CC BY
256
УДК 621.313.12
ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫЙ ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В ЧАСТОТНОМ РЕЖИМЕ
Г.В. Носов, С.В. Пустынников
Томский политехнический университет E-mail: nosov@elti.tpu.ru
Рассмотрено применение индуктивно-емкостного генератора мощных импульсов тока для питания электрофизических установок в частотном режиме. Индуктивно-емкостный генератор состоит из питающего синхронного электромашинного генератора, работающего в кратковременно-ударном режиме, обмотка которого с переменной ЭДС и с двумя группами тиристоров используется для накопления энергии в магнитном поле первичной обмотки трансформатора. Параллельно первичной накапливающей энергию обмотке трансформатора подсоединяется конденсаторная батарея. Вторичная обмотка этого трансформатора подключается посредством третьей группы тиристоров к электрофизической установке. Приведены уравнения и результаты расчета в виде временных зависимостей и таблиц. Величина емкости батареи оптимизируется в диапазоне от одного до десяти значений резонансной емкости первичной обмотки трансформатора. Наличие конденсаторной батареи в 5...Ю раз повышает мощность генератора, причем максимальная энергия в батарее до 10 раз меньше максимальной запасаемой энергии в магнитном поле первичной обмотки трансформатора. При длительной работе генератора частота следования импульсов тока в нагрузке может превышать одну десятую частоты изменения синусоидальной ЭДС электромашинного генератора.
Ключевые слова:
Генератор, импульс тока, частотный режим, электрофизическая установка, синхронный электромашинный генератор, переменная электродвижущая сила, тиристор, накопление энергии, трансформатор.
Key words:
Generator, pulse current, frequency mode, electrophysical installations, synchronous electric machine generator, a variable electromotive force, thyristors, energy storage, transformer.
В настоящее время для питания рельсотронов, лазеров, плазмотронов, ускорителей заряженных частиц и других электрофизических установок применяются источники мощных импульсов тока, такие как электромашинные генераторы, аккумуляторные батареи, емкостные и индуктивные накопители, магнитокумулятивные и магнитогидродинамические генераторы [1-5]. Импульсные источники с резистивными («теплыми») индуктивными накопителями электромагнитной энергии и с размыкающимися (взрывными) коммутаторами являются одними из наиболее мощных генераторов импульсов тока с удельной запасаемой энергией в индуктивном накопителе до 5 Дж/см3 иболее. Однако взрывные коммутаторы затрудняют реализацию частотного (многократного) режима работы такого генератора и дают значительные перенапряжения [2, 3, 5]. Поэтому разработка и расчет генератора мощных импульсов тока с резистивным индуктивным накопителем для частотного режима питания электрофизических установок является актуальной задачей.
В качестве источника мощных импульсов тока для частотного питания электрофизических установок можно использовать индуктивный генератор с тиристорными коммутаторами, трансформатором и однофазным синхронным электромашинным генератором кратковременно-ударного действия для накопления энергии в первичной обмотке трансформатора [1, 6]. Однако при многих параметрах этих генераторов и их нагрузок невозможно добиться перехода токов тиристоров через нулевые значения для их запирания, а также получить приемлемую скорость нарастания тока во вторичной обмотке трансформатора, что ограничивает применение и генерируемую мощность указанных индуктив-
ных генераторов. Для расширения используемых параметров генераторов и их нагрузок, а также для увеличения генерируемой мощности был предложен индуктивно-емкостный генератор с конденсаторной батареей [7], включенной параллельно накапливающей энергию первичной обмотке трансформатора (рис. 1). Трансформатор может быть воздушным [1] или с шихтованным ферромагнитным сердечником, имеющим зазор, где в магнитном поле накапливается основная энергия генератора (рис. 2).
Рис. 1. Электрическая схема индуктивно-емкостного генератора: е=Ег„зІпюІ, і, Д - переменная ЭДС, индуктивность и сопротивление обмотки синхронного электромашинного генератора; У^, УБ2, УБ3 - группы тиристоров; С - емкость конденсаторной батареи; і2, і3 и Д2, Д3 - индуктивности и сопротивления первичной и вторичной обмоток накапливающего энергию трансформатора; М - взаимная индуктивность обмоток трансформатора; ин иДн(І3) - напряжение и нелинейное сопротивление нагрузки; і, І2, ІС, Уа, І3 -токи генератора
и меняет направление. Напряжение на конденсаторах ис уменьшается от первого максимального значения до нуля. Все это время ток /2 растет до первого максимального значения.
В момент времени, когда напряжение ис становится равным нулю и ток /2 максимален, управляющим импульсом включается группа тиристоров У32 и их ток 1т=12 немного снижается за счет потерь энергии в Л2. В момент времени t=2n|ш включается группа тиристоров К^, и ток ц нарастает, а /К52 уменьшается. При переходе тока /К52 через нулевое значение группа тиристоров VS2 запирается. Токи 11 и 1с нарастают до вторых максимальных значений и затем уменьшаются до нуля, а ток /2 увеличивается. Напряжение ис увеличивается от нуля до второго максимального значения. При переходе тока ц через нулевое значение группа тиристоров VS1 запирается. Ток конденсаторов 1с меняет направление. Напряжение ис уменьшается от второго максимального значения до нуля. Все это время ток /2 растет до второго максимального значения.
В момент времени /=4п|ю вновь включается группа тиристоров и т. д. С каждым последующим периодом изменения ЭДС е максимальные значения тока /2 возрастают, происходит накопление энергии в магнитном поле первичной обмотки трансформатора с индуктивностью Ь2.
В момент времени ^2пл/а (п=0,5;1,5;2,5...), когда группы тиристоров VS1 и У52 заперты (/1=/К52=0), а ток /2=-/С максимален, управляющим импульсом включается группа тиристоров У5}, и ток г3 нарастает от нуля до максимума и затем снижается до нуля. При возможном переходе тока /3 через нулевое значение группа тиристоров за-
Рис. 3. Относительные временные зависимости токов (i/Im) при максимальных значениях Im1 тока i и Im3 тока i3:1) i/Im1; 2) i2/Im1;
3) i3/Im3; 4) im/Im1; 5) iC /Im1
A-A
Б
Рис. 2. Трансформатор с разъемным ферромагнитным шихтованным сердечником: ]) сердечник; 2) первичная обмотка с числом витков и/2 и индуктивностью і2; 3) вторичная обмотка с числом витков щ и индуктивностью і3; а - ширина сердечника; в2, (13 - внешние диаметры первичной и вторичной обмоток; Ь -высота обмоток; 8 - воздушный зазор
При определенных параметрах генератора в момент времени /=0, когда ЭДС е равна нулю, управляющим импульсом включается группа тиристоров УБ1, токи і1, і2 и іс начинают изменяться: токи
11 и іс нарастают от нуля до первых максимальных значений и затем уменьшаются до нуля, а ток
12 увеличивается. Напряжение на конденсаторах ис увеличивается от нуля до первого максимального значения. При переходе тока і1 через нулевое значение группа тиристоров УБ1 запирается. Ток конденсаторов іс переходит через нулевое значение
пирается, т. е. в нагрузке формируется импульс тока і3. За счет потерь энергии в Яь Я3 и нагрузке токи і2=-іС и і3 снижаются до нулевых значений. Индуктивно-емкостный генератор готов к генерированию следующего импульса тока і3.
На рис. 3-5 приведены характерные расчетные зависимости при Т=2п|ю и п=4,5, которые получены при помощи разработанного алгоритма вычислений в системе МаШсаё [8] на основании следующих уравнений:
Рис. 4. Относительные временные зависимости напряжений и/ит на зажимах обмоток трансформатора при максимальных значениях Ет ЭДС е и ит3 напряжения и3. Напряжения на обмотках: 1) первичной - и2/Ет; 2) вторичной - и3/ит3
сформатора при толщине их изоляции 0,1мм; МТР - масса трансформатора; 1т2 - максимум тока і2 в первичной обмотке трансформатора; итН - максимальное напряжение на нагрузке; итС - максимальное напряжение на конденсаторах; Же - поступившая от внешнего источника энергия в генератор; Жн - переданная за импульс энергия в нагрузку; - эффективность генератора;
Рт - максимальная мощность нагрузки; Ре - средняя мощность, потребляемая от электромашинно-го генератора.
Величина емкости конденсаторной батареи,
1 10 определяемая в диапазоне —2— < С <—2—, су-
0 Ь2 0 Ь2
щественно влияет на токи, напряжения, энергию, мощность и эффективность генератора. В свою очередь параметры нагрузки совместно с емкостью С определяют ток і3, напряжение ин, мощность Рт, энергию Жн и эффективность П.
Индуктивно-емкостные генераторы имеют эффективность преобразования энергии до 50 % и могут использоваться для частотного питания мощными импульсами тока электрофизических установок на автономных и промышленных объектах.
Таблица 1. Параметры повышающего ток индуктивно-емкостного генератора
в 'М2 w-3 8 а 62 63 Ь с с3 ь ь Мтр
Тл - - мм мм мм мм мм мм мм мм мм кг
1,5 300 30 40 189 320 397 200 1 4,4 10 50 310
Ет Ре 0 І1 І2 І3 М «1 «2 «3 С
В кВт 1/с мГн мГн мГн мГн мОм мОм мОм мкФ
380^2 11 314 10 100 1 9,6 126 628 3,14 500
т а т 1т2 1т3 итН итС ит3 Мн П Рт
- В/Ат А А А В В В Дж Дж Дж - кВт
0 70 235 160 1708 70 841 79 2061 1332 880 0,428 120
0,5 2 1310 72 1014 0,492 95
1 61.10-3 1192 73 1008 0,489 87
2 61.10-6 1100 74 985 0,478 81
4 62'10-12 1048 75 952 0,462 78
Таблица 2. Параметры повышающего напряжение индуктивно-емкостного генератора
в •м2 ]м3 8 а 62 63 Ь с с3 Ь-2 Ь3 МТР
Тл - - мм мм мм мм мм мм мм мм мм кг
1,5 300 3000 40 189 320 414 200 1 0,6 10 4 320
Ет Ре 0 и 1-і І3 М «1 «2 «3 С
В кВт 1/с мГн мГн Гн Гн мОм мОм Ом мкФ
380л- 11 314 10 100 10 0,96 126 628 31,4 500
т а т 1т2 1т3 итН итС ит3 Мн П Рт
- В/Ат А А А В В В Дж Дж Дж - кВт
0 7000 235 160 20 7000 836 7845 2052 1319 855 0,417 141
0,5 500 22 2336 989 0,482 51
1 100 22 2159 918 0,447 47
2 10 19 3501 908 0,442 65
4 0,1 15 5043 884 0,431 76
Ь1—Г + (^! + + ^2 ~Г + М~Г + К2{2 — е;
— — —
^2 + Я2г2 + ЯУБ2*У52 = 0;
— —
Х— —‘ — + М—+ Я—/— + Яу^—•— + ин — 0;
— Ж
ис + ЯГ5 21Г5 2 — °
^ —иг
•с — С~—Т;
• + •уБ 2 — *2 + •с ,
где Лкя, и - сопротивления тиристоров
УБ1, У$2 и У^3 в открытом и закрытом состояниях; напряжение на нелинейной активной нагрузке (а и т - постоянные параметры):
ин —а —. (*)
В табл. 1, 2 приведены расчетные параметры генераторов с трансформатором (рис. 2), когда и=4,5 и нелинейная активная нагрузка имеет напряжение (*), причем: В - магнитная индукция в сердечнике; с2, с3 и Ь2, Ь3 - толщина и ширина медных шин первичной и вторичной обмоток тран-
Выводы
1. Предложен индуктивно-емкостный генератор мощных импульсов тока для питания электрофизических установок в частотном режиме, состоящий из конденсаторной батареи, однофазного синхронного электромашинного генератора и трансформатора, обмотки которых коммутируются тиристорными ключами и работают в кратковременно-ударном режиме.
2. Величина емкости конденсаторной батареи оптимизируется в диапазоне от одного до десяти значений резонансной емкости первичной обмотки накапливающего энергию трансформатора для обеспечения максимальных
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Носов Г.В., Пустынников С.В. Индуктивный генератор импульсов тока для частотного режима питания рельсотрона // Известия Томского политехнического университета. - 2010. -Т. 317. - № 4. - С. 84-89.
2. Асиновский Э.И., Лебедев Е.Ф., Леонтьев А.А. и др. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока / под ред. В.Е. Фортова. - М.: Наука, 2002. - 398 с.
3. Глебов И.А., Кашарский Э.Г., Рутберг Ф.Г. Синхронные генераторы кратковременного и ударного действия. - Л.: Наука, 1985. - 224 с.
4. Лившиц А.Л., Отто М.А. Импульсная электротехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 352 с.
значений мощности и эффективности генератора, а также перехода тока ЭДС через нулевое значение.
3. Наличие конденсаторной батареи с оптимальной емкостью повышает мощность индуктивно-емкостного генератора примерно в 5... 10раз, причем максимальная энергия в батарее до 10 раз меньше максимальной запасаемой энергии в магнитном поле первичной обмотки трансформатора.
4. При длительной работе индуктивно-емкостного генератора частота следования импульсов тока в нагрузке может превышать одну десятую частоты изменения синусоидальной ЭДС элек-тромашинного генератора.
5. Импульсные системы большой мощности / под ред. Э.И. Аси-новского. - М.: Мир, 1981. - 248 с.
6. Индуктивный генератор импульсов тока: пат. на ПМ 87847. Рос. Федерация. № 2009118719/22, заявл. 18.05.09; опубл. 20.10.09, Бюл. № 29. - 4 с.: ил.
7. Индуктивно-емкостный генератор импульсов тока: пат. на ПМ 107652. Рос. Федерация. № 2011112095/08, заявл. 30.03.11; опубл. 20.08.11, Бюл. № 23. - 4 с.: ил.
8. Дьяконов В.П. Ма1Ьсаё 8/2000: Специальный справочник. -СПб.: Питер, 2000. - 592 с.
Поступила 24.10.2011 г.
