RU2210180C2

RU2210180C2 - Way to form high-voltage pulses

Info

Publication number: RU2210180C2
Application number: RU2001130671/09A
Authority: RU
Inventors: Н.М. Верещагин; С.А. Круглов
Original assignee: Рязанская государственная радиотехническая академия
Priority date: 2001-11-12
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2003-08-10

Abstract

FIELD: pulse electronics, high- voltage pulse generators based on inductive energy storage circuits. SUBSTANCE: salient feature of proposed way to form high-voltage pulses consists in use thyratron in the capacity of current breaker. Gas pressure specifying parameter Q = Ap + B is set in advance, then values of voltage of power supply source, inductance of choke and capacitance of capacitor are computed employing relation Q_cr = C•E_psv•(1-cosω•t_br).. There is proposed circuit design of device with grounded load for realization of way. There is suggested another way that differs from above-mentioned way according to which voltage of negative polarity is fed to grid of thyratron at moment of break of discharge. EFFECT: reduced mass and size characteristics of high-voltage pulse generators, decreased voltage of used power supply sources, raised amplitude of generated pulses. 2 cl, 5 dwg

Description

Способ относится к области импульсной электроники, в частности к генераторам высоковольтных импульсов на основе индуктивных накопителей энергии. The method relates to the field of pulsed electronics, in particular to high-voltage pulse generators based on inductive energy storage devices.

Известны генераторы высоковольтных импульсов на основе емкостных накопителей энергии и на основе индуктивных накопителей энергии (ИНЭ) [1]. Принцип работы генераторов на основе емкостных накопителей энергии заключается в передаче энергии, накопленной в емкостном накопителе в нагрузку, подключением накопителя к нагрузке через замыкающий ключ. Энергия в емкости запасается за счет приложенного к ней напряжения. Напряжение на нагрузке равно напряжению накопителя. В ИНЭ энергия запасается за счет протекающего через индуктивность тока при замыкании ключа и предается в нагрузку в момент размыкания ключа. Напряжение на нагрузке определяется ЭДС самоиндукции. Для генераторов с индуктивным накопителем энергии требуются надежные размыкатели тока. Известны различные размыкатели тока: взрывающиеся проводники [1], полупроводниковые [2], газоразрядные [3], и др. Known high-voltage pulse generators based on capacitive energy storage devices and based on inductive energy storage devices (INE) [1]. The principle of operation of generators based on capacitive energy storage devices is to transfer the energy accumulated in the capacitive storage device to the load by connecting the storage device to the load through a closing switch. The energy in the tank is stored due to the voltage applied to it. The voltage at the load is equal to the voltage of the drive. In INE, energy is stored due to the current flowing through the inductance when the key is closed and transferred to the load when the key is opened. The voltage at the load is determined by the EMF of self-induction. Inductive energy storage generators require reliable current breakers. Various current breakers are known: exploding conductors [1], semiconductor [2], gas-discharge [3], and others.

Недостатками известных методов являются:
1. Генераторы на основе емкостных накопителей энергии требуют использования высоковольтных источников питания, что делает их громоздкими.The disadvantages of the known methods are:
1. Generators based on capacitive energy storage devices require the use of high-voltage power supplies, which makes them cumbersome.

2. ИНЭ с взрывающимися проводниками малогабаритны, но имеют одноразовый размыкатель тока и не надежны в работе. 2. INE with exploding conductors are small-sized, but have a disposable current breaker and are not reliable in operation.

3. ИНЭ с полупроводниковыми размыкателями требуют для своей работы применения генератора с емкостным накопителем энергии, что увеличивает их габариты. 3. INE with semiconductor breakers require a generator with a capacitive energy storage for their work, which increases their size.

4. ИНЭ с таситроном в качестве размыкателя имеют ограничения по максимальному напряжению на нагрузке. 4. INE with a tacitron as a disconnector have limitations on the maximum voltage at the load.

Предлагаемый способ формирования импульса напряжения направлен на уменьшение массогабаритных показателей генераторов, снижение напряжения используемых источников питания и повышение амплитуды генерируемых импульсов. The proposed method of generating a voltage pulse is aimed at reducing the overall dimensions of the generators, reducing the voltage of the used power sources and increasing the amplitude of the generated pulses.

Сущность изобретения проиллюстрирована на:
фиг. 1. Зависимость предельного заряда в тиратроне - 1 и предельного заряда в экспериментальном приборе - 2 от давления газа в приборах;
фиг.2. Схема экспериментальной установки;
фиг.3. Осциллограммы тока и напряжения на аноде;
фиг.4. Схема установки с заземленной нагрузкой;
фиг.5. Осциллограммы напряжения на аноде. 1 - без гашения, 2 - с гашением. I=200 A, Uг.в=4,6 В, Rн=1 кОм, L=25 мкГн, С 1=2 мкФ.The invention is illustrated in:
FIG. 1. The dependence of the ultimate charge in the thyratron - 1 and the ultimate charge in the experimental device - 2 on the gas pressure in the devices;
figure 2. The scheme of the experimental setup;
figure 3. Oscillograms of current and voltage at the anode;
figure 4. Installation diagram with grounded load;
figure 5. Oscillograms of voltage at the anode. 1 - without blanking, 2 - with blanking. I = 200 A, U.v = 4.6 V, Rn = 1 kOhm, L = 25 μH, C 1 = 2 μF.

Основной особенностью способа является использование тиратрона в качестве размыкателя тока. Было известно, что в тиратроне может происходить самопроизвольный обрыв тока [4, 5], этот факт и используется для получения контролируемого обрыва тока через тиратрон. The main feature of the method is the use of a thyratron as a current breaker. It was known that a spontaneous current interruption can occur in a thyratron [4, 5], and this fact is used to obtain a controlled current interruption through a thyratron.

Проведенные эксперименты показали, что при заданной геометрии сеточного узла и фиксированном давлении газа в тиратроне, заряд, пересекающий поверхность сетки до момента обрыва, величина - постоянная. Экспериментальные зависимости заряда Q_кр от давления водорода р для тиратрона с накаленным катодом ТГИ2-500/20 (прямая 1) и экспериментального образца тиратрона с холодным катодом (прямая 2) приведены на фиг.1. Из графика зависимостей хорошо видно, что их можно описать уравнением:
Q_кр=Ap+B (1)
где Q_кр [мКл] - критический заряд при прохождении, которого происходит обрыв тока, р [мм рт.ст.] - давление наполняющего газа; А и В - коэффициенты. Для тиратрона ТГИ2-500/20 А=10, В=-0,5, Q_кр=10p-0,5, для экспериментального прибора А=8,2, В=-0,4, Q_кр=8,2p-0,4.The experiments showed that for a given geometry of the grid unit and a fixed gas pressure in the thyratron, the charge crossing the grid surface until the breakage is constant. The experimental dependences of the charge Q _cr on the hydrogen pressure p for a thyratron with a hot cathode TGI2-500 / 20 (line 1) and an experimental sample of a thyratron with a cold cathode (line 2) are shown in Fig. 1. From the dependency graph it is clearly seen that they can be described by the equation:
Q _cr = Ap + B (1)
where Q _cr [mKl] is the critical charge during the passage of which the current is cut off, p [mm Hg] is the pressure of the filling gas; A and B are coefficients. For the thyratron TGI2-500 / 20 A = 10, B = -0.5, Q _{cr =} 10p-0.5, for the experimental device A = 8.2, B = -0.4, Q _cr = 8.2p- 0.4.

Схема генератора высоковольтных импульсов представлена на фиг.2. Запуск тиратрона V осуществляется импульсами положительной полярности, которые подаются со схемы управления СУ. После включения тиратрона от емкости С через накопительную индуктивность L и тиратрон начинает протекать ток. Закон изменения тока синусоидальный и описывается формулой
i=(E_n/ωL)sin(ωt),
где

- собственная частота контура [1/с]; L - накопительная индуктивность [Гн] ; С - емкость конденсатора [Ф]; Е_n - напряжение источника питания [В] . При прохождении тока через отверстия сетки переносится электрический заряд, который можно посчитать:

По достижению зарядом критической величины, которую можно определить по графику фиг.1 либо по формуле 1, происходит обрыв тока в тиратроне. С этого момента ток переключается в нагрузку и на ней формируется импульс напряжения. Если не учитывать потери энергии в тиратроне во время выключения, то амплитуда импульса напряжения на нагрузке определяется по закону Ома
U_m=I_обрR_h,
U_m - амплитуда напряжения на нагрузке [В]; I_обр - амплитуда тока в момент обрыва [А]; R_н - сопротивление нагрузки [Ом].The circuit of the high-voltage pulse generator is shown in Fig.2. The thyratron V is triggered by pulses of positive polarity, which are supplied from the control circuit of the control system. After turning on the thyratron from the capacitance C, a current flows through the storage inductance L and the thyratron. The law of current change is sinusoidal and is described by the formula
i = (E _n / ωL) sin (ωt),
Where

- natural frequency of the circuit [1 / s]; L is the storage inductance [H]; C is the capacitance of the capacitor [F]; E _n is the voltage of the power source [V]. With the passage of current through the holes of the grid, an electric charge is transferred, which can be calculated:

Upon reaching the charge of a critical value, which can be determined by the graph of figure 1 or by formula 1, the current is cut off in the thyratron. From this moment, the current switches to the load and a voltage pulse is formed on it. If you do not take into account the energy loss in the thyratron during shutdown, then the amplitude of the voltage pulse at the load is determined by Ohm's law
U _m = I _arr R _h ,
U _m - the amplitude of the voltage at the load [V]; I _arr - current amplitude at the time of a break [A]; R _n - load resistance [Ohm].

Таким образом, чем больше ток обрыва, тем больше амплитуда импульса напряжения на нагрузке. Осциллограммы тока, протекающего через тиратрон, и напряжения на его аноде, поясняющие работу генератора, приведены на фиг.3. Из чертежа видно, что при увеличении тока, время его протекания уменьшается, а амплитуда напряжения возрастает. Thus, the greater the breakage current, the greater the amplitude of the voltage pulse at the load. Oscillograms of the current flowing through the thyratron, and the voltage at its anode, explaining the operation of the generator, are shown in Fig.3. From the drawing it is seen that with increasing current, the time of its flow decreases, and the voltage amplitude increases.

Используя формулу 2 осуществляют расчет напряжения источника питания, индуктивности дросселя и емкости конденсатора. При расчете индуктивного накопителя энергии исходят из энергии и тока нагрузки, которые задаются заказчиком. Из этих величин определяют накопительную индуктивность

где W - энергия [Дж]; I - ток нагрузки [A]; L - накопительная индуктивность [Гн]. Исходя из закона сохранения энергии

и формулы 2, с учетом того, что обрыв тока происходит в максимуме (Q_кр= СЕ_n (2)), рассчитывают минимальное напряжение источника питания
LI² = Q_крE_n (5)

После чего рассчитывают емкость конденсатора С

В генераторе импульсов использовался тиратрон ТГИ2-500/20 и экспериментальный тиратрон с холодным катодом. В качестве источника питания использовался регулируемый источник постоянного напряжения 0,5-2 кВ. Максимальная амплитуда импульса напряжения для тиратрона ТГИ2-500/20 составила 90 кВ, для экспериментального прибора с холодным катодом 80 кВ. Предельный обрываемый ток составил 850 А для ТГИ2-500/20 и 1000 А для экспериментального прибора с холодным катодом. Рабочее напряжение тиратрона ТГИ2-500/20 в стандартной схеме равно 20 кВ, в схеме с ИНЭ оно достигает 90 Кв. Представленная схема не имеет повышающего трансформатора, в ней применен низковольтный источник питания. Это позволяет значительно снизить массу и габариты генератора при формировании высоковольтных импульсов с мощностью в несколько десятков мегаватт.Using formula 2, the voltage of the power source, the inductance of the inductor and the capacitance of the capacitor are calculated. When calculating an inductive energy storage device, the energy and load current, which are set by the customer, are based on energy. From these values determine the cumulative inductance

where W is the energy [J]; I - load current [A]; L is the storage inductance [GN]. Based on the law of conservation of energy

and formula 2, taking into account that the current break occurs at a maximum (Q _cr = CE _n (2)), calculate the minimum voltage of the power source
LI ² = Q _cr E _n (5)

Then calculate the capacitance of the capacitor C

In the pulse generator, a TGI-2-500 / 20 thyratron and an experimental cold cathode thyratron were used. An adjustable constant voltage source of 0.5-2 kV was used as a power source. The maximum amplitude of the voltage pulse for the thyratron TGI2-500 / 20 was 90 kV, for an experimental device with a cold cathode of 80 kV. The maximum breaking current was 850 A for TGI2-500 / 20 and 1000 A for an experimental device with a cold cathode. The operating voltage of the thyratron TGI2-500 / 20 in the standard circuit is 20 kV, in the circuit with INE it reaches 90 kV. The presented circuit does not have a step-up transformer, it uses a low-voltage power source. This can significantly reduce the mass and dimensions of the generator during the formation of high-voltage pulses with a power of several tens of megawatts.

При включении тиратрона (на стадии накопления энергии в индуктивности) ток протекает через индуктивность, а также может протекать через нагрузку, для устранения этого последовательно с нагрузкой ставится диод, как показано на фиг.2, 4. When you turn on the thyratron (at the stage of energy storage in the inductance), the current flows through the inductance, and can also flow through the load, to eliminate this, a diode is placed in series with the load, as shown in Figs. 2, 4.

Часто требуется подключать нагрузку к общей шине, в этом случае нагрузка одним полюсом подключается к общей шине, а вторым - через конденсатор к аноду тиратрона, как это показано на фиг.4. Принцип работы генератора остается прежним. Often it is required to connect the load to the common bus, in this case the load is connected to the common bus by one pole, and the thyratron anode through the capacitor to the second, as shown in Fig. 4. The principle of operation of the generator remains the same.

Для увеличения стабильности гашения разряда в момент обрыва дуги на сетку тиратрона подавался импульс напряжения отрицательной полярности. В этом случае часть анодного тока в момент обрыва дугового разряда протекала через сетку, что привело к увеличению стабильности обрыва электрической дуги, уменьшению времени выключения тиратрона и к небольшому увеличению амплитуды напряжения на нагрузке. Осциллограммы напряжения на аноде тиратрона для случая самопроизвольного обрыва - 1 и случая дополнительного гашения разряда - 2 приведены на фиг.5. To increase the stability of quenching of the discharge at the time of arc termination, a voltage pulse of negative polarity was applied to the thyratron grid. In this case, a part of the anode current at the time of breaking the arc discharge flowed through the grid, which led to an increase in the stability of the breakdown of the electric arc, a decrease in the turn-off time of the thyratron, and a small increase in the voltage amplitude at the load. The voltage waveforms on the thyratron anode for the case of spontaneous breakage - 1 and the case of additional discharge quenching - 2 are shown in Fig. 5.

Источники информации
1. Месяц Г. А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М., Сов. радио, 1974, 256с.Sources of information
1. Mesyats G. A. Generation of powerful nanosecond pulses. M., Sov. Radio, 1974, 256s.

2. Рукин С.Н. ПТЭ, 1999 г., 4, с. 5. 2. Rukin S.N. PTE, 1999, 4, p. 5.

3. Верещагин Н.М., Крестов В.А., Пшеничников В.И. Электронная техника, 1976 г., серия 4, вып. 3, с. 122. 3. Vereshchagin N.M., Krestov V.A., Pshenichnikov V.I. Electronic Engineering, 1976, Series 4, no. 3, p. 122.

4. Фогельсон Т.Б. и др. Импульсные водородные тиратроны. М., Сов. радио, 1974 г. 4. Vogelson T.B. et al. Pulse hydrogen thyratrons. M., Sov. radio, 1974

5. Анитов Н.М. Диссертация, Рязань, РРТИ, 1973 г., с. 31. 5. Anitov N.M. The dissertation, Ryazan, RRTI, 1973, p. 31.

Claims

1. The method of generating high-voltage voltage pulses, which consists in applying from a capacitor connected to a power source, through the storage inductance, in parallel with which a load is connected, to the thyratron anode of positive voltage and pulse of positive polarity to the control grid, characterized in that the gas pressure is set, which sets parameter Q _cr = Ap + B, where Q _cr - limiting the charge that has passed through the mesh opening, wherein the current interruption occurs in thyratron and forming high-voltage pulse a load p - pressure of the gas A and B - the coefficients specific to each switch, then the calculated value of the power supply voltage, choke inductance and capacitance of the capacitor using the relation Q _cr = C • E _n • (1-cosω • t _arr) , C is the capacitance of the capacitor, E _n is the voltage of the power source,

is the natural frequency of the oscillations of the circuit, L is the value of the storage inductance, t _arr is the time of the current break.

2. The method of generating high voltage voltage pulses according to claim 1, characterized in that the load and inductance are connected to the ground by one pole.

3. The method of generating high-voltage voltage pulses according to claim 1, characterized in that, at the time of the break of the discharge, a voltage pulse of negative polarity is supplied to the thyratron grid.