МАЛОГАБАРИТНЫМ АВТОНОМНЫЙ ИМПУЛЬСНО-ЧАСТОТНЫИ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ

January 18, 2013 by admin Комментировать »

Безруков М. Ю., Горбачев К. В., Исаенков Ю. И., Нестеров Е. В., Михайлов В. М., Петров В. Ю., Плаксина С. Д., Рощупкин С. А., Семенов Ю. В., Строганов В. А. Институт теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур РАН Ижорская 13/19, Москва, 125412, Россия Тел.:(095)484-18-77, e-mail: nst@ihed.ras.ru

Аннотация – В докладе описан компактный генератор электромагнитных импульсов на основе источника высокого напряжения до 320 кВ с регулируемой частотой следования импульсов от однократных режимов до 40 Гц. В качестве нагрузки использован излучатель типа вибратора Герца.

I.                                       Введение

Для различных приложений, в частности, для исследования проблем электромагнитной совместимости, требуются компактные автономные источники электромагнитных импульсов, работающие в однократных и частотных режимах. В данной работе представлены результаты разработки и испытаний такого источника, базирующегося на вьюоковольтном импульсном трансформаторе с регулируемым напряжением до 320 кВ и с регулируемой частотой следования импульсов от однократных режимов до 40 Гц. В качестве нагрузки трансформатора использован дипольный излучатель типа вибратора Герца. Данная работа была выполнена в развитие результатов, полученных в [1].

II.                Схема и описание установки

Структурная схема автономного импульсночастотного источника показана на рис.1. В данной схеме имеются две ступени преобразования напряжения. В первой ступени использован двухтактный преобразователь, питающийся от аккумуляторной батареи с электроемкостью 2,3 А ч. Первичная двухсекционная обмотка трансформатора преобразователя, собранного на феррите и коммутируется транзисторами MOSFET. Транзисторы управляются блоком электроники, частота коммутации 15 кГц. Выход преобразователя после выпрямителя (на схеме не показан) нагружен на емкостной накопитель, который после достижения заданного уровня напряжения на нем в пределах 5-10 кВ коммутируется на первичную обмотку резонансного трансформатора управляемым разрядником.

Рис. 1. Структурная схема автономного импульсно-частотного источника.

Fig. 1. Structure chart of autonomous pulse-repetitive source

Емкостной накопитель имеет емкость 66,1 нФ и собран из конденсаторов типа КВИ-3, которые обладают лучшими частотными свойствами из доступных нам конденсаторов.

Уровень напряжения на емкостном накопителе стабилизируется блоком электроники, получающим сигнал по цепи обратной связи, образованной высокоомным резистором R. После достижения заданного уровня напряжения блок электроники вырабатывает сигнал запуска разрядника (тф = 0,5 мкс, Umax =

7  кВ) с регулируемой задержкой во времени, чем обеспечивается регулирование частоты следования импульсов.

Максимальная частота следования импульсов определяется скоростью зарядки емкостного накопителя, которая, в свою очередь, определяется мощностью, развиваемой аккумуляторной батареей, мощностью и кпд преобразователя. В нашем случае при выбранных параметрах аккумуляторов и преобразователя максимальная частота следования составляла 40 Гц, при этом средняя мощность была 132 Вт.

Для облегчения условий деионизации зазора искрового разрядника блок электроники обеспечивал безтоковую паузу ~ 1 мс между двумя последовательными импульсами зарядного напряжения.

Вторая ступень преобразователя напряжения от 10 кВ до 300 кВ выполнена на основе резонансного трансформатора, коэффициент связи между первичной и вторичной обмотками которого близок к 0,6.

При расчете и конструировании трансформатора были учтены паразитные емкости между первичной и вторичной обмотками, паразитные индуктивности первичного контура, вкпючая индуктивность емкостного накопителя. В качестве основной изоляции использовалось трансформаторное масло.

Рис. 2. Общий вид.

Fig. 2. Appearance of the device

Форма выходного напряжения отличается от классической формы напряжения трансформатора Тесла [1] при коэффициенте связи обмоток, равном 0,6. Это отличие объясняется более вьюоким коэффициентом связи, полученном в реальной конструкции. При этом характеристика передачи энергии трансформатором несколько ухудшается, и в данном случае она составила 0,78.

Запуск схемы осуществляется с пульта дистанционного управления через оптический кабель длиной до 50 м.

На рис.2 показан внешний вид устройства, в состав которого ВХОДИТ излучающее устройство. Габаритные размеры: диаметр изоляционной трубы 160 мм, полная высота 670 мм. Без нагрузочного устройства высота высоковольтного трансформатора составляет 320 мм.

III.                 Результаты экспериментов

На данной стадии работы в качестве нагрузки трансформатора использовался излучатель типа вибратора Герца, подключенный через обостряющий газонаполненный разрядник высокого давления. Уровень срабатывания разрядника 250 кВ ±10%. Осциллограммы напряженности электрического поля на расстоянии 10 м от устройства показаны на рис.З. Величина напряженности поля на 9 м от источника составила 9 кВ/м. На этой же осциллограмме представлен спектр излучения.

Рис. 3. Осциллограммы напряженности электрического поля (верхний луч) и спектра излучения (нижний луч).

Fig. 3. Waveforms of electric field intensity (upper curve) and radiation spectrum (lower curve)

IV.                                   Заключение

Bo время испытаний созданное устройство продемонстрировало надежную работу. Дальнейшее улучшение характеристик источника для увеличения коэффициента полезного действия возможно путем оптимизации конструкции резонансного трансформатора. Также возможно увеличение среднего уровня МОЩНОСТИ за счет увеличения частоты следования импульсов. Используемый нами коммутирующий разрядник позволяет получить повышенные частоты коммутации вплоть до 200Гц.

V.                            Список литературы

[1]  м. Ю. Безруков, К. В. Горбачев, В. М. Михайлов,

Е.       В. Нестеров, В. Ю. Петров, С. Д. Плаксина,

С. А. Ращупкин, В. А. Строганов. Генератор электромагнитных импульсов. Труды 13 Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, Вебер, 2003, С.601-603.

COMPACT AUTONOMOUS REPETITIVELY PULSED OSCILLATOR

Bezroukov M. Yu., Gorbachev K. V., Isaenkov Yu. I., Nesterov E. V., Mikhailov V. IVI., Petrov V. Yu., Plaksina S. D., Roschoupkin S. A.,

Semenov Yu. V., Stroganov V. A.

Institute for High Energy Density Associated Institute for High Temperatures RAS 13/19 Izhorskaya str, Moscow, 125412, Russia Ph.: (495)484-1877, e-mail: nst@ihed. ras. ru

Abstract – Described in this paper is a compact pulsed oscillator powered by high voltage source for up to 320 kV with pulse repetition frequency control from single-pulse mode up to 40 Hz. Radiator of Hertz dipole type was used as a load.

I.                                         Introduction

For different applications like, in particular, electromagnetic compatibility problems, there is a demand for compact autonomous high-voltage sources which can operate both in singlepulse mode and in pulse-repetition mode. In the given paper results of design and tests of voltage-controlled source (up to 320 kV) with pulse repetition frequency ranged from single-pulse mode up to 40 Hz are presented. This work continues the research described earlier in [1].

II.                                        Main Part

structure chart of autonomous pulse-repetitive source is given in fig.1. There are two stages of voltage conversion in the scheme. In the first stage we use push-pull converter powered by rechargeable battery with power capacity of 2.3 Ah. Output current from the converter is rectified and delivered to the capacitive storage with operating voltage of 5-10 kV. Voltage level of capacitive storage is controlled by electronic unit which was also used for pulse repetition frequency adjustment.

Maximum pulse-repetition rate is determined by charge rate of capacitive storage which, in its turn, depends on the power of accumulator battery and converter properties. For the battery and converter we have achieved maximum pulse repetition frequency of 40 Hz and average power in the pulse of 132 W.

The second stage of voltage converter was used for voltage flip from 10 kV to 300 kV. It was designed on the basis of resonance transformer with coupling constant of primary and secondary windings close to 0.6.

Fig.2 shows appearance of the device with radiating unit. Overall dimensions are: diameter of insulation pipe of 160 mm, total height of 670 mm. The height of high-voltage transformer without load is 320 mm.

At the current stage we have applied radiating element of Hertz dipole type connected through peaking gas-filled spark- gap switch. Switch discharge voltage is 250 kV +10 %. Waveforms of electric field intensity at the distance of 10 m apart from the device are given in fig.3. Electric field intensity at the distance of 9 m from the source was 9 kV/m. Radiation spectrum is presented in the same figure.

III.                                       Conclusion

The device designed has demonstrated a reliable operation during the trials. The further increase in the source properties for better efficiency is possible by improving of resonance transformer design. Average power level can also be increased provided increased pulse repetition frequency. Spark-gap switch used makes possible rising in switching frequency of up to 200 Hz.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты