Основные принципы генерирования мощных импульсов тока

Мгновенные значения мощности импульсных генераторов достигают огромных значений порядка сотен и тысяч киловатт. Для генерирования столь мощных импульсов тока или напряжения широкое применение нашли как сосредоточенные емкостные накопители, так и линейные ФД, состоящие из чисто реактивных элементов с минимальными потерями, способных запасать энергию в электрических полях конденсаторов или в магнитных полях катушек индуктивностей. При этом ФД выполняет две функ­ции – накопителя энергии и формирователя импульса [1], [4], [5], [7]. Генераторы, использующие сосредоточенные емкостные накопители, могут работать в режиме как полного, так и частичного разрядов. При полном разряде накопителя форма импульса определяется параметрами разрядного контура и в качестве коммутаторов могут использоваться полууправляемые коммутирующие приборы, такие, как тиратроны, игнитроны, вакуумные разрядники или тиристоры [9].

Рис. 1.3 Рис. 1.4

На рис. 1.3 показано, что емкостный накопитель С, заряжаемый от зарядного устройства ЗУ, подключается к нагрузке R c помощью ключа К.В случае частичного разряда емкостного накопителя должен быть использован полностью управляемый коммутатор, способный подключать нагрузку к накопителю на короткий отрезок времени, равный длительности импульсов, а затем отключать ее. Этот режим позволяет получать прямоугольные импульсы тока регулируемой длительности, причем параметры импульсов определяются как параметрами контура нагрузки, так и свойствами коммутатора. В качестве полностью управляемых ключей используются модуляторные лампы, силовые транзисторы или ключи постоянного тока, созданные на полууправляемых коммутирующих приборах. Работа генератора импульсов на основе ФД (рис. 1.4) подразделяется на две стадии, резко различающиеся по своей длительности. В течение сравнительно длительного времени осуществляется накопление энергии в ФД, для чего он посредством ключа К подключается к источнику питания Е через токоограничивающий резистор Rи. Затем ключ переключается из положения 1 в положение 2 и в течение кратковременной рабочей стадии t << запасенная энергия передается в нагрузку R. При этом благодаря формирующим свойствам ФД в нагрузке возникает прямоугольный импульс тока длительностью t.

В качестве ФД применяются отрезки однородных длинных линий с распределенными параметрами (ЛРП) или эквивалентные им цепи с сосредоточенными параметрами [2]–[4]. Простейшим примером однородной ЛРП являются два отрезка проводника, расположенных в одной плоскости параллельно друг другу (например, линия электропередачи или отрезок коаксиального кабеля). Поскольку любой проводник обладает собственной распределенной индуктивностью, а диэлектрик, находящийся между этими проводниками, являющимися одновременно обкладками, создает распределенную емкость, то система в целом приобретает свойства ЛРП и электромагнитные процессы в ней имеют волновой характер.

Существенным отличием ЛРП от реактивных формирующих цепей 1-го и 2-го видов является не только то, что ЛРП обладает свойствами ФД, но и то, что она в силу своей симметрии может быть представлена также четырехполюсником. Униполярность токов и напряжений в элементах ЛРП на отрезке времени 0…t дает возможность создавать на основе ОИЛ, эквивалентных ЛРП, принципиально новые формирующие устройства – линии с квазираспределенным диодом (ЛРД) и линии с квазираспределенным ключом (ЛРК) или с управляемым вентилем, обладающие и новыми формирующими свойствами [10]–[13]. Такие устройства, достаточно просто реализуемые на практике, позволяют решить целый ряд новых задач, определяемых потребностями импульсных электротехнологий и требующих регулируемого во времени импульсного энерговклада как в линейные, так и в нелинейные нагрузки.

1.4. Принципы построения зарядных устройств
емкостных накопителей

При работе генераторов импульсов различают две основные стадии – стадию заряда накопителя и стадию его разряда на нагрузку. В генераторах импульсов накопление энергии обычно происходит в электрическом поле конденсаторов, иногда – в магнитном поле индуктивностей. Следует отметить, что процесс хранения электромагнитной энергии в электрическом поле происходит практически без потерь, а хранение энергии в магнитном поле индуктивных элементов постоянно сопровождается протеканием тока и, соответственно, потерями, существенно снижающими КПД генераторов. В связи с этим на практике нашли применение в основном емкостные накопители энергии и процессы заряда рассматриваются в данной работе при­менительно только к ним. Поскольку процессы заряда во времени длятся существенно дольше процессов разряда, то даже в случае заряда ФД с расщепленным емкостным накопителем (РЕН), т. е. ФД 1-го рода и ОИЛ, сам ФД можно рассматривать как сосредоточенную емкость , значение которой определяется суммой емкостей ячеек. В ФД 2-го рода накопителем, как будет показано далее, является только одна емкость . В силу этого процесс заряда ФД всегда можно рассматривать как процесс заряда сосредоточенной емкости и проблемы заряда являются общими для цепей любого вида. Поскольку в большинстве случаев ФД за время генерирования импульсов разряжается полностью (согласованный режим разряда), начало процесса заряда происходит при нулевых начальных условиях. Так как в качестве источников питания в основном используются источники ЭДС, возникает проблема ограничения тока заряда, которая решается различными способами, а их выбор определяется в первую очередь рабочими частотами генераторов.

Наиболее простым и надежным является резистивный заряд емкостных накопителей от источника постоянного напряжения Е (рис. 1.5), который может быть использован при любых рабочих частотах. Этот вид заряда нашел широкое применение в генераторах с частичным разрядом емкостных накопителей, поскольку при этом удается получать приемлемые значения КПД процесса заряда [7]. Однако в случае работы генератора в режиме полного разряда ФД или емкостного накопителя КПД процесса заряда не превышает 50 %. Это существенно ограничивает область применения данного вида заряда, который может быть использован только в маломощных установках.

В тех случаях, когда рабочая частота генератора меньше частоты питающей сети ( < ), могут быть применены сетевые выпрямители с реактивными ограничителями тока заряда, включенными в фазные провода питающей сети. На рис. 1.6 в качестве примера приведена схема однофазного зарядного устройства, у которого ограничивающим зарядный ток элементом является индуктивный реактор , но может быть использован и емкостный балласт, когда вместо индуктивного реактора ставится конденсатор, способный работать на частоте питающей сети. Если рабочая частота генератора выше частоты питающей сети ( > ), используют выпрямители и промежуточные емкостные накопители , значение которых должно существенно превышать значение статической емкости ФД, т. е. >> , что позволяет рассматривать такой вид заряда как заряд от источника напряжения Е. Если при этом в качестве токоограничивающего устройства используется зарядная индуктивность , заряд называется индуктивным, а в присутствии диода VD (рис. 1.7) сам процесс заряда называется резонансно-диодным. Длительность процесса заряда, определяющаяся параметрами резонансного контура – , равна а наличие вентиля VD обеспечивает сохранение зарядного напряжения на уровне >E, причем в режиме полного разряда ФД = 2Е. Кроме этого, существуют еще два вида индуктивного заряда – резонансный, когда и линейный, когда .

Резонансно-диодный заряд представляет наибольший интерес, поскольку обеспечивает двойное напряжение заряда по сравнению с напряжением источника питания, позволяет в широких пределах регулировать выходную частоту генератора, избегая промежуточных переходных процессов, и имеет высокий КПД [9]. Некоторым недостатком этого вида заряда является сложность регулирования уровня зарядного напряжения, для чего обычно используются регулируемые источники питания, например управляемые выпрямители. Как будет показано далее, существуют схемные решения, позволяющие регулировать напряжение заряда при питании от источника неизменного напряжения.

Существенный интерес представляет собой заряд емкостных накопителей от источников тока. В качестве таких источников обычно используют индуктивно-емкостные преобразователи (ИЕП), которые преобразуют источники гармонического напряжения в источники гармонического тока и после выпрямления обеспечивают заряд емкостных накопителей постоянным и неизменным током.

Более сложной задачей является заряд расщепленных емкостных накопителей (РЕН), представляющих собой n конденсаторов, имеющих общую шину и n раздельных зажимов, которые обеспечивают подключение каждого накопителя к зарядным и разрядным цепям. Основной проблемой здесь является необходимость получения регулируемых в широких пределах уровней зарядных напряжений каждой из отдельных ячеек РЕН. Наиболее интересным представляется использование в качестве зарядного устройства одного общего нерегулируемого источника питания и коммутатора зарядного тока (КЗТ), обеспечивающего переключение общей цепи заряда с одной ячейки РЕН на другую без прерывания тока заряда.

2. Генераторы прямоугольных
импульсов тока на основе реактивных
формирующих двухполюсников