Магнітно-напівпровідниковий генератор з трансформаторним вузлом формування двотактних однополярних імпульсів

Магнітно-напівпровідниковий генератор з трансформаторним вузлом формування двотактних однополярних імпульсів, що містить джерело напруги змінного струму, вихідні клеми якого зашунтовані вільними виводами послідовно з'єднаних зарядного дроселя та першого конденсатора, спільна точка якого із зарядним дроселем і його вільний вивід підключені відповідно до вхідного вільного та спільного виводів блока вузлів магнітної компресії імпульсів, до вихідного вільного та спільного виводів котрого підключена первинна обмотка трансформатора, вторинна обмотка якого зашунтована другим конденсатором та відповідно вільними виводами послідовно з'єднаних першого комутаційного дроселя та третього конденсатора, четвертий конденсатор, перший вивід якого підключений до негативної клеми навантаження, а його позитивна та негативна клеми зашунтовані C2 2 (11) 1 3 Найбільш близьким по технічній сутності до пристрою, що заявляється, є обраний як прототип магнітний генератор двотактних однополярних імпульсів [2], що містить джерело напруги змінного струму, послідовно з'єднані перший зарядний дросель з робочою обмоткою першого комутаційного дроселя, між спільною точкою яких та першою клемою джерела напруги включений перший конденсатор, послідовно з'єднані другий зарядний дросель з робочою обмоткою другого комутаційного дроселя, між спільною точкою яких та першою клемою джерела напруги включений другий конденсатор, а вільні виводи першого та другого зарядних дроселів підключені до другої клеми джерела напруги, трансформатор, одні виводи першої та другої первинних обмоток якого під'єднані відповідно до вільних виводів першого та другого комутаційних дроселів, їх другі виводи під'єднані до першої клеми джерела напруги, а вторинна обмотка трансформатора зашунтована входом наступних вузлів магнітної компресії імпульсів, причому перший та другий комутаційні дроселі мають по одній обмотці підмагнічування. Недоліком відомого магнітного генератора двотактних однополярних імпульсів є те, що трансформатор після кожної тактової трансформації імпульсів входить в режим насичення і має дві первинні обмотки, до яких відповідно підключені по одному зарядно-розрядному вузлу. Подвійна кількість елементів цих вузлів разом із додатковою первинною обмоткою трансформатора і з врахуванням його режиму роботи збільшують складність відомого генератора. Крім того, цей генератор має обмежені функціональні можливості, оскільки елементи, які формують із різнополярних імпульсів двотактні однополярні виконують тільки по одній функції, а також не узгоджені комутаційні дроселі з відповідними первинними обмотками трансформатора відносно того, щоб індуктивність насичення цих дроселів була значно меншою індуктивності розсіювання обмоток трансформатора. Задачею пропонованого винаходу є створення магнітно-напівпровідникового генератора з трансформаторним вузлом формування двотактних однополярних імпульсів, у якому шляхом введення першого та другого нелінійних трансформаторів, кожен із яких має первинну та вторинну робочі обмотки і керуючу обмотку та відповідних цим трансформаторам нових зв'язків, а також шляхом введення узгоджувального комутаційного дроселя досягається спрощення пристрою та розширення його функціональних можливостей, при цьому забезпечується формування двотактних однополярних імпульсів із різнополярних імпульсів. Вирішення поставленої задачі досягається за рахунок того, що в магнітно-напівпровідниковий генератор з трансформаторним вузлом формування двотактних однополярних імпульсів, що містить джерело напруги змінного струму, вихідні клеми якого зашунтовані вільними виводами послідовно з'єднаних зарядного дроселя та першого конденсатора, спільна точка якого із зарядним дроселем і його вільний вивід підключені відповідно до вхідного вільного та спільного виводів блока вузлів магнітної компресії імпульсів, до вихідного 93925 4 вільного та спільного виводів котрого підключена первинна обмотка трансформатора, вторинна обмотка якого зашунтована другим конденсатором та відповідно вільними виводами послідовно з'єднаних першого комутаційного дроселя та третього конденсатора, четвертий конденсатор, перший вивід якого підключений до негативної клеми навантаження, а його позитивна і негативна клеми зашунтовані п'ятим конденсатором та шунтуючим дроселем, додатково введені перший та другий нелінійні трансформатори, кожен із яких має первинну та вторинну робочі обмоткиі керуючу обмотку, причому первинні робочі обмотки першого та другого нелінійних трансформаторів з'єднані між собою першими своїми виводами, що не мають позначок фазного маркування, вільні другі виводи цих первинних робочих обмоток, які мають позначки фазного маркування, підключені відповідно до спільної точки першого комутаційного дроселя з третім конденсатором та до вільного виводу цього конденсатора, вторинні робочі обмотки першого та другого нелінійних трансформаторів з'єднані між собою першими своїми виводами, які відповідно не мають та мають позначку фазного маркування, вільні другі виводи цих первинних робочих обмоток, які відповідно мають та не мають позначку фазного маркування, підключені відповідно до другого і першого виводів четвертого конденсатора, а керуючі обмотки першого та другого нелінійних трансформаторів з'єднані між собою першими своїми виводами, які відповідно мають та не мають позначку фазного маркування, вільні другі виводи цих керуючих обмоток, які відповідно не мають та мають позначку фазного маркування, утворюють відповідно позитивний і негативний затиски, а також другий комутаційний дросель, перший та другий виводи якого підключені відповідно до другого виводу четвертого конденсатора та позитивної клеми навантаження. Порівняльний аналіз із прототипом показує, що магнітно-напівпровідниковий генератор з трансформаторним вузлом формування двотактних однополярних імпульсів, що заявляється, відрізняється наявністю нових елементів, а саме першого та другого нелінійних трансформаторів, кожен із яких має первинну та вторинну робочі обмотки і керуючу обмотку, а також другого комутаційного дроселя та нових зв'язків, що полягають у відповідному з'єднанні нових елементів зазначеним чином. Тобто пристрій, що заявляється відповідає критерію «новизна». Порівняння рішення, що заявляється, з іншими технічними рішеннями показує, що нелінійні трансформатори відомі [3]. Однак, їхнє введення в зазначених нових зв'язках з іншими елементами виявляє нові властивості сукупності двох нелінійних трансформаторів, які мають первинну, вторинну і керуючу обмотки і які утворюють новий магнітний вузол. А саме: формуються двотактні однополярні імпульси із вхідних різнополярних імпульсів з виключенням раніше функціонально необхідних елементів і ускладнюючих їх режимів роботи (у прототипі - додаткова первинна обмотка трансформатора, його режим насичення, додаткові зарядний та комутаційний дроселі, конденсатор, подвій 5 не перемагнічування комутаційних дроселів), а разом із введеним другим комутаційним дроселем узгоджуються вихідні імпульси трансформаторного вузла із навантаженням. Зазначені нові властивості цього вузла дозволяють досягти спрощення пристрою. Крім того, в одному процесі формування трансформаторним вузлом двотактних однополярних імпульсів відпрацьовується нова функція магнітна компресія вхідних різнополярних імпульсів і надається нова функціональна можливість керування вихідними імпульсами щодо їх амплітуди, полярності та інше, змінюючи значення струму підмагнічування керуючих обмоток нелінійних трансформаторів та його полярність. На підставі вищевикладеного можна зробити висновок про те, що сукупність суттєвих ознак, викладених у формулі винаходу, є достатнім для досягнення нового технічного результату - спрощення пристрою та розширення його функціональних можливостей, який забезпечує передбачуваний винахід. Сутність винаходу пояснюється кресленнями. На фіг. 1 представлена схема електрична принципова магнітно-напівпровідникового генератора з трансформаторним вузлом формування двотактних однополярних імпульсів. На фіг. 2 наведені епюри вхідних різнополярних імпульсів трансформаторного вузла - а) і його вихідних двотактних однополярних імпульсів - б). Магнітно-напівпровідниковий генератор з трансформаторним вузлом формування двотактних однополярних імпульсів містить джерело 1 змінної напруги, вихідні клеми якого зашунтовані вільними виводами послідовно з'єднаних зарядного дроселя 2 та першого конденсатора 3, спільна точка якого із зарядним дроселем 2 і його вільний вивід підключені відповідно до вхідного вільного і спільного виводів блока 4 вузлів магнітної компресії імпульсів, до вихідного вільного та спільного виводів котрого підключена первинна обмотка 5 трансформатора 6, вторинна обмотка 7 якого зашунтована другим конденсатором 8 та відповідно вільними виводами послідовно з'єднаних першого комутаційного дроселя 9 та третьогоконденсатора 10, четвертий конденсатор 11, перший вивід якого підключений до негативної клеми навантаження 12, а його позитивна та негативна клеми зашунтовані п'ятим конденсатором 13 та шунтуючим дроселем 14. Магнітно-напівпровідниковий генератор додатково забезпечений першим нелінійним трансформатором 15 та другим нелінійним трансформатором 16, кожен із яких має відповідно первинні робочі обмотки 17 та 18, вторинні робочі обмотки 19 та 20, керуючі обмотки 21 та 22, причому первинні робочі обмотки 17 та 18 першого та другого нелінійних трансформаторів 15 і 16 з'єднані між собою першими своїми виводами, що не мають позначок фазного маркування, вільні другі виводи цих первинних робочих обмоток, які мають позначки фазного маркування, підключені відповідно до спільної точки першого комутаційного дроселя 9 з третім конденсатором 10 та до вільного виводу конденсатора 10, вторинні робочі обмотки 19 та 20 першого та другого нелінійних трансформаторів 15 93925 6 і 16 з'єднані між собою першими своїми виводами, які відповідно не мають та мають позначку фазного маркування, вільні другі виводи цих вторинних робочих обмоток, які відповідно мають та не мають позначку фазного маркування, підключені відповідно до другого та першого виводів четвертого конденсатора 11, а керуючі обмотки 21 і 22 першого та другого нелінійних трансформаторів 15 і 16 з'єднані між собою першими своїми виводами, які відповідно мають та не мають позначку фазного маркування, вільні другі виводи цих керуючих обмоток, які відповідно не мають та мають позначку фазного маркування, утворюють відповідно позитивний та негативний затиски, а також другий комутаційний дросель 23, перший та другий виводи якого підключені відповідно до другого виводу четвертого конденсатора 11 та позитивної клеми навантаження 12. Пристрій працює наступним чином. З виходу джерела 1 змінного струму на зарядний дросель 2 подається напруга живлення UЖ у вигляді різнополярних імпульсів із шпаруватістю Q  2. Від напруги UЖ через дросель 2 резонансно заряджається перший конденсатор 3. В кінці кожного різнополярного імпульсу напруги UЖ спрацьовує блок 4 вузлів магнітної компресії імпульсів - його вхідний комутаційний дросель. Після цього блок 4, який має два вузли магнітної компресії імпульсів, стискує вхідні імпульси струму від першого конденсатора З до вихідних імпульсів струму цього блока, які протікають через первинну обмотку 5 трансформатора 6 з тривалістю до кількох мікросекунд. Трансформатор 6 передає ці імпульси практично з тією ж тривалістю до вторинної обмотки 7, забезпечуючи імпульсне надходження енергії від блока 4 до високовольтного другого конденсатора 8. По закінченню зарядного імпульсу струму і8 конденсатора 8 напруга на ньому досягає значення, при якому насичується перший комутаційний дросель 9. Його індуктивність при цьому миттєво зменшується у багато разів і накопичена енергія в конденсаторі 8 передається в конденсатор 10 при імпульсах струму і9 через дросель 9 з тривалістю 9. Імпульс струму і9 при цьому стискується щодо тривалості 8 зарядного імпульсу струму і8 з коефіцієнтом компресії КК9 = 8/9, який орієнтовно може мати значення 5... 10. На протязі часу 9 трансформатори 15 та 16 працюють у лінійному режимі і зростаюча напруга на конденсаторі 10 позитивної чи негативної полярності передається до вторинних обмоток 19 та 20 в протифазі. Тому через первинні обмотки 17 та 18 протікає тільки струм намагнічування трансформаторів 15 та 16, який практично не впливає на процес зарядження конденсатора 10. По закінченню позитивного імпульсу струму і9(+) позитивна напруга U10(+) на конденсаторі 10 досягає значення UН10(+), при якому осердя трансформатора 16 насичується і він миттєво виходить із лінійного режиму, оскільки фазові (+) напрямки струму і10 та струму підмагнічування ІП обмотки 22 і відповідні їм магнітні потоки співпадають. В режимі насичення індуктивність первинної обмотки 18 трансформатора 16 зменшується у багато разів, вся напруга U10(+) прикладається практично до первинної обмотки 17 трансформатора 15 і трансформатор 16 практично не передає 7 напругу U10(+) до вторинної обмотки 20. І навпаки, оскільки фазові напрямки струму і10(+) і струму підмагнічування ІП обмотки 21 і відповідні їм магнітні потоки не співпадають, то трансформатор 15 передає майже всю напругу U10(+) до вторинної обмотки 19, її струм i19(+) втікає в другий вивід конденсатора 11 і таким чином при позитивній напрузі U10(+) енергія від конденсатора 10 надходить в конденсатор 11, створюючи на його другому виводі позитивну напругу U11(+). По закінченню негативного імпульсу струму і9(-) негативна напруга U10(-) на конденсаторі 10 досягає значення UН10(-), при якому осердя трансформатора 15 насичується і він миттєво виходить із лінійного режиму, оскільки фазові напрямки струму і10(-) і струму підмагнічування ІП обмотки 21 і відповідні їм магнітні потоки співпадають. В режимі насичення індуктивність первинної обмотки 17 трансформатора 15 зменшується у багато разів, вся напруга U10(-) прикладається практично до первинної обмотки 18 трансформатора 16 і трансформатор 15 практично не передає напругу U10(-) до вторинної обмотки 19. І навпаки, оскільки фазові напрямки струму і10(-) і струму підмагнічування ІП обмотки 22 і відповідні їм магнітні потоки не співпадають, то трансформатор 16 передає майже всю напругу U10(-) до вторинної обмотки 20, її струм і20(+) втікає також в другий вивід конденсатора 11 і таким чином при негативній напрузі U10(-) енергія від конденсатора 10 надходить в конденсатор 11, створюючи на його другому виводі позитивну напругу U11(+). Тобто, незалежно від полярності імпульсів напруги на конденсаторі 10, на конденсаторі 11 формуються практично тільки позитивні імпульси напруги U11(+). По закінченню струму і10(+) (або і10(-)) за рахунок залишкової енергії в ненасиченому та насиченому трансформаторах 15 і 16 (або 16 і 15) у вторинній обмотці 19 (або 20) струм і19(+) (або і20(+)) має негативну складову струму і19(-) (або і20(-)). Струми і19(-) та і20(-)) мають значення амплітуди до (3...5)% від (+) (+) відповідних значень амплітуд струмів і19 і і20 , а тривалість відносно періоду ТР імпульсів струму і9(0,2  0,2)ТР. Незначному значенню струмів і19(-) та і20(-) сприяють ряд властивостей трансформаторного вузла. Імпульси струму і9 мають значну шпаруватість Q9>10, а імпульси струму і19(+), і20(+) - малу тривалість: 19(+) = 20(+) =(0,15...0,25)мкс, і значну амплітуду (150...200)А. При відносному збереженні вольт-секундних значень напруги, відповідних струмам і10(+), і19(+) та і10(-) і20(+) струми і19(-), і20(-) під впливом залишкової енергії, накопиченої відповідно в трансформаторах 15 і 16 по закінченню струмів і10(+) та і10(-) за умов Q >10 мають можливість формуватися в міжімпульсний період з малою амплітудою. Крім того, струми і19(-),і20(-)та відповідно струми насичення трансформаторів 15 і 16 у післякомутаційний період і20Н і і19Н, направлені назустріч один одному і кожен із них в цей час взаємно розмагнічує трансформатори 15 і 16 (або 16 і 15), які мають при цьому процесі у багато разів більші індуктивності, ніж у насиченому стані, коли формуються імпульси струму і19(+) (або і20(+)). До того ж залишкова енергія трансформаторів 15 та 16 у післякомутаційний період одночасно повертається в конденсатор 10. Співвідношення струмів 93925 8 і19(+), і20(+) із струмами і19(-), і20(-) орієнтовно співрозмірні з співвідношеннями прямого та зворотного імпульсів струму діодів. Тому розглянуте формування однополярних імпульсів із різнополярних можна представити як варіант «випрямлення» імпульсів за допомогою трансформаторного вузла, складеного із трансформаторів 15 і 16, а сам цей вузол - як «Т - випрямляч» імпульсів, які мають велику шпаруватість. Імпульси струму і19(+), і20(+) завдяки тому, що трансформатори 15 та 16 почергово функціонують в нелінійно-комутаційному режимі, при їх формуванні стискуються щодо тривалості 9 струму і9 з коефіцієнтом компресії КК15,16 = 9/19 = 9/20, який орієнтовно може мати значення 3...5. А завдяки керуючим обмоткам 21, 22 імпульси струму можуть бути керованими щодо їх амплітуди та полярності шляхом певної зміни значення струму підмагнічування ІП та його полярності. Далі по завершенню формування імпульсів і19(+) (або і20(+)) напруга на конденсаторі 11 досягає значення, при якому другий комутаційний дросель 23 насичується. Його індуктивність при цьому миттєво зменшується у багато разів і накопичена енергія в конденсаторі 11 передається в навантаження 12 вже при однополярних імпульсах струму і2319 та і2320 з тривалістю 2319 та 2320 відповідно тактам частоти повторення імпульсів струму і9(+) та і9(-) забезпечуючи коефіцієнт компресії КК23 = 19/2319 = 20/2320, який орієнтовно може мати значення 1,5... 2,5. Функціонування «Т - випрямляча», виконаного на трансформаторах 15 і 16, найбільш вигідне при імпульсах з найменшою тривалістю. Але, для навантаження 15, яке має індуктивну складову, наприклад, як лазерна газорозрядна трубка, вводиться в кінцевий вузол компресії імпульсів дросель 23 для узгодження внутрішньої індуктивності «Т - випрямляча» із співрозмірною з нею індуктивністю складового навантаження 12. Індуктивність насичення дроселя 23 визначається значно меншою, ніж індуктивна складова навантаження 12, що забезпечує подальшестиснення імпульсів, яке зазвичай важко реалізується в вузлі компресії перед навантаженням 12. Крім того, разом із конденсатором 13 та дроселем 14 досягаються кращі показники імпульсів струму в навантаження 14 щодо їх крутості фронту та початкового загину, або «п'єдесталу», цих імпульсів. Крім викладених переваг щодо спрощення пристрою та розширення його функціональних можливостей генератор має також такі особливості і переваги: забезпечується гальванічна розв'язка між первинними і вторинними обмотками трансформаторів 15 і 16; надається можливість підключення кількох навантажень до додаткових вторинних обмоток, в тому числі до різних рівнів напруги, без складної синхронізації роботи цих навантажень. До того ж, у пропонованому генераторі всі магнітні елементи працюють в симетричному режимі, або близькому до нього - трансформатори 15, 16, крім дроселя 20, де цей режим при наносекундних імпульсах не є вирішальним. Експериментальні дослідження пристрою, що заявляється, показали, що із різнополярних імпульсів напруги вхідного інвертора тривалістю і  (50...60)мкс типу «меандр» створюються різнопо 9 лярні імпульси напруги з амплітудою  (8...12)кВ, під впливом яких у вхідному накопичувальному конденсаторі трансформаторного вузла («Т - випрямляча») протікають імпульси струму і9(80...100)А тривалістю 9- (0,4...0,6)мкс, шпаруватістю Q = 200 (де період ТР визначений для різнополярних імпульсів). Із цих імпульсів «Т- випрямляч» формує двотактні однополярні імпульси струму і19(+) = і20(+) (150...200)А, 19 = 20  (140...160)нс, Q  100 (де Т0 - ТР/2). Ці імпульси стискуються і узгоджуються за допомогою кінцевого дроселя з навантаженням - лазерною газорозрядною трубкою типу KULONLT - 1,5Сu, яка збуджується двотактними однополярними імпульсами i2319=i2320=(280...320)А, (80...100)нс. В цілому випробування макетного зразка генератора, що заявляється, підтвердили його працездатність - лазерна трубка генерувала орієнтовно таку ж потужність випромінювання, як і при збудженні її тиратронним генератором, та надійність - не було зривів генерації, у високовольтному колі виключені ненадійні елементи. Досягнуто також спрощення пристрою та розширення його функціональних можливостей. Так у макеті пристрою, що заявляється, реалізовано «Т-випрямлення» різнополярних імпульсів, їх компресію та керування ними з мінімально можливими втратами енергії 93925 10 - на (3.. .5)% більше в порівнянні з різнополярним генератором, який має такі ж параметри вихідних імпульсів, та затратами обладнання - всього один додатковий нелінійний трансформатор, (другий із них - це такий же дросель насичення в різнополярному генераторі), який складає менше 1% від об'єму (маси) пристрою в цілому. При цьому немає необхідності використовувати допоміжні об'ємні (масивні) елементи в первинному колі, або напівпровідникові прилади в високовольтному вторинному колі у невластивих для них режимах - при напрузі більших 10кВ і тривалості імпульсів, що формуються, (0,2... 1,0)мкс. Література 1. S.V. Nakhe, B.S. Rajanikanth and R. Bratnager. Energy disposition studies in a copper vapour laser under different pulse excitation schemes.// Measurement Science and Technology. 2003. - №14. - P. 608, Fig. 3. 2. Меерович Л.А., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов. - М.: «Советское радио». - 1968. - 475с. (с. 341, рис. 9.5). 3. Бутаков Л.Д. и др. Линейные индукционные ускорители на магнитных элементах.// Приборы и техника эксперимента. - 2001. - №5. - С. 104-109 (с.105, рис.1). 11 Комп’ютерна верстка Мацело В. 93925 Підписне 12 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601