ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 73-82
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.319.53
КОМПАКТНЫЙ ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ С РАЗМЫКАЮЩИМ ТРАНЗИСТОРНЫМ КОММУТАТОРОМ И ВЫСОКОЙ ЧАСТОТОЙ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ © 2014 г. Н. И. Бойко, Л. С. Евдошенко, В. М. Иванов
Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт "Молния" Национального технического университета "Харьковский политехнический институт" Украина, 61013, Харьков, ул. Шевченко, 47 E-mail: eft@kpi.kharkov.ua, qnaboy@mail.ru Поступила в редакцию 15.04.2013 г. После доработки 16.01.2014 г.
Описан малогабаритный высоковольтный (~20 кВ) генератор микросекундных импульсов на основе импульсного трансформатора, нагрузкой которого является реактор с импульсным коронным разрядом. В низковольтном контуре генератора использованы биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), образующие ключ, при размыкании которого на нем, а значит, и на первичной обмотке трансформатора создаются импульсы напряжения с амплитудой до 1000 В. Частота следования импульсов генератора ~20000 импульсов/с.
DOI: 10.7868/S0032816214040028
ВВЕДЕНИЕ
В высоковольтной импульсной технике базовыми устройствами являются генераторы высоковольтных импульсов и импульсные источники питания [1—3]. При создании таких устройств следует учитывать особенности нагрузки, которая может быть существенно нелинейной (например, импульсный коронный разряд), и особенности процессов в их электрических цепях. Это позволяет выбрать оптимальные конструктивные решения.
Целью данной работы является разработка компактного генератора коротких высоковольтных импульсов со встроенной нагрузкой — реактором с коронным разрядом — и экспериментальное исследование его основных характеристик.
Генератор создан на основе импульсного повышающего трансформатора с небольшим коэффициентом трансформации, кт = 25. В качестве коммутатора выбран транзисторный ключ на соединенных параллельно биполярных транзисторах с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)), работающий в режиме размыкания в первичной (низковольтной) цепи импульсного трансформатора. Такой вариант обеспечивает компактность генератора и получение коротких (<10 мкс по основанию) импульсов в емкостной высоковольтной нагрузке — реакторе с импульсным коронным разрядом. Чтобы получить требуемую амплитуду импульсного напряжения на выводах первичной обмотки импульс-
ного трансформатора, следует пропустить через эту обмотку (индуктивный накопитель энергии) ток заданной амплитуды и разомкнуть цепь первичной обмотки при помощи ЮБТ-ключа в определенный момент времени. Ток в первичной обмотке обеспечивает первичный емкостный накопитель, выполненный на электролитических конденсаторах, которые могут быть заряжены от обычной однофазной сети (~220 В, 50 Гц) до 300 В.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ГЕНЕРАТОРА И ВЫБОР РЕЖИМА ЕГО РАБОТЫ
Для любого возможного режима работы генератора в качестве начальных можно считать такие условия, при которых емкость Сн первичного накопителя, как и емкость между эмиттером и коллектором в ЮБТ-ключе, заряжена до требуемого напряжения и0. При этом в цепях первичной и вторичной (высоковольтной) обмотки импульс -ного трансформатора токи отсутствуют, а емкость нагрузки не заряжена. Началом работы генератора в любом режиме можно считать подачу импульса управления на ЮБТ-ключ (между затвором и эмиттером) и его срабатывание как замыкающего коммутатора. После этого возможны различные режимы работы генератора (см. схему генератора на рис. 1), которые определяются длительностью как импульсов управления, подаваемых на ЮБТ-ключ, так и паузы между ними.
Рис. 1. Электрическая схема компактного генератора. ЗУ — зарядное устройство; ГНИ — генератор низковольтных исходных импульсов; ГВИ — генератор высоковольтных импульсов с реактором Р в качестве нагрузки; Пр1, Пр2 — плавкие предохранители на 2 А и 3 А соответственно; ВА — выключатель автоматический ВА-2001-1ф/10А; А — амперметр; V — вольтметр; СУ — система управления; СЗ — система защиты; ТТ — трансформатор тока; ИТ — импульсный трансформатор на ферритовом магнитопроводе (&р = 25, w1 = 12, w2 = 300); Л — индикаторная лампа (светодиод); ОT — ЮБТ IRG4PH50UD (2 параллельно) с обратным диодом Д7; ТО — оптотиристор (с гальванической развязкой силовой цепи от системы управления через встроенный светодиод-оптоизлучатель Дб); Сф1, Сф2 — емкости К73-17 импульсного фильтра; Lфl — бифилярно намотанные дроссели импульсного фильтра на ферритовом кольце 120 х 80 х 8 мм; R — добавочный токоограничивающий резистор МЛТ-0.125-100 кОм; Д1—Д4 — выпрямительный диодный мост КВРС-5010; Д5 — защитный диод КД203Д; Lдр — зарядный дроссель (349 витков проводом ПСДКТ-1 сечением 0.5 мм2 на Ш-об-разном магнитопроводе сечением 16 х 16 мм2 из электротехнической стали); Сн — 2 параллельно включенных конденсатора TAMICON 470 мкФ, 450 В; Сэк — емкость между эмиттерами и коллекторами ОТ; Ср — емкость реактора Р (измерена при помощи тестера иШ-Т M890G).
Зарядное напряжение Сн в схеме на рис. 1 регулируется при помощи оптотиристора ТО марки ТО132-25-6-3, на который подается плавно регулируемый по длительности импульс от системы управления СУ. Когда ТО закрыт (выключен), между его анодом и катодом при работающем генераторе прикладывается пульсирующее напряжение (изменяющееся приблизительно по положительной полуволне синусоиды) после диодного моста, образованное последовательно повторяющимися полуволнами положительной полярности с длительностью полуволны сетевого напряжения 10 мс.
Это означает, что период повторяющегося напряжения на оптотиристоре составляет 10 мс. Импульс прямоугольной формы от СУ подается на ТО также с периодом 10 мс. При этом момент окончания импульса от СУ "привязан" к нулевому значению пульсирующего напряжения, подаваемого на вход (анод) ТО после диодного моста.
Длительность импульса от СУ плавно регулируется в пределах от 0 до 5 мс, т.е. этот импульс приходит на ТО на спадающем участке пульсирующего напряжения. Оптотиристор открывается в момент (плавно регулируемый) прихода импульса от СУ и закрывается (выключается) по его окончании в районе нулевого значения пульсирующего напряжения. Выключение ТО обусловлено наличием на нем напряжения ниже порогового в течение времени, достаточного для его закрытия. Применение ТО связано с наличием в нем гальванической развязки между силовыми выводами и управлением, что делает его более стойким к электромагнитным помехам по сравнению с обычным тиристором.
Процесс достижения максимума напряжения на реакторе Р при размыкании ЮБТ-ключа можно условно разделить на два этапа. Сначала после замыкания ЮБТ-ключа энергия из первичного емкостного накопителя Сн предварительно передается в индуктивность намагничивания импульсного трансформатора ИТ. Затем накопленная в энергия после размыкания в определенный момент времени ЮБТ-ключа передается (переключается) в реактор, заряжая его емкость.
Схема замещения генератора без зарядного устройства (рис. 2) содержит три основных ЬС-контура:
1 ) Сн — ^н — — Сн ;
2) К - Га
С'
3) Ср С н Аш.
Генератор (см. рис. 1) состоит из зарядного устройства ЗУ, генератора низковольтных стартовых импульсов ГНИ с ЮБТ-ключом, импульсного повышающего трансформатора ИТ с нелинейной высоковольтной нагрузкой в виде реактора Р с коронным разрядом и систем управления СУ и защиты СЗ. Все составные части генератора расположены в одном компактном пластмассовом корпусе. Габаритные размеры генератора в сборе: 300 (ширина) х 220 (глубина) х 140 мм (высота).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Чтобы энергия запасалась в индуктивности намагничивания трансформатора, необходимо создать условия для протекания тока через эту индуктивность.
компактный генератор высоковольтных импульсов
-^Н Ав
75
к системе управления
V V
к осциллографу
к осциллографу
Рис. 2. Схема замещения генератора. Т — транзисторный ЮБТ-коммутатор; Д — встроенные в транзисторы обратные диоды ЮБТ-ключа; Сн — низковольтная исходно заряженная емкость; С р, Ср — соответственно приведенная и реальная емкость высоковольтного реактора, ср = к2Ср; Сэк — емкость "эмиттер—коллектор" ЮБТ-ключа, Сэк << ср << Сн; — индуктивность намагничивания ИТ; Ьш, Х'8в — соответственно индуктивность рассеяния первичной и приведенная индуктивность рассеяния вторичной обмоток ИТ; Яшн — сопротивление измерительного шунта в низковольтном контуре генератора; Ясн. — согласующее сопротивление шунта Яшн; ДШ в — приведенное сопротивление измерительного шунта в высоковольтном контуре генератора; Яс1, Яс2 — согласующие сопротивления шунта Яшв; С1, С2 — емкости высоковольтного и низковольтного плеч емкостного делителя напряжения ЕДН (в неприведенном к первичной обмотке ИТ виде, т.е. реальные емкости С1 « 2.8 пФ, а С2 = 14.7 нФ, коэффициент деления Кд « 5250) с согласующим сопротивлением Яс; др — приведенное активное сопротивление Яр коронного разряда в реакторе, Яр = Яр/кт.
Ток через а не через реактор как нагрузку генератора потечет только при соблюдении следующих условий:
— в начальный момент цикла (периода повторяющегося процесса генерирования импульсов)
приведенная емкость реактора Ср должна быть заряжена до того же напряжения, что и емкость первичного накопителя Сн;
— емкость перехода "коллектор—эмиттер" в ЮБТ-ключе не заряжена;
— токи в схеме генератора в начальный момент не протекают.
Именно в этот момент при помощи СУ подается импульс на открытие ЮБТ-ключа. Работу генератора иллюстрируют осциллограммы на рис. 3, 4, зарегистрированные при помощи запоминающего аналогового осциллографа С8-12.
На рис. 3а и 3б представлены осциллограммы напряжения в одном режиме работы генератора (без короны) соответственно на реакторе и между коллектором и эмиттером ЮБТ-ключа. Исходя из представленных осциллограмм напряжений и близких по величине к э.д.с. значений Евв и Енв на выводах высоковольтной и низковольтной обмоток импульсного трансформатора, получим коэффициент трансформации кт = Евв/Енв « 25.
После подачи в момент времени А управляющего импульса на открытие ЮБТ-ключа через него начинает протекать суммарн
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.