Устройство для генерации коротких импульсов высокого напряжения

 

Изобретение относится к устройствам для генерации коротких импульсов высокого напряжения, которые могут применяться, например, для зажигания импульсно периодических электрических разрядов, таких, как импульсный коронный разряд или импульсный барьерный разряд. Техническим результатом является получение импульсов высокого напряжения с предельно коротким фронтом нарастания (до 5-10 нс) с большой частотой повторения импульсов (около 2000 Гц) при максимальной энергетической эффективности устройства (КПД на уровне 90%). Для достижения указанного результата предлагается устройство, включающее в себя источник высокого напряжения, рабочую емкость, высоковольтный коммутатор, коммутирующий рабочую емкость на нагрузку. При этом источник высокого напряжения состоит из сетевого выпрямителя, полупроводникового преобразователя, одного или нескольких импульсных высоковольтных трансформаторов, обеспечивающих зарядку рабочей емкости небольшими порциями, формируемыми при каждом срабатывании преобразователя таким образом, что частота импульсов зарядки рабочей емкости по крайней мере в 3 раза выше частоты срабатывания высоковольтного коммутатора, а импульсный коммутатор представляет собой неуправляемый самопробойный разрядник один или нескольких штырей, нитей, игл, лезвий или других деталей с острыми кромками, на которых возможно зажигание коронного разряда при подаче на электроды разрядника напряжения, величина которого ниже пробойного. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Устройства формирования коротких высоковольтных импульсов могут применяться в различных областях современной промышленности и науки, в том числе для генерации импульсных (импульсно периодических) электрических разрядов [1] . Системы на основе импульсного коронного разряда составляют сейчас одно из наиболее перспективных и быстроразвивающихся направлений в природоохранной технике и технологии. К ним относятся установки для очистки воды, воздуха, топочных, топливных и вентиляционных газов, электрофильтры с импульсным питанием, а также системы для производства озона. Однако реальное развитие этих крайне важных систем сдерживается отсутствием дешевых и долговечных источников питания, генерирующих короткие импульсы высокого напряжения и обладающих необходимыми для промышленных приложений характеристиками.

Для генерации коротких высоковольтных импульсов для зажигания импульсного коронного разряда в настоящее время используются в основном схемы на базе тиратронов или управляемых разрядников (с третьим электродом). Однако и та и другая схемы обладают определенными недостатками. Как промышленные тиратроны, так и управляемые разрядники довольно дороги и имеют небольшие сроки службы в режиме генерации коротких импульсов. Кроме того, применение тиратронов и управляемых разрядников предполагает дополнительные затраты энергии на накал (нагрев) катода и на формирование управляющих импульсов (запуск), что естественно уменьшает энергетическую эффективность генератора импульсов в целом.

Применение неуправляемых самопробойных разрядников (которые обладают наилучшими временными характеристиками в режиме одиночных импульсов) в стандартной схеме, с балластным сопротивлением приводит к очень большой потере энергии при зарядке рабочей емкости (омические потери на сопротивлении могут быть порядка 50%). Кроме того, неуправляемый разрядник обычного типа не может обеспечить частоту срабатывания (коммутации) 1000 Гц и выше, которая обычно необходима в практических применениях импульсных коронных разрядов в газоочистке или для генерации озона.

Прототипом нашего изобретения является устройство создания коротких импульсов высокого напряжения, описанное в [2], где приведены ряд схем с использованием управляемых разрядников различных типов (разрядники с внешним поджигающим импульсом, разрядники с вращающимися электродами) для зажигания импульсного коронного разряда. Однако предлагаемый там разрядник с внешним поджигающим импульсом довольно сложен в техническом отношении, так как для синхронизации работы его каналов необходимо непрерывное выравнивание всех разрядных промежутков с достаточно высокой точностью. Кроме того, использование внешнего поджигающего импульса, подаваемого на основные электроды разрядника, предполагает значительные потери энергии на управление, снижающие эффективность системы.

Разрядники с вращающимися электродами, предлагаемые там же, также технически слишком сложны, что резко ограничивает диапазон их практического применения. Кроме того, как разрядники с вращающимися электродами, так и разрядники с внешним поджигающим импульсом не могут обеспечить времена коммутации (фронт нарастания импульса тока) порядка 10 нс, необходимые для некоторых практических приложений.

Целью нашего изобретения является создание простого, дешевого, удобного в эксплуатации и легко масштабируемого генератора коротких импульсов высокого напряжения, обеспечивающего минимально возможным временем коммутации (порядка 10 нс), высокой энергетической эффективностью и достаточной частотой повторения импульсов.

Для этого нами предложен генератор импульсов высокого напряжения, содержащий сетевой выпрямитель, полупроводниковый преобразователь, один или несколько импульсных высоковольтных трансформаторов, высоковольтный выпрямитель, импульсный конденсатор (им может служить выходная емкость высоковольтного выпрямителя), неуправляемый самопробойный разрядник специальной конструкции, подключенный к разрядной камере импульсного коронного разряда. Импульсный конденсатор, неуправляемый разрядник и разрядная камера соединены последовательно, как это показано на фиг. 1.

Схема устройства, генерирующего импульсы высокого напряжения для поддержания коронного разряда, аналогична схеме релаксационного генератора, но имеет некоторые существенные отличия. Рабочая емкость заряжается небольшими порциями (ступенями), формируемыми при каждом срабатывании полупроводникового преобразователя, как это показано на фиг. 2. При этом зарядка емкости происходит так же как обычным выпрямителем с балластным токоограничительным сопротивлением, но в данном случае ток зарядки ограничивается не сопротивлением, а самой схемой зарядки, выдающей заряд на рабочую емкость порциями, следующими друг за другом при каждом импульсе преобразователя. В этом случае потерь энергии при зарядке емкости практически не происходит.

При достижении некоторого напряжения на рабочей емкости напряжение на разряднике достигает пробойной величины, и разрядник замыкает рабочую емкость на разрядную камеру. Разрядная камера заряжается до некоторого напряжения и после зажигания коронного разряда (в камере) быстро разряжается разрядным током вместе с рабочей емкостью. После того, как напряжение на камере и рабочей емкости упадет ниже порога горения коронного разряда, разрядник гаснет и процесс зарядки емкости (5) (фиг.1) начинается снова.

Существует зависимость устойчивости и эффективности работы системы от величины зарядки рабочей емкости при каждом импульсе преобразователя. Каждый импульс преобразователя заряжает рабочую емкость (5) на некоторую величину ΔU. Очевидно, что чем меньше ΔU, тем лучше, так как можно более точно настраивать напряжение рабочей емкости и достигать большего тока коронного разряда, не допуская его трансформации в искровой разряд. Для устойчивой работы системы необходимо, чтобы частота работы импульсного трансформатора была по крайней мере в 3 раза выше частоты срабатывания разрядника.

Для устойчивой работы неуправляемого самопробойного разрядника в режиме максимально коротких времен открытия и максимальнной частоты коммутации (что особенно важно для закрытия разрядника в режимах с неполной разрядкой рабочей емкости) необходимо, чтобы конструкция разрядника обеспечивала некоторую утечку тока через него и в тот момент, когда разрядник закрыт. Достигается это тем, что один или оба электрода неуправляемого самопробойного разрядника изготавливаются в виде одного или нескольких штырей, нитей, игл, лезвий или других деталей с острыми кромками, способных коронировать при напряжении ниже пробойного. Возникающий "темновой" ток (при закрытом разряднике) позволяет поддерживать некоторую стационарную концентрацию электронно возбужденных молекул газа, что ускоряет развитие пробоя в разряднике и тем самым уменьшает время коммутации. Кроме того, "темновой" ток через разрядник в закрытом состоянии, поддерживаемый слабым коронным разрядом с электродов разрядника, оказывает стабилизирующее влияние на гашение разрядника в режиме неполной разрядки рабочей емкости, так как эта утечка компенсирует остаточный ток короны через разрядную камеру импульсного коронного разряда.

В некоторых случаях разрядная камера импульсного коронного разряда (или неуправляемый самопробойный разрядник) может быть соединена параллельно (закорочена) большим сопротивлением для смещения постоянной составляющей напряжения на разрядной камере. Такой способ соединения может иметь важное значение для таких практических приложений, как электрофильтры с импульсным питанием или генераторы озона (то есть там, где большую роль играет постоянная составляющая напряжения). В некоторых случаях такое сопротивление оказывают стабилизирующее воздействие на работу системы в момент пуска. Величина сопротивления выбирается такой (не слишком малой), чтобы практически не ухудшать энергетическую эффективность системы генерации импульсов напряжения в целом.

Примеры выполнения Пример 1. В первом случае в схеме, изображенной на фиг. 1, был применен разрядник следующей конструкции - анод представлял собой систему стержней, диаметром 2 мм из нержавеющей стали; катод - цилиндрической формы с торцевой (рабочей) плоскостью, параллельной плоскости, проходящей через концы стержней анода. Через разрядник продувался воздух с расходом от 1 до 100 л/ч при давлении 2 атм абс. давлении. В качестве нагрузки выступала разрядная камера импульсного коронного разряда.

Концы всех стержней разрядника устойчиво коронировали при подаче на электроды разрядника напряжения ниже пробойного.

Описываемый разрядник обеспечивал коммутацию с частотой до 2000 Гц и временем нарастания тока около 8 нс.

Пример 2. Во втором случае в схеме, изображенной на фиг. 1, использовался разрядник другой конструкции: анод представлял собой систему радиально расходящихся стержней диаметром 3 мм. Катод представлял собой внешний цилиндр, охвытывающий стержни анода. Через разрядник продувался воздух с расходом 1-100 л/ч при атмосферном давлении. В качестве нагрузки выступала разрядная камера импульсного коронного разряда.

Концы всех стержней разрядника устойчиво коронировали при подаче на электроды разрядника напряжения ниже пробойного.

Описываемый разрядник обеспечивал коммутацию с частотой до 2000 Гц и временем нарастания тока около 8 нс.

Пример 3. В третьем случае в схеме, изображенной на фиг. 1, использовался разрядник конструкции аналогичной примеру 1.

Через разрядник продувался воздух с расходом 1-100 л/ч при атмосферном давлении. В качестве нагрузки выступала разрядная камера импульсного барьерного разряда, закороченная сопротивлением 1000 Ом.

Концы всех стержней разрядника устойчиво коронировали при подаче на электроды разрядника напряжения ниже пробойного.

Описываемый разрядник обеспечивал коммутацию с частотой до 2000 Гц и временем нарастания тока около 8 нс.

Литература: 1. Proceedings of XVII th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation, Berkeley, California, 1996.

2. Патент США N 4541848, B 03 C 3/66, 17.09.85.

Формула изобретения

1. Генератор импульсов высокого напряжения, состоящий из источника высокого напряжения, высоковольтного выпрямителя, рабочей емкости и высоковольтного коммутатора, замыкающего рабочую емкость на нагрузку, отличающийся тем, что упомянутый источник высокого напряжения, питающий высоковольтный выпрямитель, состоит из сетевого выпрямителя, полупроводникового преобразователя, одного или нескольких импульсных высоковольтных трансформаторов, обеспечивающих зарядку рабочей емкости небольшими порциями, формируемыми при каждом срабатывании преобразователя, таким образом, что частота импульсов зарядки рабочей емкости по крайней мере в 3 раза выше частоты срабатывания высоковольтного коммутатора.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый высоковольтный коммутатор представляет собой неуправляемый самопробойный разрядник, один или оба электрода которого изготавливаются в виде одного или нескольких штырей, нитей, игл, лезвий или других деталей с острыми кромками, на которых возможно зажигание коронного разряда при подаче на электроды разрядника напряжения, величина которого ниже пробойного.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутой рабочей емкостью является выходная емкость высоковольтного выпрямителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2