Генератор імпульсних струмів

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в лазерных, электрогидравлических установках различного назначения, а также других устройствах, использующих разряд предварительно заряженного конденсатора на нагрузку. Широко известны генераторы импульсных токов (ГИТ), содержащие высоковольтный источник постоянного напряжения, подключенный к конденсаторной батарее, к которой через коммутационный разрядник подключена нагрузка. Недостатком таких устройств является их низкая надежность, связанная с малым ресурсом разрядников при коммутации импульсных токов субмегаамперного диапазона. Известны также разрядники, применяемые в генераторах импульсных токов, в которых с целью повышения пропускной способности по току используется многоканальная коммутация (А.с. №329616, кл. H01T5/00, 1976). Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются следующие. Разрядники содержат два основных электрода, один из которых снабжен вспомогательными электродами, соединенными с основным электродом посредством дросселей со взаимными индуктивными связями, и поджигающие электроды. Причинами, препятствующими получению требуемого результата, являются следующие: сложность конструкции и сравнительно низкий ресурс, связанные с наличием поджигающих электродов при использовании тригатронного (А.с. №329616) либо каскадного (Романенко И.Н. Импульсные дуги в газах) запуска. Кроме того, при работе таких разрядников на нелинейную нагрузку, например, искровой промежуток в газе или в воде, имеет место низкая надежность многоканального срабатывания, в результате чего параметры генерируемого импульса тока могут существенно отличаться от требуемых и изменяться от импульса к импульсу в зависимости от количества возникших параллельных искровых каналов в многоканальном разряднике. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является генератор импульсных токов, содержащий конденсаторную батарею, нагрузку, управляемый многоканальный разрядник, по крайней мере один из основных электродов которого снабжен вспомогательными электродами, соединенными с основным электродом посредством дросселей со взаимными индуктивными связями, и устройство поджига, например, в виде многоступенчатого генератора импульсных напряжений, выполненного по схеме Аркадьева - Маркса (А.с. №987735, кл. H01T3/00). Перечень вышеуказанных признаков совпадает с существенными признаками заявляемого изобретения. Причинами, препятствующими получению требуемого технического результата, являются следующие: - низкая надежность работы генератора и малый ресурс разрядника, связанные с низкой надежностью многоканального срабатывания и высокой неравномерностью распределения тока по каналам, в особенности при работе на нелинейную нагрузку, например, искровые промежутки в газе или в воде (лазерные, электрогидравлические установки); - необходимость введения поджигающих электродов соответственно числу формируемых каналов, делителей напряжения, выравнивающих электрическое поле в промежутках существенно усложняет конструкцию и также является фактором, ограничивающим ресурс разрядника. Низкая надежность многоканального срабатывания разрядника обусловлена сравнительно малым перенапряжением, создаваемым в межэлектродных промежутках только за счет напряжения конденсаторной батареи и быстрым спадом напряжения на непробитых промежутках по мере формирования то ко про водящих каналов в некоторой части из них. По этой причине невозможна также надежная работа ГИТ в широком диапазоне рабочих напряжений. При нелинейной же нагрузке типа искровых промежутков в газе или в воде вследствие наличия паузы между пробоем первого из параллельных промежутков в разряднике и пробоем искрового промежутка в нагрузке, находящейся в диапазоне от долей микросекунды (газовый промежуток в лазерной установке) до десятков микросекунд (подводный промежуток электрогидравлической установки при наличии инициирования), получить надежную многоканальную коммутацию становится невозможным. В условиях работы на указанные типы нагрузок после пробоя первого из искровых промежутков многоканального разрядника практически полное напряжение конденсаторной батареи падает на нагрузке, имеющей первоначально большое сопротивление; напряжение на пробитом искровом промежутке и соответствующем дросселе спадает практически до нуля, благодаря закорачиванию одного из параллельных промежутков происходит быстрый спад напряжения на остальных промежутках, и вероятность формирования в них каналов разряда после пробоя нагрузки, тем более равномерного распределения тока в них, близка к нулю. В основу изобретения поставлена задача создания такого генератора импульсных токов, в котором новое выполнение многоканального разрядника и подключение устройства поджига позволили бы формировать до нескольких десятков параллельных искровых каналов с высокой равномерностью распределения по ним разрядного тока и за счет этого повысить надежность работы генератора импульсных токов, увеличить ресурс и упростить конструкцию многоканального разрядника. В генераторе импульсных токов, содержащем конденсаторную батарею, нагрузку, управляемый многоканальный разрядник, по крайней мере один из основных электродов которого снабжен вспомогательными электродами, соединенными с основным электродом с помощью дросселей со взаимными индуктивными связями, и устройство поджига, например, в виде многоступенчатого генератора импульсных напряжений (ГИН), выполненного по схеме Аркадьева - Маркса, согласно изобретению, параллельные искровые промежутки многоканального разрядника образованы каждым из вспомогательных электродов одного из основных электродов с другим основным электродом и зашунтированы конденсаторами, а выход устройства поджига подключен параллельно нагрузке, причем направления напряжений конденсаторной батареи и устройства поджига в образованном ими контуре совпадают. Первым существенным отличием предлагаемого устройства является то, что параллельные искровые промежутки управляемого многоканального разрядника образованы каждым из вспомогательных электродов одного основного электрода с другим основным электродом разрядника. Благодаря этому существенно упрощается конструкция разрядника за счет устранения необходимости использования поджигающих электродов, присущих всем известным конструктивным решениям многоканальных разрядников. Кроме того, указанное однозазорное исполнение многоканального разрядника позволяет сформировать каналы разряда во всех параллельных искровых промежутках только за счет импульса поджига, независимо от характера нагрузки ГИТ и величины рабочего напряжения. Такой же результат получится при образовании параллельных искровых промежутков соединением попарно с каждым из вспомогательных электродов другого основного электрода разрядника. Вторым существенным отличием устройства является шунтировка конденсаторами каждого из параллельных искровых промежутков разрядника. Благодаря этому, с одной стороны, существенно уменьшается скорость спада напряжения на непробитых промежутках вследствие увеличения емкости каждого из межэлектродных промежутков, что повышает надежность формирования разряда во всех параллельных промежутках, с другой стороны, за счет образования контуров для протекания тока перезарядки шунтирующи х конденсаторов через искровые промежутки создаются дополнительные условия для развития сформированных импульсов поджига параллельных каналов разряда и поддержания их в проводящем состоянии в течение определенного времени, например, равного или превышающего время задержки пробоя искрового промежутка в нагрузке, что повышает надежность многоканальной коммутации и способствует равномерному распределению тока по каналам. Третьим существенным отличием заявляемого генератора импульсных токов является включение устройства поджига параллельно нагрузке, причем так, чтобы направления напряжений конденсаторной батареи и устройства поджига в образованном ими контуре совпадали. Благодаря этому к основным электродам разрядника прикладывается суммарное напряжение конденсаторной батареи и устройства поджига, в межэлектродных промежутках возникают большие перенапряжения, что в сочетании с использованием дросселей со взаимными индуктивными связями приводит к пробою высоковольтным импульсом поджига всех параллельных искровых промежутков разрядника, При этом, благодаря идентичности условий для дальнейшего развития параллельных каналов разряда, сформированных импульсом поджига, достигается высокая равномерность распределения тока по каналам, что способствует повышению надежности работы ГИТ и увеличению ресурса разрядника. На чертеже (фиг.) представлена электрическая схема генератора импульсных токов. Генератор состоит из конденсаторной батареи 1, управляемого многоканального разрядника 2, нагрузки 3, устройства поджига 4 в виде многоступенчатого ГИТ, выполненного по схеме Аркадьева - Маркса. Многоканальный разрядник 2 содержит два основных электрода 5 и 6, снабженных вспомогательными электродами 7 и 8, образующими параллельные искровые промежутки. Искровые промежутки зашунтированы конденсаторами 9. Вспомогательные электроды 7 соединены с основным электродом 5 с помощью дросселей 10 со взаимными индуктивными связями. Взаимная индуктивная связь между дросселями осуществляется путем намотки каждой пары смежных дросселей на одном ферромагнитном сердечнике с выбором начала намотки согласно показанному на чертеже, либо аналогично изложенному в прототипе, либо любым из других известных способов. Выход устройства поджига 4 включен параллельно нагрузке 3, причем таким образом, что направление возникающего на его выходе импульса высокого напряжения Un совпадает с направлением напряжения Uб конденсаторной батареи 1. Питание устройства поджига 4 осуществляется от отдельного источника 11 или от источника зарядки конденсаторной батареи 1 через зарядный резистор (на чертеже не показаны). Запуск устройства поджига 4 осуществляется от генератора пусковых импульсов 12. Генератор импульсных токов работает следующим образом. Происходит зарядка конденсаторной батареи 1 до рабочего напряжения. Одновременно конденсаторы устройства поджига 4 заряжаются до напряжения источника питания 11. Полярность зарядки конденсаторной батареи 1 и конденсаторов устройства поджига 4 указана на чертеже. После подачи от генератора пусковых импульсов 12 высоковольтного импульса управления на управляющий электрод разрядника первой ступени ГИН последовательно срабатывают разрядники. На выходе устройства поджига 4 возникает импульс высокого напряжения Un, по направлению совпадающий с направлением напряжения Uб конденсаторной батареи 1. К основным электродам 5, 6, а значит и к вспомогательным электродам 7, 8 прикладывается суммарное напряжение конденсаторной батареи 1 и устройства поджига 4. При этом происходит дозарядка конденсаторов 9, первоначально заряженных до напряжения конденсаторной батареи 1. Величина напряжения, до которого зарядятся конденсаторы 9, определяется величиной статического пробивного напряжения и временем запаздывания пробоя искровых промежутков. Так как амплитуда генерируемого устройством поджига 4 высоковольтного импульса значительно превышает пробивное напряжение искровых промежутков разрядника, а емкость конденсаторов 9 сравнительно невелика (порядка 10 - 100пФ), то скорость нарастания напряжения на искровых промежутках оказывается большой, и напряжение на конденсаторах 9 (с учетом времени запаздывания пробоя) будет существенно превышать статическое напряжение пробоя первого из пробившихся промежутков. После пробоя одного из искровых промежутков между вспомогательными электродами 7 и 8 на соответствующем дросселе 10 падает практически суммарное напряжение конденсаторной батареи 1 и устройства поджига 4, которое, благодаря взаимным индуктивным связям, трансформируется на соседние дроссели, вызывая дальнейшее увеличение перенапряжения в остальных зазорах между вспомогательными электродами 7 и 8 и их последующий пробой. По мере образования искровых каналов между вспомогательными электродами 7 и 8 эквивалентная индуктивность параллельно включенных дросселей 10 в ветвях с пробившимися искровыми промежутками уменьшается, соответствующим образом перераспределяется напряжение а контуре с последовательно включенными разрядником 2 и устройством поджига 4. На дросселях 10 в ветвя х с пробившимися искровыми промежутками напряжение снижается, одновременно будет происходить спад напряжения на оставшихся непробитыми искровых промежутках разрядника. Скорость этого спада определяется параметрами дросселей 10 и конденсаторов 9 и будет тем меньше, чем больше величина емкости конденсаторов 9. Таким образом, за счет дополнительно введенных шунтирующи х конденсаторов 9 становится возможным обеспечить минимальный спад напряжения на искровых промежутках разрядника до пробоя каждого из них. После пробоя импульсом поджига всех параллельных искровых промежутков разрядника 2 по ним начинает протекать ток разряда конденсаторной батареи 1 на нагрузку 3. При несимметричном нарастании тока по каналам в дросселях 10, соответствующи х промежуткам с меньшей скоростью нарастания тока, вследствие наличия взаимной индуктивной связи между смежными дросселями, наводится электродвижущая сила, которая обеспечивает выравнивание скоростей нарастания тока в каждом канале и равномерность распределения тока по каналам. В случае использования нелинейной нагрузки (искровые промежутки в газе и воде), характеризующейся паузой между ее пробоем и пробоем разрядника, в течение этой паузы по образовавшимся каналам протекает ток перезарядки конденсаторов 9, позволяющий поддерживать их в проводящем состоянии в течение указанной паузы. Так как время поддержания тока в разрядных промежутках за счет протекания тока перезарядки конденсаторов 9 сравнительно невелико (порядка десятков микросекунд), то устройство наилучшим образом работает при использовании в качестве нагрузки газоразрядных промежутков (лазерные установки), в электрогидравлических установках с короткими подводными искровыми промежутками либо с подводными промежутками, инициируемыми проволочкой, ферромагнитным порошком, и другими материалами, когда предпробойная стадия не превышает время разряда каждого из конденсаторов 9 на свой искровой промежуток. Таким образом, в предлагаемом генераторе импульсных токов достигается высокая надежность работы при использовании нагрузок различного типа. Подключение в нем устройства поджига параллельно нагрузке, причем таким образом, что направление напряжений конденсаторной батареи и устройства поджига в образованном ими контуре совпадают, позволяет надежно формировать в многоканальном разряднике параллельные искровые каналы за счет суммарного действия напряжений конденсаторной батареи и устройства поджига, наличия взаимных индуктивных связей между контурами и обеспечения медленного спада напряжения на межэлектродных промежутках разрядника благодаря шунтировке их дополнительно введенными конденсаторами. Так как величина напряжения, генерируемого устройства поджига, практически не ограничена, то процесс формирования параллельных каналов в разряднике не зависит от напряжения на конденсаторной батарее, что позволяет работать в широком диапазоне рабочих напряжений. Отсутствие управляющи х электродов существенно упрощает конструкцию разрядника по сравнению с известными конструкциями многоканальных разрядников и в совокупности с обеспечением надежной многоканальной коммутации и достижением высокой равномерности распределения тока по каналам, способствует увеличению ресурса и ГИТ в целом.