходе трансформатора дополнительной емкости, импульсная зарядка которой позволяет увеличить амплитуду импульса напряжения (на практике более чем в 1.7 раза). Это дает возможность уменьшить коэффициент передачи трансформатора для получения заданного выходного напряжения и снизить величину и скорость нарастания тока в первичной цепи до уровней, допускающих применение в качестве коммутатора недорогих, широко распространенных тиристоров. Приведено описание генератора, разработанного для управления сильноточными вакуумными разрядниками, используемыми в системах коммутации конденсаторных батарей с энергозапасом 30—100 кДж и временами нарастания тока 100—250 мкс. Генератор обеспечивает получение импульсов напряжения с амплитудой >5 кВ, а после пробоя управляющего промежутка разрядника — тока поджига в виде затухающей синусоиды с амплитудой >600 А суммарной длительностью до 90 мкс.

DOI: 10.7868/S003281621405019X

ВВЕДЕНИЕ

Длительная надежная работа вакуумных управляемых разрядников (р.в.у.) со встречно-штыревой электродной системой (РВУ-47, РБУ-63-20 и др.), используемых в качестве коммутаторов энергоемких конденсаторных батарей, достигается при выполнении определенных требований к параметрам импульсов управления ("поджига") [1, 2].

Во-первых, амплитуда импульса напряжения должна быть достаточной для пробоя управляющего промежутка разрядника, который происходит по частично металлизированной поверхности керамической вставки между поджигающим и одним из основных электродов [1]. Для большинства сильноточных разрядников требуемое напряжение составляет 5 кВ [2].

Во-вторых, уровень тока, протекающего через промежуток после его пробоя, должен быть достаточен для поддержания некоторого баланса между двумя противоположными по характеру воздействия на узел поджига процессами. Один из них — это напыление металлической пленки на поверхность диэлектрической вставки управляющего промежутка вследствие эрозии электродов при горении дуги основного разряда. А второй — испарение этой пленки при протекании тока под-

жига. При малых уровнях тока поджига происходит запыление вставки с уменьшением сопротивления управляющего промежутка, шунтирующего выход генератора импульсов поджига, и, в конечном счете, образование металлического мостика с потерей управляемости разрядника [2, 3].

Наблюдения за динамикой изменения сопротивления утечки управляющего промежутка разрядников РВУ-47, РВУ-27 и РБУ-63-20 в процессе испытаний и эксплуатации систем коммутации конденсаторных батарей с энергозапасом 30—100 кДж и разрядными токами 10—100 кА показывают, что приемлемый баланс между этими двумя процессами достигается при токе поджига в виде затухающей синусоиды с амплитудой 500— 1000 А суммарной длительностью до половины времени нарастания тока в коммутируемой цепи.

На практике для получения импульсов управления в виде затухающей синусоиды часто используются простые в схемотехническом отношении устройства с разрядом накопительной емкости на управляющий промежуток разрядника через повышающий импульсный трансформатор [1, 4]. Применение импульсного трансформатора с хорошо изолированными обмотками позволяет наиболее просто решить задачу гальванической развязки коммутируемой разрядником высоко-

51

4*

К

(a) Тр

(б)

Р.в.у.

/ _ V/

1 i с2

K

с;

C2

Рис. 1. Упрощенная принципиальная (а) и приведенная к вторичной цепи эквивалентная (б) схемы генератора импульсов с дополнительной емкостью. Тр — импульсный трансформатор; К — коммутатор.

вольтной цепи и схемы управления, что существенно упрощает построение схемы генератора.

В качестве коммутатора в таких устройствах используются быстродействующие тиристоры. Однако ограничения на величину допустимого постоянного напряжения (напряжения зарядки накопительного конденсатора) и допустимой скорости нарастания тока широко распространенных быстродействующих тиристоров (приборов серии ТБ или ТЧИ [5]) не позволяют одновременно выполнить перечисленные выше требования без превышения предельно допустимых режимов работы тиристоров или усложнения схемы генератора.

Ниже рассмотрено простое схемотехническое решение, которое значительно облегчает решение этой задачи. Оно основано на возможности увеличения амплитуды импульса выходного напряжения за счет так называемой "резонансной" зарядки дополнительной емкости, подключаемой на выходе трансформатора [6]. При определенном соотношении емкостей накопительного конденсатора и заряжаемого от него через импульсный трансформатор дополнительного конденсатора амплитуда импульса напряжения может быть увеличена почти вдвое на время, достаточное для пробоя управляющего промежутка разрядника. Это позволяет во столько же раз уменьшить коэффициент передачи импульсного трансформатора и понизить скорость нарастания тока в первичной цепи до уровня, допускающего применение недорогих серийных тиристоров указанных выше типов.

СХЕМА И КОНСТРУКЦИЯ ГЕНЕРАТОРА ИМПУЛЬСОВ ПОДЖИГА

Упрощенная принципиальная схема, поясняющая работу генератора импульсов поджига с разрядом накопительного конденсатора через повышающий импульсный трансформатор с подключенной на его выходе дополнительной емкостью, показана на рис. 1.

После включения коммутатора К, до пробоя управляющего промежутка разрядника, происходит зарядка дополнительной емкости C2 через импульсный трансформатор Тр от исходно заряженного до напряжения U1 накопительного конденсатора C;. В соответствии с приведенной к вторичной цепи эквивалентной схемой (рис. 1б) и в пренебрежении активным сопротивлением цепи напряжение на C2 изменяется по закону [6]

U2 = U"(C"/(C1' + C2))(1 - cos ©t),

где U1' = K три 1 — приведенное к вторичной обмотке напряжение зарядки накопительной емкости;

Ктр — коэффициент трансформации; C1 ' = C1 / K т2р — приведенная емкость накопительного конденсатора; w — частота колебаний, определяемая суммарной емкостью цепи и суммарной приведенной индуктивностью L", включая индуктивность рассеяния импульсного трансформатора, ш2 = = (C1 ' + C 2)/L " C'C 2.

Максимум напряжения на емкости C2 достигается при wt = п и определяется соотношением емкостей C" и C2:

U 2max = 2U1' C1'/(C1' + C 2).

При C2 < C1' значение U2max превышает трансформированное напряжение U1 ' = K ^U1. С уменьшением емкости C2 значение U2max увеличивается, но одновременно растет частота колебаний и, следовательно, скорость изменения выходного напряжения. Поэтому уменьшение емкости C2 возможно лишь до тех пор, пока время действия высокого напряжения, превышающего напряжение пробоя управляющего промежутка р.в.у., будет больше времени запаздывания пробоя. На практике это условие выполняется вплоть до значений, при которых выполняется соотношение C2 << C', а амплитуда напряжения на C2 возрастает почти вдвое.

После пробоя управляющего промежутка вакуумного разрядника дополнительная емкость шунтируется малым сопротивлением плазменного канала (<0.1 Ом), а протекающий через него в последующие моменты времени ток поджига близок к току разряда накопительного конденсатора в режиме короткого замыкания на выходе трансформатора.

Принципиальная схема одного из вариантов генератора импульсов поджига, разработанного для управления разрядниками типа РВУ-47 и РВУ-27 в системах коммутации конденсаторных батарей с энергозапасом 30—100 кДж и временами нарастания тока 100—250 мкс, приведена на рис. 2.

Вход имп. запуска

^ 36

Тр2

Р.в.у.

с® 1 г

Г//

С6 С7 т

Рис. 2. Принципиальная схема генератора импульсов поджига вакуумного разрядника. — ТЧИ100-12, — КУ202; VD1-^D4 - КД258Д, УВ5 - Д112-25-12, УП7 - КД258; С4 - К75-46-20мкФ-1600В, С6, С7 - КВИ-3-4.7н-5 кВ; Я7 - СН2-2-910В.

Генератор содержит источник зарядного напряжения на диодах УВ1-УВ4 и трансформаторе Тр1, накопительный конденсатор С4, коммутатор на тиристоре VS1, повышающий импульсный трансформатор Тр2, с вторичной обмотки которого, нагруженной дополнительными конденсаторами С6 и С7, сигнал подается на управляющий промежуток вакуумного разрядника.

В качестве коммутирующего использован тиристор VSl ТЧИ100 12-го класса с допустимой скоростью нарастания тока в открытом состоянии 800 А/мкс. В соответствии с допустимыми режимами работы для данного прибора напряжение зарядки накопительного конденсатора С4 выбрано равным 720 В, а коэффициент передачи импульсного трансформатора - Ктр = 4.3. Дополнительная емкость на выходе трансформатора образована двумя керамическими конденсаторами С6 и С7 типа КВИ-3 по 4.7 нФ каждый.

Импульс управления тиристором VS1 формируется при включении управляемого внешним сигналом маломощного тиристора VS2. При этом конденсатор С8, предварительно заряженный до »40 В, разряжается на управляющий переход тиристора VS1 через разделительный трансформатор Тр3 (Ктр = 1) и токоограничивающий резистор

Задаваемая им амплитуда тока управления со-

ставляет »3.5 А, а постоянная спада - »15 мкс. Представленный на схеме (см. рис. 2) вариант цепи запуска тиристора VS2 рассчитан на управление блоком поджига внешним сигналом положительной полярности с амплитудой 15-30 В и длительностью 10-15 мкс. При необходимости для согласования по амплитуде и полярности импульсов управления или гальванической развязки во входной цепи устанавливается разделительный импульсный трансформатор с требуемым коэффициентом передачи.

Резисторы Я{ и Я2 служат для ограничения тока заряда накопительного конденсатора С4, а делитель на резисторах Я3-Я5 з

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»