научная статья по теме SOS-ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ Физика

Текст научной статьи на тему «SOS-ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 1, с. 61-67

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.373+621.382.2

808-ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ

© 2011 г. П. В. Васильев, С. К. Любутин, М. С. Педос, А. В. Пономарев, С. Н. Рукин, А. К. Сабитов, Б. Г. Словиковский, С. П. Тимошенков, С. Н. Цыранов, С. О. Чолах

Институт электрофизики УрО РАН Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106 Поступила в редакцию 29.07.2010 г.

Описан твердотельный наносекундный $0$-генератор для применения в электрофизических технологиях. Во входной части генератора энергия поступает в высоковольтный магнитный компрессор через ЮВТ-модули и повышающий импульсный трансформатор. Входная часть схемы снабжена цепью рекуперации неиспользованной энергии, а при формировании выходного импульса реализуется режим микросекундной накачки полупроводникового прерывателя тока. В результате полный к.п.д. генератора при работе на согласованную нагрузку увеличен с ~40 до 60—62%. Остальные параметры генератора: пиковое напряжение до 60 кВ, ток — до 6 кА, длительность импульса около 40 нс, частота следования импульсов в постоянном режиме 1 кГц, выходная средняя мощность до 9 кВт.

1. ВВЕДЕНИЕ

Сильноточные наносекундные генераторы с полупроводниковым прерывателем тока на основе SOS-диодов [1, 2] благодаря твердотельной системе коммутации энергии сочетают высокую частоту следования импульсов, стабильность выходных параметров, большой срок службы. Традиционная схема SOS-генератора содержит первичный накопитель энергии с тиристорным коммутатором, магнитный компрессор и собственно полупроводниковый прерыватель тока на SOS-диодах. Магнитный компрессор необходим для сжатия импульса во времени, поскольку характерное время передачи энергии через тиристор лежит в диапазоне 10—100 мкс, а для эффективной работы SOS-диода при плотности тока в единицы кА/см2 требуется время прямой накачки не более 30—400 нс. При этом основные потери энергии в схеме происходят в магнитном компрессоре, а полный к.п.д. генератора по этой причине, как правило, составляет около 0.4.

В [3] было показано, что уменьшением плотности тока можно реализовать микросекундный режим накачки SOS-диода и уменьшить число звеньев магнитного компрессора. В этой работе использовались быстрые IGBT-транзисторы в качестве первичного коммутатора, при включении которых энергия передавалась в конденсатор накачки за 1.5 мкс, что соответствовало длительности прямой накачки t+ прерывателя тока. При выходной энергии импульса 0.5 Дж генератор содержал только один магнитный элемент, к.п.д. генератора достигал 0.7.

В [4] исследована возможность работы полупроводникового прерывателя тока при больших

значениях 1+ и существенно большей энергии и мощности выходного импульса. При 1+ от 2 до 5 мкс энергия импульса составляла около 10 Дж, мощность достигала 540 МВт при длительности импульса 25—30 нс, а к.п.д. по отношению к энергии первичного накопителя лежал в диапазоне 0.50-0.54.

В данной работе описывается 808-генератор для плазмохимических реакторов по очистке воды и воздуха с помощью стримерного коронного разряда. Параметры генератора: амплитуда импульса 50-60 кВ на нагрузке около 10 Ом, частота следования импульсов ¥ до 1 кГц в постоянном режиме работы, средняя выходная мощность - до 9 кВт. Поскольку генератор предназначен для применения в электрофизических технологиях, основное внимание при его разработке было уделено вопросу увеличения к.п.д.

2. СХЕМА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА

Электрическая схема силовой части генератора приведена на рис. 1. Схема содержит два параллельных транзисторных модуля А1-1 и А1-2, расположенных в воздушной части корпуса, и высоковольтный модуль А2, элементы которого помещены в металлический бак с трансформаторным маслом. В состав генератора также входят система контроля и управления, схема перемагничивания сердечников магнитных элементов, система охлаждения и внешний пульт управления.

Питание генератора осуществляется от трехфазной сети переменного тока с линейным напряжением 380 В, которое после регулируемого мостового выпрямителя на оптотиристорах Д1-Д6

Рис. 1. Электрическая схема генератора. А^, А1-2 — транзисторные модули (2 параллельно), А2 - высоковольтный модуль; Т- МТКИ-1600-12К; Д1-Д6 - МТОТО-80-112, Д7 - МДЧ-500-12, Д8 - ДЧ251-160-14 (4 последовательно); Тр -К250 х 155 х 20, 50НП, 10 мкм (2 кольца, = 4, = 100, = 16); Др1 - К320 х 180 х 25, 50НП, 10 мкм (1 кольцо, w =57), Др2, Др3 - К250 х 140 х 25, 50НП, 10 мкм (1 кольцо, Ы = 11(Др2) и 3 (Др3)); С0 - К78-41-1000 В-200 мкФ (5 параллельно), С1 - КВИ-3-3300 пФ-10 кВ (38 параллельно и 3 последовательно), С2, С3 - КВИ-3-1000 пФ-16 кВ (по 40 параллельно и 2 последовательно каждый), С4 - КВИ-3-680 пФ-20 кВ (8 параллельно и 3 последовательно);

- ПЭВ-100-47 Ом (5 параллельно), Я - ,Г^20Ш91К (28 параллельно).

Д1-Д6

¿1-1 A1-2

0 R

ИД7

Д8

W3 ■

4

w1.

2

Tp

w2

Др1

:C1 Др2

Сз

Др3

С2

SOS SZ

A2

C4

R»0

1

2

заряжает конденсаторы фильтра С0. Все магнитные элементы снабжены обмотками, по которым проходит постоянный ток подмагничивания от внешней схемы (на рис. 1 не показана). Указанная полярность напряжения на конденсаторах на рис. 1 соответствует зарядным процессам.

Рассмотрим процесс работы схемы при максимальном напряжении на С0, составляющем 540550 В. При поступлении внешнего импульса управления на драйверы транзисторов Т последние замыкаются, и конденсаторы С0 подключаются к первичной обмотке w1 трансформатора Тр. При этом из сети происходит отбор порции энергии, величина которой определяется емкостью конденсатора С1 и коэффициентом трансформации Тр. Поскольку приведенное к первичной обмотке значение емкости С1 много меньше С0, то конденсатор С1 заряжается в резонансном режиме до напряжения, соответствующего удвоенному коэффициенту трансформации.

Длительность процесса заряда С1 и амплитуда токов в обмотках Тр определяются, главным образом, индуктивностью рассеяния основных обмоток w1 и w2 и составляют около 18 мкс, 1.25 кА (^1, ток через один модуль) и 95 А (^2, кривая 1 на рис. 2а) соответственно. Амплитуда напряжения на С1 составляет 25-26 кВ, что соответствует запасенной энергии около 13 Дж. В момент времени, когда ток в обмотках Тр близок к нулю, транзисторы Т выключаются.

Далее происходит насыщение сердечника дросселя насыщения Др1 в момент максимального напряжения на С1. Конденсатор С1 разряжается на конденсаторы С2 и С3 (участок II осциллограммы на рис. 2б) в согласованном режиме за ~2.5 мкс. Поскольку С2 = С3, то половина тока разряда конденсатора С1 протекает через С3 и SOS, обеспечивая прямую накачку прерывателя тока. После насыщения сердечника дросселя насыщения Др2 конденсатор С2 перезаряжается через его обмотку и меняет полярность напряжения за время около 400 нс. При этом дроссель насыщения Др3 блокирует нарастающее на нем напряжение, а в прерывателе SOS возникает пауза тока.

В момент максимального напряжения на Др3 (~46 кВ) его сердечник насыщается, и конденсаторы С2—С3, соединенные последовательно, разряжаются через SOS в обратном направлении, обеспечивая режим его обратной накачки. Амплитуда тока в SOS перед его обрывом достигает 6 кА за 50—60 нс. После обрыва тока прерывателем на внешней нагрузке Rн формируется выходной импульс напряжения.

Поскольку звенья магнитного компрессора не могут быть согласованы идеальным образом, часть неиспользованной энергии возвращается обратно в конденсатор С1. В нашем случае этому процессу соответствует участок III осциллограммы на рис. 2б. При этом конденсатор С1 заряжается до ~7 кВ (соответствует возвращенной энергии около 1 Дж) с полярностью, противоположной указанной на

Рис. 2. Осциллограммы токов: а — через вторичную обмотку Тр (1, масштаб по вертикали 19 А/деление) и обмотку рекуперации ^з (2, 25 А/деление), масштаб по горизонтали 10 мкс/деление; б — через конденсатор С (I — заряд конденсатора через Тр, II — разряд на конденсаторы С2 и С3, III — возврат в С1 неиспользованной энергии, IV — разряд С1 через цепь рекуперации), масштаб по вертикали 120 А/деление, по горизонтали 5 мкс/деление.

рис. 1. Для возвращения этой энергии обратно в источник питания, как и в [5, 6], применена схема рекуперации. Схема содержит дополнительную обмотку w3 в трансформаторе Тр и диодную сборку Д8. Сборка Д8 блокирует напряжение обмотки w3 на стадии рабочего импульса, когда заряжается конденсатор С1, и открывается при смене полярности напряжения на нем, передавая остаточную энергию из С1 обратно в источник питания. Поскольку приведенное значение емкости С1 к обмотке рекуперации w3 много меньше емкости конденсаторов С0, то для полной передачи остаточной энергии из С1 число витков в обмотке w3 выбрано таким, чтобы ее напряжение превышало напряжение питания в ~2 раза.

Процесс рекуперации энергии иллюстрируется осциллограммами токов на рис. 2. Длительность процесса составляет около 20 мкс, амплитуда тока разряда С1 имеет величину около 18 А (участок IV на рис. 2б), амплитуда тока в обмотке рекуперации — около 110 А (кривая 2 на рис. 2а). Из ~1 Дж остаточной энергии рекуперируется в источник питания около 0.8 Дж. Оставшиеся ~0.2 Дж рассеиваются в резисторах Ях транзисторных модулей, поскольку при обратном напряжения на С диоды Д7 открыты.

Цепи Я—Д7 выполняют защитные функции. В случае превышения тока через транзистор Т выше рабочего уровня на драйверы поступает команда для медленного выключения транзисторов. Ток из цепи транзисторов переключается в цепь Я—Д7, ограничивая напряжение на транзисторах. Для снижения всплеска напряжения на индуктивности участка переключения элементы С0, Т и цепь Я—Д7 максимально приближены друг к другу.

Схема регулировки напряжения имеет нелинейную зависимость амплитуды выходного импульса от напряжения на конденсаторах источника питания С0, позволяя значительно изменять напряжение на выходе генератора при малом (около 20°) изменении угла управления тиристорами Д\—Д6 в выпрямителе. При снижении напряжения на С0 от максимального значения 540 до 380 В (~0.7 от максимального) выходное напряжение на нагрузке снижается в ~2 раза. Это связано

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