ИНДУКТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА

Название	ИНДУКТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА
Разработчик (Авторы)	Пустынников С.В., Носов Г.В., Хохлова Т.Е.
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	87847
Дата регистрации	18.05.2009
Правообладатель	Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет"

Описание изобретения

Полезная модель относится к импульсной технике и может быть использована для питания ускорителей, плазмотронов, лазеров и т.п.

Известен генератор импульсов тока на основе индуктивного накопителя, содержащий однофазный ударный генератор, подключенный через тиристор к индуктивному накопителю, вентиль, быстродействующий размыкатель и нагрузку [а.с. СССР №1294260, МКИ Н03К 3/53].

Недостатком такого устройства является наличие быстродействующего размыкателя, разрывающего шунтирующую цепь индуктивного накопителя в момент передачи накопленной энергии в нагрузку, что значительно увеличивает габариты и ухудшает надежность работы устройства.

Известен генератор импульсов тока, выбранный в качестве прототипа, содержащий однофазный ударный генератор, статорная обмотка которого подключена через первый тиристор к индуктивному накопителю, первый конденсатор, подключенный через коммутатор на часть витков статорной обмотки ударного генератора, второй, третий и четвертый тиристоры, второй конденсатор, последовательно включенные вентиль и нагрузку, включенные так, что параллельно первому тиристору подключены последовательно соединенные второй конденсатор и второй тиристор таким образом, что минусовая обкладка второго конденсатора подключена к аноду первого тиристора, а катод второго тиристора подключен к катоду первого тиристора, к точке соединения плюсовой обкладки второго конденсатора и анода второго тиристора подключен катод третьего тиристора, анод которого образует общую точку с выходным зажимом индуктивного накопителя, обкладкой первого конденсатора и выходным зажимом статорной обмотки ударного генератора. Параллельно индуктивному накопителю подключены четвертый тиристор, анодом соединенный с общей точкой, и цепь, содержащая последовательно соединенные сопротивление нагрузки и вентиль, анодом соединенный с общей точкой [а.с. №2017329, МПК Н03К 3/53, опубл. 30.07.94, Бюл. №14].

Недостатком такого устройства является то, что для накопления большого количества энергии необходима большая индуктивность обмотки индуктивного накопителя, поэтому при малом значении активного сопротивления нагрузки формируемый в нагрузке импульс тока будет иметь большую постоянную времени и, соответственно малую амплитуду и мощность. При питании, например лазеров, электрогидравлических устройств, плазмотронов необходим импульс тока, имеющий при заданной величине передаваемой энергии, в 5-10 раз большую амплитуду и соответственно в 25-100 раз большую мощность. Проведенные расчеты показывают, что обмотка индуктивного накопителя должна иметь при этом в 25-100 раз меньшую величину индуктивности, чем величина индуктивности, необходимой для накопления заданного количества энергии.

Задачей полезной модели является увеличение амплитуды и мощности импульса тока в нагрузке.

Данная задача достигается тем, что индуктивный генератор импульсов тока так же, как и устройство прототипа содержит однофазный ударный генератор, статорная обмотка которого подключена через первый тиристор к обмотке индуктивного накопителя, второй тиристор, подключенный параллельно обмотке индуктивного накопителя так, что катоды обоих тиристоров подключены к входному зажиму обмотки индуктивного накопителя, а выходной зажим обмотки индуктивного накопителя, анод второго тиристора и входной зажим статорной обмотки ударного генератора образуют общую точку.

Согласно полезной модели на ферромагнитном сердечнике индуктивного накопителя, размещена согласно включенная и индуктивно связанная с обмоткой индуктивного накопителя дополнительная обмотка, индуктивность которой в 25-100 раз меньше индуктивности обмотки индуктивного накопителя, причем параллельно дополнительной обмотке подключена ветвь с последовательно включенными третьим тиристором и нагрузкой.

Полезная модель имеет следующие преимущества перед устройством прототипа:

Благодаря размещению на ферромагнитном сердечнике индуктивного накопителя дополнительной обмотки, индуктивно связанной с обмоткой индуктивного накопителя, запасенная в обмотке индуктивного накопителя энергия через индуктивную связь передается в дополнительную обмотку.

Благодаря согласному включению обмоток направление тока в дополнительной обмотке совпадает с направлением открытого состояния третьего тиристора.

Поскольку дополнительная обмотка имеет величину индуктивности в 25-100 раз меньшую величины индуктивности обмотки индуктивного накопителя, то при параллельном подключении к дополнительной обмотке ветви с последовательно включенными третьим тиристором и нагрузкой, формируемый импульс тока в нагрузке будет иметь малое значение постоянной времени, в 5-10 раз большую амплитуду и в 25-100 раз большую мощность.

На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема устройства, на фиг.2 - графики ЭДС и тока статорной обмотки ударного генератора, тока в обмотке индуктивного накопителя, импульса тока в нагрузке.

Индуктивный генератор импульсов тока содержит однофазный ударный генератор, статорная обмотка 1 которого (фиг.1), подключена через первый тиристор 2 к обмотке индуктивного накопителя 3. Параллельно обмотке индуктивного накопителя 3 включен второй тиристор 4, так что катоды обоих тиристоров подключены к входному зажиму обмотки индуктивного накопителя 3, а выходной зажим обмотки индуктивного накопителя 3, анод второго тиристора 4 и входной зажим статорной обмотки ударного генератора 1 образуют общую точку. Входной зажим дополнительной обмотки 5 подключен к выходному зажиму нагрузки 7, входной зажим которой подключен к катоду третьего тиристора 6, а выходной зажим дополнительной обмотки 5 подключен к аноду третьего тиристора 6, вследствие чего обмотки имеют согласное включение.

Устройство работает следующим образом. Ударный генератор приводится во вращение и в его статорной обмотке 1 возбуждается ЭДС 8 (фиг.2). В момент времени t₁ включается первый тиристор 2, подключающий генератор 1 к обмотке индуктивного накопителя 3. По цепи генератор 1 - первый тиристор 2 - обмотка индуктивного накопителя 3 начинает протекать ток 9. В момент времени t₂, когда ЭДС генератора переходит нулевое значение и ток 9 начнет уменьшаться, срабатывает второй тиристор 4, шунтирующий обмотку индуктивного накопителя 3. Через обмотку индуктивного накопителя 3 и второй тиристор 4 начинает протекать ток 10, а ток 9 статорной обмотки 1 ударного генератора уменьшается до нуля и в момент времени t₃ первый тиристор 2 закрывается. В момент времени t4 вновь срабатывает первый тиристор 2, ток статорной обмотки 1 ударного генератора растет и в момент времени t₅ становится равным току 10 второго тиристора 4, при дальнейшем увеличении тока статорной обмотки 1 ударного генератора ток второго тиристора 4 упадет до нуля и второй тиристор 4 закрывается. В момент времени t₆, когда ток статорной обмотки 1 ударного генератора достигнет максимума, вновь срабатывает второй тиристор 4, шунтирующий обмотку 3 индуктивного накопителя. Таким образом, идет процесс накопления энергии в обмотке индуктивного накопителя, осуществляемый за 10-30 периодов ЭДС 8. На фиг.2 представлены всего лишь три периода ЭДС, что вполне достаточно для пояснения принципа работы устройства. Амплитуда импульса тока с каждым циклом накопления увеличивается и может достигнуть тока внезапного короткого замыкания ударного генератора, а энергия, запасаемая в обмотке индуктивного накопителя, может в несколько раз превышать электромагнитную энергию ударного генератора. Например, при соотношении индуктивного сопротивления обмотки индуктивного накопителя X_н и ударного сопротивления Х_уд статорной обмотки ударного генератора X_н/Х_уд=8 в обмотке индуктивного накопителя можно сосредоточить энергию равную 3.75 энергии внезапного короткого замыкания ударного генератора [Сипайлов Г.А., Хорьков К.А. Генераторы ударной мощности. М.: Энергия, 1979]. В момент времени t₇, когда ток статорной обмотки 1 ударного генератора в очередной раз достигнет максимума, срабатывает третий тиристор 6 и, так как второй тиристор 4 на последнем этапе не включается, энергия, запасенная в обмотке 3 индуктивного накопителя посредством индуктивной связи передается в дополнительную обмотку 5, которая благодаря согласному включению обмоток формирует в нагрузке 7 импульс тока 11. В момент времени t₈ импульс тока 11 уменьшается до нуля, устройство возвращается в исходное состояние и цикл накопления повторяется вновь.

С помощью программы Electronics Workbenc были проведены исследования модели заявляемого устройства имеющего параметры: ЭДС статорной обмотки ударного генератора 1-220 В, частота - 50 Гц, индуктивность обмотки 3 индуктивного накопителя составила 1 Гн, суммарное активное сопротивление статорной обмотки и обмотки индуктивного накопителя - 0,3 Ом, индуктивность дополнительной обмотки 5-0,01 Гн, взаимная индуктивность - 0,1 Гн, коэффициент связи обмоток близкий к 1, суммарное активное сопротивление дополнительной обмотки 5 и нагрузки 7-0,1 Ом. Величина тока, запасаемого в обмотке 3 индуктивного накопителя составила 200 А. При исследовании работы по схеме прототипа, т.е. при подключении ветви с нагрузкой 7 и третьим тиристором 6 параллельно обмотке 3 индуктивного накопителя, в нагрузке 7 формируется импульс тока амплитудой 200 А, длительностью 4 с и максимальной мощностью 4 кВт. При исследовании работы заявляемого устройства в нагрузке 7 формируется импульс тока амплитудой 2 кА, длительностью 0,4 с и максимальной мощностью 400 кВт.

Таким образом, размещение на ферромагнитном сердечнике индуктивного накопителя согласно включенной и индуктивно связанной с обмоткой индуктивного накопителя дополнительной обмотки, имеющей величину индуктивности в 25-100 раз меньшую индуктивности обмотки индуктивного накопителя, с подключенной параллельно дополнительной обмотке ветви с последовательно включенными третьим тиристором и нагрузкой позволяет в 5-10 раз увеличить амплитуду и в 25-100 раз увеличить мощность импульса тока в нагрузке.

Формула полезной модели

Индуктивный генератор импульсов тока, содержащий однофазный ударный генератор, статорная обмотка которого через первый тиристор подключена к обмотке индуктивного накопителя, второй тиристор, включенный параллельно обмотке индуктивного накопителя так, что катоды обоих тиристоров подключены к входному зажиму обмотки индуктивного накопителя, а выходной зажим обмотки индуктивного накопителя, анод второго тиристора и входной зажим статорной обмотки ударного генератора образуют общую точку, отличающийся тем, что на ферромагнитном сердечнике индуктивного накопителя размещена согласно включенная и индуктивно связанная с обмоткой индуктивного накопителя дополнительная обмотка, индуктивность которой в 25-100 раз меньше индуктивности обмотки индуктивного накопителя, причем параллельно дополнительной обмотке подключена ветвь с последовательно включенными третьим тиристором и нагрузкой.

Изобретение "ИНДУКТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ ТОКА" (Пустынников С.В., Носов Г.В., Хохлова Т.Е.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога