Self-triggering circuit for a pulse thyratron switch in a pulse voltage generator.pdf Введение В большом количестве электроразрядных технологий основным рабочим инструментом выступает канал электрического разряда в жидкой и твердой среде [1]. Примерами таких технологий являются электроимпульсное бурение [2], разрушение твердых горных пород и бетона [3], обогащение руд [4, 5], разупрочнение и дезинтеграция поверхностного слоя бетонных оснований [6] и т.д. Промышленная реализация таких технологий требует наличия генератора высоковольтных импульсов, которые являются наиболее сложным узлом технологического оборудования. Чаще всего к генераторам с выходным напряжением 250-500 кВ и энергией импульса более 500 Дж предъявляются такие требования, как высокая частота следования импульсов (20 и более импульсов в секунду), короткая длительность фронта (менее 100 нс) и высокая скорость нарастания напряжения (более 1012 В/с), высокое значение тока в разряде (десятки килоампер), низкий импеданс (единицы - десятки Ом) [7-9]. Также важным параметром, определяющим экономическую целесообразность технологии, является ресурс генератора, который должен составлять не менее 106 импульсов, а лучше - значительно его превосходить [10, 11]. На практике генераторы с такими характеристиками строятся чаще всего по двум схемам - схеме Маркса или на базе импульсного трансформатора [2, 4, 7, 12]. Схема Маркса известна своей простотой и надежностью. Ее недостаток заключается в относительно большой длине выходного контура, который должен охватывать все емкостные накопители и разрядники, которых, в зависимости от количества ступеней генератора, может быть около десяти или более. В результате выходной контур генератора получается физически протяженным, что увеличивает его эквивалентную выходную индуктивность. Такое конструктивное ограничение не позволяет развивать длительность фронта и скорость нарастания выходного напряжения выше определенного предела. Преодоление этого ограничения возможно при использовании импульсного генератора на базе импульсного трансформатора. За основу наших исследований был взят генератор EG350, построенный по такой схеме [7, 13]. Этот генератор разрабатывался для электроимпульсного разрушения поверхностного слоя бетона. В качестве коммутатора в этом генераторе изначально использовался многозазорный газонаполненный разрядник с системой выравнивания токов. Разрядник состоял из восьми параллельно включаемых промежутков, что было призвано разделить ток срабатывания генератора между ними. Это позволяет снизить ток через единичный промежуток и, следовательно, снизить эрозию электродов и увеличить ресурс генератора. Вместе с тем для надежной одновременной коммутации всех восьми промежутков подобные разрядники предъявляют достаточно жесткие требования к параметрам запускающего импульса, в частности, ко времени фронта и энергии импульса. Это, в свою очередь, усложняет и удорожает схему запуска. Из опыта эксплуатации данного генератора выяснилось, что с имеющейся схемой запуска происходило ненадежное срабатывание разрядника. Из восьми промежутков чаще других срабатывало два-три. Вследствие повышенного тока и повышенной эрозии электродов через несколько десятков тысяч импульсов происходило изменение свойств разрядника, что приводило к изменению напряжения срабатывания, а также снижало ресурс генератора. В связи с этим нами было принято решение заменить многозазорный разрядник на серийно выпускаемый прибор с подходящими характеристиками. Из имеющихся на рынке мы выбрали тиратрон ТДИ4-200к/50СН [14]. При этом схема запуска многоискрового разрядника была перемещена непосредственно к тиратрону и адаптирована для организации его самозапуска. В настоящей работе дается описание схемы самозапуска тиратрона ТДИ4-200к/50СН, работающего в составе генератора импульсных напряжений EG350 на основе импульсного трансформатора. Приводятся схема и алгоритм работы генератора и схемы самозапуска, результаты испытаний, а также обсуждение и выводы. Схема генератора импульсов и устройство схемы самозапуска Схема генератора высоковольтных импульсов изображена на рис. 1. Рис. 1. Схема генератора высоковольтных импульсов: VS1 - тиристор ТБИ 253-1000-36; VS2 - тиратрон ТДИ4-200к/50СН; STC - схема самозапуска; Tr1 - импульсный повышающий трансформатор; Tr2 - пик-трансформатор; Tr3 - импульсный повышающий автотрансформатор; VD1 - лавинный диод ДЛ112-10-10; R* - токоограничивающий резистор; С1 - накопитель первой ступени; С2 - накопитель второй ступени; Rн - сопротивление нагрузки Генератор работает следующим образом. При подаче на вход напряжения в диапазоне 1-2 кВ конденсатор C1 заряжается через первичную обмотку трансформатора Tr1 до напряжения, равного входному. При этом происходит размагничивание сердечника трансформатора Tr1 от остаточной намагниченности, полученной в предыдущем периоде работы схемы. В некоторый момент на тиристор VS1 от схемы управления поступает запускающий импульс. Частота срабатывания тиристора определяет частоту следования импульсов напряжения на выходе генератора. В результате срабатывания тиристора конденсатор C1 разряжается на первичную обмотку трансформатора Tr1. Напряжение вторичной обмотки трансформатора Tr1 начинает заряжать конденсатор C2 через первичную обмотку высоковольтного автотрансформатора Tr3 и обмотку трансформатора с насыщающимся сердечником (пик-трансформатора) Tr2. Трансформатор Tr1 является повышающим с соотношением витков обмоток 1:16, в результате чего максимальное напряжение на C2 в 16 раз превышает максимальное напряжение на С1. Значение емкости С1 составляет 360 мкФ, а значение емкости С2 равно 1 мкФ. Такое соотношение обусловлено тем, что при 16-кратном превышении напряжения конденсатор C2 запасет примерно такое же количество энергии, что и C1. Перетекание запасенной энергии из C1 в C2 через Tr1 происходит по гармоническому закону вследствие индуктивности трансформатора и соединительных проводников. Переходный процесс заряда вторичного накопителя энергии C2 при напряжении заряда первичного накопителя C1 1.5 кВ показан на рис. 2. Рис. 2. Переходный процесс заряда вторичного накопителя энергии C2 при напряжении на первичном накопителе C1 1.5 кВ (выход пик-трансформатора Tr2 нагружен на сопротивление 15 кОм): UC2 - напряжение на конденсаторе C2; IC2 - ток в цепи заряда конденсатора С2; Utrig - напряжение на вторичной обмотке пик-трансформатора Tr2 без подключенного диода VD1 (прерывистая линия); Utrig(VD1) - напряжение на вторичной обмотке пик-трансформатора Tr2 c подключенным диодом VD1 (сплошная линия) Пик-трансформатор Tr2 выполнен на магнитопроводе ГМ440А типоразмера ОЛ50/100-25 с полимерным покрытием. Первичная обмотка содержит 7 витков провода МГТФ-0.12, вторичная обмотка - 25 витков того же провода. Пик-трансформатор Tr2 спроектирован таким образом, чтобы в момент окончания заряда емкости С2 и перехода зарядного тока через нуль на вторичной обмотке Tr2 формировался импульс напряжения отрицательной полярности в пределах от 4 до 10 кВ, длительностью от 2 до 5 мкс. Параметры импульса запуска взяты из паспорта на тиратрон. В момент начала зарядного импульса на вторичной обмотке Tr2 также формируется импульс напряжения положительной полярности (рис. 2, прерывистая линия Utrig). Данный импульс в этой схеме является паразитным и подавляется с помощью одновитковой обмотки с включенным последовательно лавинным диодом VD1 (рис. 2, сплошная линия Utrig(VD1)). В этом случае амплитуда запускающего импульса, снимаемого со вторичной обмотки Tr2, становится немного выше, а его длительность уменьшается за счет смещения фронта импульса дальше по времени примерно на 1.5 мкс. Появление такой задержки связано с временем обратного восстановления диода VD1 и в общем случае является нежелательным эффектом. Однако, принимая во внимание длительность переходного процесса заряда емкости C2, подобными задержками здесь можно пренебречь. Момент времени, когда напряжение на емкости C2 достигает максимального значения, является идеальным для дальнейшей передачи энергии, поскольку в этот момент энергия, которая была запасена в C1, полностью переместилась в накопитель C2. Характерным является то, что в этот момент ток в контуре между накопителями переходит через нуль. Как уже было сказано ранее, вследствие этого на вторичной обмотке пик-трансформатора Tr2 формируется импульс напряжения, вызванный резким перемагничиванием сердечника. Этот импульс через токоограничивающий резистор R* поступает на управляющий вход тиратрона, что вызывает его срабатывание. Запуск тиратрона вызывает разряд емкостного накопителя C2 на первичный виток высоковольтного импульсного автотрансформатора Tr3 и формирование на его вторичной обмотке выходного импульса напряжения. На рис. 3 представлен переходный процесс формирования на выходе генератора EG350 импульса напряжения на нагрузку 60 Ом при напряжении заряда первичного накопителя С1 2.0 кВ. Рис. 3. Переходный процесс формирования выходного импульса напряжения на активную нагрузку Rн 60 Ом при напряжении на первичном накопителе C1 2.0 кВ: Uanod - напряжение на аноде тиратрона VS2; Uout - напряжение на выходе генератора EG350, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора Tr3; Utrig - напряжение на вторичной обмотке пик-трансформатора: прерывистая линия - форма напряжения на вторичной обмотке пик-трансформатора Tr2, нагруженной на сопротивление 15 кОм; сплошная линия - форма напряжения на вторичной обмотке пик-трансформатора Tr2 в штатном режиме, нагруженной на управляющий электрод тиратрона VS2 Конструктивно рассматриваемый высоковольтный импульсный генератор выполнен в цилиндрическом корпусе. Накопитель C1, тиристор VS1 и трансформатор Tr1 расположены в отдельном блоке. В верхней части конструкции расположены тиратрон и пик-трансформатор Tr2. Внутри конструкции генератора расположен накопитель C2, образованный параллельно соединенными цилиндрическими конденсаторами. Выводы одной полярности соединены с тиратроном, а выводы другой полярности - с импульсным трансформатором. Высоковольтный автотрансформатор выполнен на магнитопроводе из пермаллоя. Один первичный виток образован цилиндрическим корпусом генератора и цилиндром, проходящим сквозь окно магнитопровода. Вторичная обмотка выполнена из шести секторных обмоток, радиально расположенных вокруг магнитопровода. Секторные обмотки намотаны по спирали медной лентой и включены по схеме автотрансформатора по отношению к первичному витку. Подробно схема и устройство генератора описаны в [13]. Экспериментальные исследования задержки включения тиратрона Применение схемы самозапуска в составе данного генератора позволяет обеспечить автоматическое включение силового ключа при максимально эффективном использовании энергии, запасенной в первичном накопителе. При этом сохраняется управляемость генератора, так как частота работы определяется частотой запуска тиристора. Применение пик-трансформатора для управления запуском тиратрона имеет свои особенности. Превышение напряжения или тока на входе управления может привести к выходу из строя звена управления внутри тиратрона, а недостаточная амплитуда импульса управления может привести к неравномерному распределению тока по площади силовых электродов, что приведет к преждевременному исчерпанию ресурса тиратрона. Поиск баланса заключается в определении подходящего ферромагнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса и оптимальной площади сердечника пик-трансформатора, а также определении подходящего количества витков его обмоток и подборе сопротивления токоограничивающего резистора. Рис. 4. Осциллограммы задержки включения и разброса времени включения тиратрона VS2 при формировании выходного импульса напряжения на активную нагрузку Rн 100 Ом: а) UC1 - 1.0 кВ; б) UC1 - 1.5 кВ; в) UC1 - 2.0 кВ; Uout - напряжение на выходе генератора EG350, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора Tr3; Utrig - напряжение на управляющем электроде тиратрона VS2 Основным фактором, который может ограничивать возможность применения такой схемы самозапуска, является стохастический разброс момента срабатывания тиратрона по отношению к моменту перехода через нуль зарядного тока. Чтобы оценить величину этого разброса, были зарегистрированы серии запусков при разной величине зарядного напряжения. Предельный диапазон работы генератора импульсов EG350 находится в диапазоне зарядного напряжения первичного накопителя С1 0.8-2.2 кВ, что соответствует энергии выходного импульса 100-870 Дж и выходному напряжению от 130 до 350 кВ. Рабочий режим ограничен диапазоном напряжений на С1 от 1 до 2 кВ. На рис. 4 приведены осциллограммы задержки включения и разброса времени включения тиратрона VS2 при формировании выходного импульса напряжения на активную нагрузку 100 Ом при напряжениях на C1 равных 1, 1.5 и 2 кВ. Завершение процесса перетекания заряда из первичного накопителя во вторичный вызывает формирование импульса Utrig на выходе пик-трансформатора. Когда напряжение этого импульса становится достаточным для включения тиратрона, генератор срабатывает и на выходе формируется импульс напряжения. Временной интервал между началом формирования импульса Utrig и появлением выходного импульса составляет 0.6-1.6 мкс (рис. 4). Длительность интервала задержки срабатывания, а также разброс этого интервала зависят от напряжения заряда первичного накопителя. При более высоком напряжении снижается как абсолютная величина задержки, так и разброс относительно среднего значения. Результаты и их обсуждение В настоящее время предложено большое количество электроимпульсных технологий, использующих искровой разряд напряжением в сотни киловольт с энергией в сотни - тысячи джоулей. К этим технологиям относятся электроимпульсное бурение, дробление, разрушение, снятие поверхностного слоя бетона и пр. При наличии широкой сферы применения и большого их потенциала эти технологии пока не обрели широкого применения. Одной из причин является невысокий ресурс генераторов по количеству выходных импульсов. Наиболее уязвимой частью высоковольтных генераторов является коммутатор. Значительная величина импульсного тока, протекающего через коммутатор, приводит к его постепенной деградации. В результате изменяются такие характеристики, как пробивное напряжение, вероятность преждевременного срабатывания, задержка включения и т.д. Как следствие, после формирования определенного количества импульсов нарушается стабильная работа генератора и возникает необходимость замены либо обслуживания коммутатора. Наиболее часто для высоковольтных генераторов применяются искровые газовые разрядники, заполненные сжатым инертным газом, либо псевдоискровые разрядники. В описанном генераторе была произведена замена индивидуально изготавливаемого многоискрового газового разрядника на серийно выпускаемый тиратрон. Преимущество этого решения в том, что использование серийного коммутатора позволяет в случае исчерпания ресурса и выхода его из строя в кратчайшие сроки восстановить работоспособность генератора, при этом его характеристики не изменятся. Примененный тиратрон мгновенной готовности позволяет включить генератор в работу без предварительного нагрева катода. При правильной эксплуатации тиратрон может выдержать более 107 срабатываний [14]. Испытанная схема показала хорошую стабильность работы и высокую надежность. Самозапуск тиратрона происходит с некоторой задержкой после перехода зарядного тока через нуль. При неизменном зарядном напряжении разброс времени срабатывания составляет до 600 нс и уменьшается с увеличением значения зарядного напряжения. Время заряда вторичного накопителя данного генератора составляет около 85 мкс (см. рис. 2), поэтому влияние полученного разброса времени срабатывания на выходной импульс напряжения является малозначительным и в большинстве применений им можно пренебречь. Заключение Описанная схема самозапуска тиратрона, работающего в составе генератора импульсных напряжений, показала стабильную работу и надежность запуска в широком диапазоне зарядных напряжений. При используемых временных параметрах импульса напряжения заряда основного накопителя энергии задержка времени срабатывания и разброс времени срабатывания тиратрона не превышают 1.6 и 0.6 мкс соответственно и в данном случае несущественны, коммутация всегда происходит в максимуме напряжения на основной емкости. Это позволяет обеспечить стабильность характеристик выходного импульса напряжения. Схема самозапуска компактна, надежна, размещается в непосредственной близости от тиратрона, не требует внешнего питания и содержит всего три компонента.

Скачать электронную версию публикации