ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 4, с. 62-69
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.319.53
ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ДЛЯ РАБОТЫ НА ИНДУКТИВНО-РЕЗИСТИВНУЮ НАГРУЗКУ
© 2011 г. Э. Н. Абдуллин, В. Н. Киселев, А. В. Морозов, Yongpeng Zhao*
Институт сильноточной электроники СО РАН Россия, 634055, Томск, просп. Академический, 2/3 *Harbin Institute of Technology, Institute of Optoelectronics China, 150080, Harbin Поступила в редакцию 20.12.2010 г.
Описана конструкция и приведены результаты испытаний генератора, разработанного для получения импульсов тока положительной полярности с длительностью первого полупериода 110—130 нс, амплитудой 40—70 кА в режиме однократных импульсов и 30 кА при частоте следования импульсов 10 Гц в течение 5 мин в индуктивно-резистивной нагрузке 300 нГн, 1 Ом. Установка собрана по схеме с промежуточным накопителем энергии. Первичным накопителем является 10-ступенчатый генератор Маркса, функцию промежуточного накопителя выполняет конденсатор с водяной изоляцией.
ВВЕДЕНИЕ
Импульсные генераторы с промежуточными накопителями энергии характеризуются высокой выходной мощностью, широким диапазоном параметров импульсов напряжения и тока и применяются для питания диодов мощных электронных ускорителей, источников с.в.ч. и рентгеновского излучения и других целей [1]. Использование промежуточного накопителя расширяет возможности импульсного генератора, при этом требования к первичному накопителю по величине тока и длительности фронта импульса снижаются, что повышает надежность и ресурс работы установки. Импульсные генераторы с промежуточными накопителями наряду с однократным работают и в импульсно-периодическом режиме, что достигается использованием конденсаторов с малыми потерями, обеспечением охлаждения и продувки разрядников, циркуляции рабочей жидкости в промежуточном накопителе в процессе работы [2].
Наиболее часто величина индуктивности нагрузки невелика, что позволяет получить близкий к согласованному режим разряда промежуточного накопителя (формирующей линии) на нагрузку. В согласованном режиме мощность, выделяемая в нагрузке, максимальна, а длительность импульса определяется электрической длиной линии и составляет ~10-9—10-6 с.
Задача получения импульсов тока малой длительности ~10-7 с при большой индуктивности и малом активном сопротивлении нагрузки может быть решена при использовании генератора с промежуточным накопителем (конденсатором) малой емкости, при этом режим разряда проме-
жуточного накопителя на нагрузку — колебательный. Ввиду большого волнового сопротивления вторичного контура важным требованием, предъявляемым к первичному накопителю, является обеспечение необходимого зарядного напряжения промежуточного накопителя. Время зарядки промежуточного накопителя не является критическим и может быть выбрано из условия малости тока первичного накопителя для обеспечения необходимого ресурса работы конденсаторов. Возможно включение дополнительных демпферных сопротивлений в первичном контуре для уменьшения потерь в конденсаторах и разрядниках при импульсно-периодическом режиме работы.
В статье описывается конструкция и приводятся результаты испытаний генератора с промежуточным накопителем энергии, разработанного для получения в газоразрядной нагрузке с параметрами 300 нГн, 1 Ом или резистивном эквиваленте нагрузки импульса тока с длительностью первого полупериода в интервале 110—130 нс, амплитудой 40—70 кА в однократном режиме и 30 кА при частоте следования импульсов 10 Гц в течение 5 мин. Установка собрана на базе 10-ступенчатого генератора Маркса с газовой изоляцией. Генератор содержит 9 демпферных сопротивлений, систему охлаждения, систему продувки разрядников.
Промежуточным накопителем является конденсатор с водяной изоляцией, который заряжается через индуктивность, что позволяет ограничить ток генератора Маркса и увеличить зарядное напряжение на конденсаторе. Разряжается конденсатор на нагрузку через неуправляемый двух-электродный газоразрядный коммутатор. Уста-
17 18
Рис. 2. Устройство генератора (вид сверху). 1 — конденсатор; 2 — экран; 3 — полиэтиленовое кольцо; 4 — демпферное сопротивление; 5 — разделительная индуктивность; 6 — электрод; 7 — крышка; 8 — трансформатор; 9 — плунжерный контакт; 10 — проходной изолятор; 11 — зарядная индуктивность; 12 — промежуточный накопитель; 13, 14 — изоляторы; 15 — коммутатор; 16 — вентилятор; 17, 18 — корпус узла нагрузки; 19 — изолятор узла нагрузки; 20 — нагрузка; 21 — шкаф системы управления.
новка снабжена системой подготовки деионизо-ванной воды на основе ионообменных смол, имеет автоматизированную систему управления.
1. УСТРОЙСТВО УСТАНОВКИ
Внешний вид установки показан на рис. 1, а ее устройство приведено на рис. 2.
Прототипом генератора Маркса является генератор с вакуумной изоляцией с круглой колонной [3, 4], в отличие от которого разработанный генератор имеет газовую изоляцию колонны относительно корпуса, изменены конструкция ступени и число ступеней, конфигурация колонны для согласования с промежуточным накопителем и реализации частотного режима работы.
Рис. 3. Колонна генератора Маркса в сборе.
Генератор собран в цилиндрическом корпусе с внутренним диаметром 880 и длиной 1840 мм. Ось генератора в рабочем состоянии, а также при разборке и сборке располагается горизонтально.
В генераторе использованы конденсаторы ИК 100-0.1 производства ИИПТ НАН Украины (Институт импульсных процессов и технологий, Николаев) [5]. Емкость конденсатора 0.1 мкФ, индуктивность 100 нГн, зарядное напряжение до 100 кВ. Оптимальное зарядное напряжение при работе установки в однократном и импульсно-периодическом режиме составляет до 75 и до 40 кВ соответственно. Максимальная допустимая величина тока, протекающего через конденсатор, в однократном и импульсно-периодическом режиме равна 40 и 25 кА. Число конденсаторов в генераторе 10, по одному конденсатору на ступень (1, рис. 2). Емкость генератора в ударе С1 = 10 нФ.
Ступени генератора имеют цилиндрические экраны (2, рис. 2) с наружным диаметром 570, высотой 114 и толщиной стенки 4.5 мм из нержавеющей стали. Экраны изолированы от входного фланца и друг от друга полиэтиленовыми кольцами 3 и стянуты стеклопластиковыми шпильками, образуя колонну генератора.
Внешний вид и устройство колонны иллюстрируют рис. 3 и рис. 4. Конденсаторы располагаются в колонне в 2 ряда. Одним выводом конденсаторы соединены с экранами и демпферными сопротивлениями (4, рис. 2), другим — с разделительными индуктивностями 5 и электродами 6 коммутаторов. Коммутаторы и устройство продувки (рис. 4), состоящее из вентилятора и стеклоэпок-сидной трубы с соплами, размещаются в центральной части колонны. Разделительные индуктивности располагаются над и под коммутаторами (на рис. 4 не видны).
Рис. 4. Устройство колонны. Вверху — вентилятор продувки, внизу — импульсный трансформатор генератора запуска. Выводы конденсаторов закрыты полиэтиленовыми крышками.
Разделительные индуктивности выполнены в виде однослойных катушек, намотанных изолированным проводом на стержни 030 мм из ка-пролона. Индуктивность одной катушки 35.2 мкГн, сопротивление 2.2 Ом, число витков 67. Разделительные индуктивности, расположенные в верхней части колонны, соединены с экранами и корпусом генератора. Индуктивности, расположенные в нижней части колонны, соединены с выводами конденсаторов и высоковольтным выводом зарядного устройства. Для предотвращения пробоев высоковольтные выводы конденсаторов закрыты полиэтиленовыми крышками (7, рис. 2; рис. 4). Дополнительно для повышения электрической прочности нижний ряд катушек помещен в стеклоэпоксидную трубу, заполненную трансформаторным маслом.
Ступени генератора, за исключением последней, имеют демпферные сопротивления по 0.4 Ом и индуктивностью 0.2 мкГн. Сопротивления изготовлены из нихромовой проволоки, имеют корпусы из капролона, позволяющие охлаждать сопротивления проточной водой при работе установки в импульсно-периодическом режиме.
Генератор Маркса имеет двухэлектродные коммутаторы, первый коммутатор работает в управляемом режиме. Электроды коммутаторов имеют форму шаров или цилиндров 040 мм со скругленными краями (6, рис. 2; рис. 4) из стали или латуни, межэлектродное расстояние может изменяться в пределах 15—28 мм. Рабочий газ в колонне — азот или сухой воздух при давлении 1—1.3 атм. Изоляция колонны достигается за счет заполнения объема между корпусом генератора и колонной азотом или элегазом с давлением 1.3 атм.
Генератор Маркса заряжается от высоковольтных источников ВИП-80 и ВИП-40, изготовленных в Институте электрофизики УрО РАН, с выходным напряжением отрицательной полярности соответственно до —80 и —40 кВ, обеспечивающих работу установки в однократном и частотном режимах.
Высоковольтные источники собраны в общем корпусе и являются стабилизаторами напряжения, выполненными на основе автономных инверторов. Каждый из источников включает сетевой фильтр, сетевой выпрямитель, мостовой инвертор, повышающий трансформатор, неуправляемый выпрямитель. Повышающий трансформатор имеет 8-или 10-секционную обмотку (соответственно для ВИП-40 и ВИП-80) с мостовым выпрямителем в каждой секции. Выпрямители включены последовательно. Повышающие трансформаторы и выпрямители расположены в маслонаполненных баках. Для управления зарядкой генератора используется схема управления, обеспечивающая регулирование, стабилизацию, измерение напряжения источника питания и ограничение максимального тока нагрузки.
Запуск генератора Маркса производится от пускового генератора, изготовленного на основе тиратрона ТГИ2-500/20. Генератор включает генератор импульсов запуска тиратрона (300 В, 1 мкс), искусственную линию 50 Ом (200 нс) для формирования импульса запуска генератора Маркса, выходной импульсный трансформатор (8, рис. 2; рис. 4), источник анодного питания 20 кВ и трансформатор накала ТН11-127/220-50К.
При срабатывании тиратрона пусковой генератор вырабатывает импульс напряжения отрицательной полярности амплитудой до —30 кВ, который с высоковольтной обмотки импульсного трансформатора подаетс
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.