Импульсный источник питания для создания ускоряющего электрического поля в мощных электрофизических установках Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.314

Копелович Е.А. , Ваняев В.В. , Хватов С.В

1

2

.2

ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ УСКОРЯЮЩЕГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ УСТАНОВКАХ

Института прикладной физики РАН (Н. Новгород)1, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

2

Приведено описание принципа действия высоковольтного импульсного источника питания, предназначенного для создания ускоряющего электрического поля в электрофизических установках на базе СВЧ приборов. Отличительной особенностью источника является уменьшенная энергоемкость входящих в него накопительных конденсаторов. Получены выражения для расчета параметров компонентов источника питания и приведены результаты его имитационного моделирования.

Ключевые слова: импульс, моделирование, энергоемкость, напряжение, тиристор.

Для решения ряда важных задач научного и прикладного значения, в частности, в области электротехнологий и физики ионных пучков используются электрофизические установки на базе различных типов мощных СВЧ-приборов (гиротронов, магнетронов и др.) [1, 2]. Принцип их действия основан на взаимодействии с электромагнитной волной пучка электронов, которые ускоряются в электрическом поле и фокусируются в магнитном поле. Характерным для мощных электрофизических установок данных приложений является импульсно-периодический режим генерации электромагнитного излучения со скважностью >10.

Наиболее энергоемкими элементами систем электропитания мощных СВЧ -приборов являются генераторы высоковольтных импульсов напряжения (ГИН), с помощью которых формируется ускоряющее электрическое поле на интервале генерации электромагнитного излучения. Особо актуальным является создание ГИН с накопительными конденсаторами (НК), способных формировать на СВЧ-приборе прямоугольные импульсы напряжения амплитудой в десятки киловатт, длительностью в сотни микросекунд - единицы миллисекунд с неравномерностью вершины импульса напряжения менее 1%. При этом ток нагрузки составляет единицы - десятки ампер. В результате, при средней мощности (103.. ,105) Вт мощность импульса в нагрузке равна (1.10) МВт. В связи с этим актуальными становятся вопросы повышения энергетических характеристик ГИН (энергоемкость, КПД).

Наиболее применяемый в настоящее время вариант построения ГИН основан на формировании прямоугольного импульса напряжения на нагрузке при частичном разряде НК через включенный последовательно с нагрузкой полностью управляемый (например транзисторный) коммутатор (рис. 1) [3].

В этом случае при формировании импульсов напряжения миллисекундного диапазона с малой неравномерностью вершины энергия, запасаемая в НК, во много раз превышает энергию, передаваемую в нагрузку на интервале импульса.

Для НК в схеме рис. 1 емкость С и запасаемая в ней энергия ЖНК определяются выражениями:

тах

(1)

© Копелович Е.А., Ваняев В.В., Хватов С.В., 2010.

Коммутатор

Зарядное устройство

+

Сн

где Ян - эквивалентное сопротивление нагрузки; Ти - длительность формируемого импульса; Жи - энергия импульса; и™^ - максимальное значение напряжения нагрузки; Аи - снижение напряжения нагрузки на интервале Ти .Поэтому, например, при характерном для мощных СВЧ-приборов значении Аи/и тах 5 < 0,01, в соответствии с выражением (2), запасаемая в НК энергия более чем в 50 раз больше энергии импульса. Это требует использования в ГИН миллисекундного диапазона сложных, громоздких и дорогих емкостных накопителей энергии.

Для снижения энергоемкости НК в предлагаемый ГИН (рис. 2, а) между НК и транзисторным коммутатором УТ введен многозвенный резистивный токоформирующий элемент (РТФЭ), содержащий N звеньев с тиристорами УБ1...VSN-1 и резисторами R2... RN. РТФЭ позволяет путем уменьшения вводимого последовательно с нагрузкой добавочного сопротивления поддерживать величину напряжения на нагрузке неизменной в пределах заданной нестабильности [4].

Принцип работы такого ГИН при N = 6 поясняется диаграммами (рис. 2, б).

На интервале формирования выходного импульса напряжения в работе ГИН можно выделить N интервалов непрерывности, соответствующих включенному состоянию транзисторного коммутатора УТ и тиристоров УS1...УSN-1.

После зарядки НК от зарядного устройства (на рис. 2 не показано) до заданного начального уровня напряжения и 01 система управления отпирает УТ и

далее поочередно с заданной временной задержкой включает тиристоры РТФЭ. При этом конденсатор С разряжается на нагрузку Rн через резисторы R2...RN звеньев, общее сопротивление которых по мере формирования импульса уменьшается. В результате напряжение нагрузки изменяется между максимальными и минимальными значениями (рис. 2, б).

На произвольном ] -м интервале работы ГИН, когда открыты тиристоры 1-го, 2-го, 3-го, ... ]-1-го звеньев РТФЭ, напряжение НК определяется из формулы

а)

u

7max

U

min

T

A U

t

и

б)

Рис. 1. Принцип построения ГИН с частичным разрядом НК:

а - схема ГИН, б - выходное напряжение

Í

U :

U

0 j

Л

1 --

RjC у

(3)

t

где и о j, Rj - начальное напряжение НК и активное сопротивление силового контура на ]-м

интервале соответственно.

Максимальное значение напряжения нагрузки на]-м интервале

и нпах = ^ иоj. (4)

О

л™ л

РТФЭ

а)

п

а б в г

д. е

и

и"

VI

Т]

Ти

А Т

ат

N-1

б)

Рис. 2. Генератор импульсов напряжения с РТФЭ:

а - принципиальная схема; б - алгоритм работы; и - напряжение на нагрузке; а - сигнал управления транзисторным коммутатором УТ; б, в, г, д, е - сигналы управления тиристорами УБ1...УБ N-1 соответственно

Минимальное значение напряжения нагрузки на этом интервале, в соответствии с выражениями (3) и (4), определяется выражением

гттт _ тттах н ] - и н ]

Г Т ] ^

1--}—

, К С

V ] )

(5)

где т] - длительностьу-го интервала.

Из выражения (3) с учетом (5) находим связь между значениями начальных напряжений НК на у и у+1-м интервалах работы РТФЭ:

(

и 0 ] +1 - и 0 ]

Л

1 --

КС

]

- и

0]

( тттт \

и н ]

гтшах

V и н ] )

(6)

Из выражения (6) с учетом (4) находим соотношение между сопротивлениями силового контура на рассматриваемых интервалах

( хтшш Л

К] +1 - К]

и

н J

и шах

V н ] )

(7)

Для получения наименьших пульсаций выходного напряжения ГИН необходимо, чтобы минимальные и максимальные напряжения на нагрузке на интервалах РТФЭ оставались неизменными, т.е.

гтт ТТтт ттшах ттшах

и^ - ин11Ш, ишах - ин

При выполнении этих условий из выражения (7) следует система соотношений

г

УБк-1

+

С

Т

^ = ^

( тутт ^ и н гтшах

V и н у

= ъи**),

Rз = R2(uH) = Rl(иУ ,

R¡ = Rf-1(иН) = ^(иН)'-1,

(9)

^ = ЩиН)N 1 = ^ .

*

где ин - относительная величина минимального значения напряжения нагрузки, характеризующая величину пульсаций выходного напряжения на вершине импульса.

Из последнего выражения системы (9) определяем исходное значение сопротивления силовой цепи Rl при выключенных тиристорах РТФЭ

(10)

^ = Rн (ин)1-N.

Общие сопротивления регулятора при включенных тиристорах у и /+1 ступеней РТФЭ определяются по формулам:

^0) = - Rн, +1) = ^+1 -^.

При переходе на у+1 ступень включают (/+1)-й шунтирующий резистор, сопротивление которого Яш(у) находят из формулы

или

+1) ^('+1)

„ _ +1 -Rн -К) '+1) = „ „ ^ - ^+1

(11)

Решая совместно (9), (10) и (11), получаем выражение для расчета сопротивления у +1-го шунтирующего резистора РТФЭ

1 1 - (ин)N-11| 1 - (ин)N|

к

иУ- N+11

ш('+1)

1 - и*

Из выражения (5) с учетом равенств (8), (9) определяем длительность у-го интервала

импульса т' = ЯнС(1 - иУиУ- N.

Задержка отпирания к-го тиристора относительно момента начала формирования выходного импульса

п=к

п=к г -.

АТк = ^ тп = Янс(1 - ин)Е (UH)n-N = RнC(UH)1-N [ 1 - (иУ |

п=1 п=1

где к = 1...^ -1).

Длительность формируемого импульса равна

'=N j=N

Ти = Ет' = КС(1 - ин) Е (ин)'-N = ЯнС[ (UH)1-N - и*|. '=1 '=1

В ГИН без РТФЭ длительность формируемого импульса рассчитываем из уравнения (5):

Ти1 = RнCl(1 - и^), (14)

где С1 - величина емкости НК схемы без РТФЭ.

(12)

(13)

1

1

1

Из выражений (13) и (14) определяем соотношение между емкостями НК сопоставляемых ГИН при формировании импульса с одинаковыми параметрами и при одном и том же сопротивлении нагрузки

*

1 - и

_ н_

с- (ин)1-- -инС1.

Энергоемкость НК генератора с РТФЭ при учете выражений (4) и (10) будет

г -си0_- (ин)2(1--) Ти(ин)2 с 2 (ин)1-- - ин 2КН ,

^ушт ^ушах

где ин - н 2 н - среднее значение напряжения нагрузки на ингервале формирУемого

импульса.

Энергоемкость ГИН без РТФЭ с учетом (4) и (14) определяется по формуле

Г, -

си2_ 1 Ти (ин )2

С1 2 1 - иН 2Кн .

Из полученных выражений находим соотношение энергоемкостей НК сравниваемых устройств

(1 -ин)(иу-" г .

с 1 - (и*)" С1

На интервале формирования выходного импульса напряжение НК уменьшается. Относительное снижение напряжения НК в ГИН с РТФЭ рассчитывается по уравнению

* * * * Т

Аи - 1 - ин, а в схеме без РТФЭ в соответствии с выражением (14): Аи* - 1 - ин1 - ——.

КнС1

При одинаковых параметрах силовой цепи и длительности импульсов соотношение падений напряжения НК в рассматриваемых вариантах ГИН равно

Аи * 1-и*

_ _ н_

Аи* - (и*)1-- - ин .

При формировании импульса напряжения в нагрузке в РТФЭ выделяются потери энергии, величина которых при малых пульсациях тока и напряжения нагрузки равна

Т

Ти тт т

АГ- |и 4 • и2 , (15) 0 К

где и, 4 - мгновенные значения напряжения РТФЭ и тока нагрузки соответственно; и2 -

среднее значение падения напряжения на РТФЭ. Величина и2 при указанных условиях определяется по уравнению

Аис-ЦА, 06)

2 2 2К<с '

где АЦс - приращение напряжения НК на интервале Ти .

Из выражений (15), (16) с учетом (13) находим относительное значение потерь энергии

дГ= = (и*)1"- - ин

Гн 2Япс 2 .

Коэффициент полезного действия ГИТ рассчитывается по формуле

_ 1 _ 2 п = 1+Аж* ~ '

На рис. 3 приведены осциллограммы работы ГИН при отсутствии и наличии РТФЭ, полученные на имитационного моделях этих устройств в среде Matlab Simulink при следующих па*

раметрах ГИН: Ян = 1,25 кОм; и01 = 55 кВ; ин = 50 кВ; Ти = 13 мс; Аи = 0,01; N = 10. Моменты отпирания тиристоров РТФЭ рассчитаны в соответствии с выражением (12).

кВ u1

55 53

51

49

47 45

кВ и 2 5

4

0.01

0.02

0.03 с

кВ и 51

50

49

48

0 0.01 0.02 0.03 с

Рис. 3. Осциллограммы работы ГИН:

ul - выходное напряжение ГИН без РТФЭ; u - выходное напряжение ГИН с РТФЭ; U2 - падение напряжения на РТФЭ

0.01

0.02

0.03 с

t

t

0

3

t

0

Выводы

1. Применение ГИН с РТФЭ дает возможность значительно уменьшить емкость НК и

*

величину накапливаемой в нем энергии. Так, при значениях Аи = 0,01 и N = 10 требуемое

значение емкости ГИН равно С « 0,095 С1 при формировании импульса с одинаковыми параметрами и одном и том же сопротивлении нагрузки.

2. Уменьшение энергоемкости ГИН с РТФЭ позволяет уменьшить негативные последствия аварийных режимов, связанных с возможностью полного разряда НК на нагрузку при выходе из строя высоковольтного транзисторного ключа.

3. Введение РТФЭ в ГИН незначительно увеличивает потери в устройстве. Так, при указанных значениях параметров величина КПД генератора составляет 95%.

4. Полученные аналитические выражения, позволяющие рассчитывать величины сопротивлений шунтирующих резисторов и моменты отпирания тиристоров, служат основой разработки инженерной методики проектирования силовой части и системы управления ГИН с РТФЭ.

Библиографический список

1. Копелович, Е.А. Концепция построения высоковольтных источников питания для мощных электрофизических установок // Актуальные проблемы электроэнергетики: труды НГТУ. -Н.Новгород, 2009. Т. 77. С. 32-36.

2. Кириенко, В.П. Преобразовательные устройства для систем электропитания импульсных нагрузок / В.П. Кириенко, Е.А. Копелович, В.Ф. Стрелков // Материалы Всемирного электротехнического конгресса, ВЭЛК-2005. - М., 2005.

3. Solid state modulator application in linear accelerators / M.P.J. Gaudreau [at al.] // Proceedings of the 1999 Particle Accelerator Conference, New York, 1999. Р. 1491-1493.

4. Патент на полезную модель № 90949 РФ, МПК H 03 K 3/53. Генератор импульсных напряжений / Ваняев В.В., Копелович Е.А. Опубл. 20.01.2010.

Дата поступления в редакцию 12.03.2010

E.A. Kopelovich, V.V. Vanyaev, S.V. Hvatov

PULSE POWER SUPPLY FOR CREATION THE ACCELERATING ELECTRIC FIELD IN THE POWER ELECTRO PHYSICAL INSTALLATIONS

This paper presents new high voltage power supply with pulse output voltage for creation the accelerating electric field in the electro physical installations based on the different high power vacuum electron devices. Distinctive feature of the power supply is reduced power intensity of the storage capacitors entering into it. Expressions for calculation of the power supply components parameters are developed and results of the power supply imitating modeling are reported.

Key words: pulse, modeling, power intensity, voltage, thyristor.