ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 4, с. 92-101
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.319.53
ГЕНЕРАТОРЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ЧАСТОТОЙ СЛЕДОВАНИЯ ДО 50000 ИМПУЛЬСОВ В СЕКУНДУ © 2011 г. Н. И. Бойко, А. В. Борцов, 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 Поступила в редакцию 26.10.2010 г. После доработки 27.12.2010 г.
Описаны схемные и конструктивные особенности частотных (~50000 импульсов/с) генераторов импульсов высокого (до 10 кВ) напряжения микросекундного диапазона. Проанализирован (с целью уменьшения потребляемой энергии из сети) процесс передачи энергии из низковольтного разрядного контура (с ЮБТ-транзисторами в качестве коммутаторов) посредством повышающего импульсного трансформатора в нагрузку. Реализована схема генератора с обострением фронта импульсов в нагрузке (реакторе с импульсным коронным разрядом) с помощью многозазорного воздушного разрядника. Максимально достигнутая частота следования импульсов с обостренным фронтом составила ~27000 импульсов/с при напряжении ~3 кВ.
Генераторы высоковольтных импульсов находят широкое применение, как в научных исследованиях, так и в различных технологиях [1—6], а именно: в озонных технологиях; в технологиях очистки газовых выбросов (выхлопов двигателей внутреннего сгорания, выбросов теплоэлектростанций, промышленных производств и т.д.) и воды; в технологиях обеззараживающей обработки пищевых продуктов сильными импульсными электрическими полями и др.
В технологических применениях генераторов высоковольтных импульсов прослеживается тенденция повышения частоты следования импульсов до >1000 импульсов/с [4, 7, 8].
В работе рассмотрены особенности устройства и характеристики генераторов с импульсным повышающим трансформатором на ферритовом магни-топроводе, созданных в отделе электрофизических технологий НИПКИ "Молния" НТУ "ХПИ". В генераторах используется коммутация биполярными транзисторами с изолированным затвором (ЮБТ) в цепи первичной обмотки импульсного трансформатора с плавно регулируемой частотой следования импульсов от 3000 до 50000 импульсов/с. Предусмотрена плавная регулировка амплитуды импульсов от 0 до 20 кВ. Первичный накопитель энергии в генераторах выполнен на компактных электролитических конденсаторах. Нагрузка генераторов может быть емкостной, ре-зистивной, индуктивной, смешанной.
СХЕМА ГЕНЕРАТОРА МИКРОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ
Упрощенная принципиальная электрическая схема генератора микросекундных импульсов с частотой следования импульсов до 50 000 импульсов/с приведена на рис. 1.
Основной емкостный накопитель генератора С0, выполненный на малогабаритных электролитических конденсаторах, заряжается от сети ~220 В, 50 Гц через выпрямительный диодный мост УВХ—УБА и зарядный токоограничивающий дроссель Хдр. Амплитуда зарядного напряжения С0 регулируется автотрансформатором Т1 от 0 до 300 В. Сф1Хф1Сф2-фильтр в цепи заряда защищает сеть от импульсных помех со стороны генератора (в случае пробоев, искровых разрядов в реакторе Р с импульсным коронным разрядом (и.к.р.)), а также полупроводниковые приборы генератора от возможных импульсных помех из сети. Пускатель К обеспечивает подачу напряжения на вход зарядного устройства таким образом, что автоматический выключатель ВА всегда включен в цепь фазного провода — иначе контакты К1 и К2 пускателя не замкнутся.
Перед включением сетевой вилки генератора в розетку (разъем) питающей сети регулятор автотрансформатора Т1 выставляется в положение, обеспечивающее нулевое выходное напряжение на нем. Затем включается питание генератора (при помощи выключателя ВА) и система управления СУ, позволяющая регулировать частоту следования и длительность импульсов управления на транзисторах УТ.
(а)
(б)
Рис. 1. Принципиальная (а) и блок-схема замещения (б) генератора микросекундных импульсов. 1 - зарядное устройство; 2 - генератор низковольтных исходных импульсов; 3 - генератор высоковольтных импульсов с нагрузкой Р; ВА - выключатель автоматический ВА-2001-1ф/10А; К - пускатель 10 ПМЕ-111, К1? К2 — контакты пускателя; Сф1? Сф2 — емкости помехоподавляющего фильтра К73-17 100 нФ; Ьф\ - бифилярно намотанные дроссели импульсного фильтра на ферритовом кольце 120 х 80 х 8 мм; Л - индикаторная лампа (светодиод); Я - добавочный токоограничи-вающий резистор МЛТ-0.125-100 кОм; Т - автотрансформатор ЛАТР-1М 9А; ¥В1—¥В4 - выпрямительный диодный мост КВРС-5010; ¥В5 - защитный диод КД203Д; Пр - предохранитель на 5 А; Ьдр - зарядный дроссель (168 витков) на магнитопроводе (0внеш 80 мм, 0внут 50 мм) из ленточной электротехнической стали (ширина ленты 40 мм, толщина 80 мкм); А - амперметр; V - вольтметр; С0 - 2350 мкФ (5 параллельно TAMICON 470 мкФ 450 В); VT - ЮВТ
IRG4PH50UD (8 параллельно) с обратным диодом Р^; Сэк--80 нФ, емкость между эмиттерами и коллекторами РТ;
СУ- система управления; СЗ - система защиты; ТТ - трансформатор тока; ИТ - импульсный трансформатор на ферритовом магнитопроводе, кт = 100, Wl = 3, ^ = 300; Ь^ - индуктивность намагничивания ИТ; Ь - индуктивность подводящих проводов к первичной обмотке ИТ разрядного контура, содержащего С0 и РТ; Г2 = Ь2/кТ - приведенная к первичной обмотке ИТ индуктивность Ь2 подводящих к вторичной обмотке ИТ проводов высоковольтного разрядного контура, содержащего реактор Р; Ь8 = Ь^ + Ёз2 - индуктивность рассеяния ИТ, выполненная возможно меньшей
2
при данном коэффициенте трансформации кт; Ь^, Гз2 = Ь82/кт - минимально возможные индуктивности рассеяния
2
первичной и приведенная вторичной обмоток соответственно; С р = кт Ср - приведенная к первичной обмотке суммарная емкость Ср реактора; Сс обвв = к2 Ссоб.вв - приведенная собственная паразитная емкость Ссоб.вв высоковольт-
2
ной вторичной обмотки; ^р = Яр/кт - приведенное нелинейное активное сопротивление коронного разряда Яр в реакторе.
После этого автотрансформатором Тх осуществляется подъем зарядного напряжения на С0 до требуемой амплитуды, измеряемой вольтметром V. При этом в нагрузку генератора - реактор Р с частотой следования, установленной при помощи СУ, через повышающий импульсный трансформатор ИТ подаются импульсы со все возрастающей амплитудой. При помощи автотрансформатора Т напряжение на реакторе Р можно
поднимать до уровня зажигания и.к.р. и далее, увеличивая интенсивность и.к.р. до предела, определяемого переходом и.к.р. в искровой разряд. На докоронных уровнях напряжения на Р можно отрегулировать (в том числе минимизировать) потребляемую генератором мощность от сети, подбирая соответствующую частоту следования и длительность импульсов управления транзисторами РТ при помощи СУ.
Рис. 2. Устройство реактора: а — эскиз реактора; б —импульсный коронный разряд в реакторе при частоте следования импульсов »40000 импульсов/с; в — внешний вид коронирующего электрода.
УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА
Конструктивно генератор состоит из трех основных частей: 1 — зарядного устройства, 2 — генератора низковольтных исходных импульсов и 3 — собственно генератора высоковольтных импульсов с нагрузкой — реактором Р. Низковольтные элементы 1 и 2 генератора смонтированы в одном металлическом экранированном корпусе. Особое внимание уделено минимизации индуктивности подводящих проводов в разрядном контуре в генераторе низковольтных импульсов при обеспечении технологичности устройства генератора в целом. Для этого одножильные многопроволочные подводящие провода длиной 70 см и сечением 10 мм2 к выводам первичной обмотки ИТ подключены бифилярно (витая пара).
Трансформатор ИТ в генераторе 3 выполнен в корпусе 180 (длина) х 110 (ширина) х 170 мм (высота) из оргстекла и залит трансформаторным маслом. Количество витков в первичной обмотке w1 = 3, во вторичной — w2 = 300, коэффициент трансформации кт = w2/w1 = 100. Магнитопровод выполнен броневым, разъемным, из восьми ферритовых (М 3000 НС) П-образных деталей сечением 2 см2 каждая. Эти детали образуют четыре замкнутых прямоугольных магнитопровода с зазором 0.1—0.15 мм, заполненным твердым диэлектриком (например, кабельной бумагой).
Размер внутреннего окна в магнитопроводе 39 х 38 мм.
Первичная обмотка выполнена шестислойной медной фольгой шириной 35 мм, толщиной 0.05 мм. Вторичная обмотка содержит 12 слоев и выполнена проводом ПЭТВ-0.25 (6 проводов параллельно общим сечением ~0.3 мм2). Твердой изоляцией между слоями служит фторопластовая пленка толщиной 20 мкм. К выводам вторичной обмотки ИТ подключена нагрузка — реактор Р [9] для получения и.к.р. (рис. 2). Коронирующие диски выполнены из алюминиевой фольги толщиной 11 мкм.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРА
В экспериментах измерялись: напряжение на нагрузке (реакторе с емкостью 50—100 пФ) с помощью емкостного делителя напряжения; ток через реактор и общий коллекторный ток через ЮБТ с помощью шунта; напряжение на ЮБТ-коммутаторах при помощи прямой подачи напряжения между эмиттерами и коллекторами УТ-ключа коаксиальным кабелем длиной ~3 м на высокоомный вход (1 МОм, 30 пФ) осциллографа С8-12.
После подачи сигнала управления на транзисторы УТ-ключа в цепи первичной обмотки ИТ
10 В
5 мкс
Рис. 3. Осциллограмма напряжения между коллектором и эмиттером транзистора УТ в ЮВТ-ключе; Тут — период — отрезок времени между двумя соседними моментами открытия транзисторов ЮВТ-ключа; ^ упр — длительность импульсов управления, длительность открытого состояния транзистора; изарС0 — напряжение, до которого заряжается Со (см. рис. 1); ?эк — отрезок времени, в течение которого ток через транзисторный ключ протекает в прямом направлении от коллекторов к эмиттерам; ¿щ — отрезок времени, в течение которого ток через транзисторный ключ протекает в обратном направлении через обратные диоды (для обратных диодов это прямое направление).
энергия из первичного низковольтного емкостного накопителя С0 коммутируется в высоковольтную емкость Ср реактора при помощи ИТ (см. рис. 1). Этот процесс соответствует процессу в трансформаторе Тесла с одним существенным
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.