Коммутационное устройство

 

Изобретение относится к сильноточной электроэнергетике и позволяет при его использовании повысить эффективность вывода энергии из индуктивного накопителя в нагрузку. Коммутационное устройство содержит вакуумированную камеру с катодным и анодным входным и выходным выводами. В вакуумированной камере размещены неподвижный и подвижной электроды, первая сплошная шина и вторая составная шина, первый и второй участки которой соединены последовательно между собой через неуправляемый разрядник и по крайней мере один генератор плазмы. Первые концы шин соединены с входными выводами, а другие концы шин - с выходными выводами. Подвижной электрод механически связан с индукционно-динамическим приводом, а электрически посредством гибких токопроводов - со второй шиной, в которой выполнено отверстие, соосное оси, на которой размещены электроды. Неподвижный электрод жестко соединен с первой шиной. Выход генератора плазмы ориентирован в направлении промежутка между первой шиной и вторым участком второй шины. С первым участком второй шины соединен через размыкатель генератор одиночных прямоугольных импульсов тока. Устройство содержит также блок управления с двумя управляющими входами и четырьмя выходами, соединенными с управляющими входами привода, генераторов и размыкателя. Технический результат - повышение эффективности вывода энергии в индуктивную нагрузку. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к сильноточной импульсной электроэнергетике, а более конкретно к средствам коммутации тока в устройствах с индуктивным накопителем энергии (ИНЭ).

Из уровня техники известны коммутационные устройства для вывода энергии из ИНЭ в нагрузку, обеспечивающие бездуговую коммутацию, а также коммутационные устройства для вывода энергии из ИНЭ в нагрузку, в которых дуговой разряд, возникший в результате разведения электродов размыкателя, гасится путем подключения к разведенным на заданное расстояние электродам гасящего контура, включающего предварительно заряженные конденсаторы и индуктивности (см. Физика и техника мощных импульсных систем. Сб. статей под ред. акад. Е. П. Велихова, М., "Энергоатомиздат", 1987, с. 110-116, [1]).

Для осуществления переключения тока ИНЭ на нагрузку используются различные известные средства для коммутации цепей постоянного тока, имеющие различные технико-эксплуатационные характеристики.

Время накопления энергии в ИНЭ обычно составляет 0,5-1 с, а длительность широко используемых импульсов составляет 0,02-0,1 мкс. Однако из уровня техники неизвестны мощные (от 10²Вт и выше) размыкатели, способные обеспечить отношение длительности протекающего по ним тока ко времени коммутации более 100. Следовательно, для повышения эффективности вывода энергии из ИНЭ в нагрузку необходимо увеличивать это соотношение, например, уменьшением "паузы тока". В коммутационных устройствах для вывода энергии из ИНЭ в нагрузку, обеспечивающих бездуговую коммутацию, длительность "паузы тока" определяется временем, необходимым для разведения электродов размыкателя на заданное расстояние. Однако даже при использовании для разведения электродов размыкателя быстродействующих индукционно-динамических приводов, длительность "паузы тока" составит более 2 мс. В коммутационных устройствах для вывода энергии из ИНЭ в нагрузку, в которых используется дуговая коммутация, длительность "паузы тока" определяется временем восстановления электрической прочности вакуумного межэлектродного промежутка после гашения дугового разряда импульсом противотока, который генерируется путем подключения к электродам размыкателя гасящего контура. В этом случае (при использовании вакуумных размыкателей) для токов от одного до десяти килоампер время восстановления электрической прочности вакуумного межэлектродного промежутка не превышает 40 мкс, что по крайней мере в пятьдесят раз меньше длительности "паузы тока" в коммутационных устройствах с бездуговой коммутацией.

В результате дугового разряда в межэлектродном промежутке вакуумного размыкателя образуется смесь плазмы, металлического пара (материалов электродов), газа, присутствующего в материале электродов, в также капельная фракция. С момента возникновения "паузы тока" процесс эмиссии прекращается, однако межэлектродный промежуток вакуумного размыкателя остается заполненным ионами, электронами, металлическим паром, газом, а также капельной фракцией. Из уровня техники известно коммутационное устройство, обеспечивающее существенное снижение количества капельной фракции, образующейся в результате вакуумного дугового разряда в межэлектродном промежутке, и оказывающее доминирующее влияние на длительность восстановления электрической прочности вакуумного межэлектродного промежутка (авторское свидетельство СССР 196960, кл. Н 01 Н 33/66, 1967 [2]).

Коммутационное устройство [2], взятое в качестве прототипа, как наиболее близкое к изобретению по совокупности существенных признаков, содержит вакуумированную камеру с первым и вторым входными выводами (соответственно катодным и анодным), неподвижный и подвижной электроды, установленные соосно вакуумной камере, а также две электрические шины в виде удлиненных пластин, которые размещены в вакуумированной камере параллельно друг другу. Первые концы первой и второй электрических шин соединены соответственно с первым и вторым входными выводами, при этом первая электрическая шина жестко и электрически соединена с неподвижным электродом, а вторая электрическая шина соединена посредством гибких токопроводов с подвижным электродом, установленным с возможностью обеспечения при его осевом перемещении одинакового по периметру его контактного элемента гарантированного зазора между ним и стенкой сквозного отверстия, выполненного во второй электрической шине со стороны ее первого конца. Кроме того, известное коммутационное устройство содержит систему однородного поперечного постоянного магнитного поля по всей длине электрических шин.

Недостаток известного коммутационного устройства заключается в том, что при его использовании не обеспечивается высокая эффективность вывода энергии в нагрузку.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению высокой эффективности вывода энергии, накопленной за время порядка одной секунды, из ИНЭ в нагрузку за счет уменьшения до 0,02-0,1 мкс времени переключения тока ИНЭ в нагрузку.

Поставленная задача решена тем, что коммутационное устройство, содержащее вакуумированную камеру с катодным и анодным входными выводами, неподвижный и подвижной электроды, установленные соосно в вакуумированной камере, а также первую и вторую шины в виде удлиненных пластин, размещенных в вакуумированной камере напротив друг друга и перпендикулярно оси, вдоль которой размещены неподвижный и подвижной электроды, при этом первые концы первой и второй шин соединены соответственно с катодным и анодным входными выводами, неподвижный электрод жестко и электрически соединен с первой сплошной шиной, подвижной электрод посредством гибких токоподводов соединен со второй шиной и размещен с возможностью обеспечения при его осевом перемещении одинакового по периметру его контактного элемента гарантированного зазора между ним и стенкой сквозного отверстия, выполненного во второй шине со стороны ее первого конца, согласно изобретению дополнительно содержит индукционно-динамический привод, по крайней мере один генератор плазмы, неуправляемый разрядник, генератор одиночных прямоугольных импульсов тока, размыкатель и блок управления с двумя управляющими входами и четырьмя выходами, вакуумированная камера снабжена катодным и анодным выходными выводами, соединенными соответственно со вторым концом первой и второй шин, вторая шина выполнена составной, первый и второй участки которой соединены последовательно между собой через неуправляемый разрядник, выход генератора одиночных прямоугольных импульсов тока соединен через размыкатель с первым участком второй шины вблизи места соединения с ней гибких токопроводов к подвижному электроду, выход генератора плазмы ориентирован в направлении промежутка между первой шиной и вторым участком второй шины, при этом подвижной электрод соединен с индуктивно-динамическим приводом, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, первый вход которого соединен с электрическим выходом индукционно-динамического привода, второй, третий и четвертый выходы блока управления соединены соответственно с управляющим входом генератора одиночных прямоугольных импульсов тока, управляющим входом размыкателя и управляющим входом генератора плазмы.

Кроме того, поставленная задача решена тем, что: - либо расстояние между первой шиной и первым участком второй шины равно расстоянию между первой шиной и вторым участком второй шины; - либо расстояние между первой шиной и первым участком второй шины меньше расстояния между первой шиной и вторым участком второй шины, при этом обращенные друг к другу концы первого и второго участков второй шины отогнуты на встречу друг другу.

Преимущество предлагаемого коммутационного устройства перед известными заключается в том, что за счет одновременного использования связанных с блоком управления генератора одиночных прямоугольных импульсов тока и по крайней мере одного генератора плазмы, обеспечивается не только возможность осуществлять накопление энергии в ИНЭ в течение времени порядка одной секунды, гашение дугового разряда между подвижным и неподвижным электродами и создания сильного поперечного магнитного поля в межэлектродном промежутке после окончания "паузы тока", обеспечивающего повышение электрической прочности межэлектродного промежутка при давлении в вакуумированной камере не выше 5-10^-4Торр., но быстрый разрыв тока (за время, равное 0,02-0,1 мкс) между шинами. Последнее обстоятельство позволяет получить импульс тока в нагрузке (подключенной к катодному и анодному выходным выводам) длительностью 0,02-0,1 мкс, иными словами существенно повысить эффективность вывода энергии из ИНЭ в нагрузку. Использование индукционно-динамического привода обеспечивает высокую начальную скорость перемещения подвижного электрода, а следовательно, снижает количество капельной фракции в межэлектродном промежутке, так как эрозионное воздействие дугового разряда на электроды тем больше, чем меньше расстояние между ними.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной выше совокупности существенных признаков требуемого технического результата. Естественно, что формы реализации изобретательского замысла не ограничены изложенным примером.

На фиг.1 схематично изображено коммутационное устройство и электрическая схема подключения его в ИНЭ и к нагрузке; на фиг.2 - другой вариант размещения второго участка второй шины.

Коммутационное устройство содержит вакуумированную (герметичную) камеру 1 с катодными входным 2 и выходным 3 выводами, а также с анодными входным 4 и выходным 5 выводами. В полости вакуумированной камеры 1 размещены установленные вдоль оси 6 неподвижный электрод 7 и с возможностью осевого перемещения подвижной электрод 8, снабженный контактным элементом 8', первая сплошная электрическая шина 9 и расположенная напротив ее вторая составная электрическая шина, включающая последовательно расположенные первый 10 и второй 11 участки. Первая шина 9 выполнена в виде установленной перпендикулярно оси 6 удлиненной пластины, первый конец которой соединен с катодным входным выводом 2, а второй ее конец соединен с катодным выходным выводом 3. Неподвижный электрод 7 жестко и электрически соединен с первой шиной 9. Вторая шина также выполнена в виде удлиненной, но разрезанной поперек, пластины, первый 10 и второй 11 участки которой последовательно соединены между собой через неуправляемый разрядник 12. Один конец второй шины соединен с анодным выходным выводом 4, а ее другой конец - с анодным выходным выводом 5. В первом участке 10 второй шины (т.е. со стороны ее первого конца) выполнено сквозное отверстие 13, соосное оси 6, диаметр которого на 0,2-0,6 мм превышает внешний диаметр контактного элемента 8'. В случае выполнения контактного элемента 8' другой формы сквозное отверстие 13 должно иметь ту же форму, а ее размер выбирается из условия обеспечения по всему периметру контактного элемента 8' одинакового гарантированного зазора, равного 0,1-0,3 мм, между ним и стенкой отверстия 13 при осевом перемещении подвижного электрода 8, который электрически соединен со второй шиной посредством, например, двух гибких токопроводов 14 и 14'. Число гибких токопроводов выбирается, исходя из величины коммутируемого тока, при этом пространственное расположение гибких токопроводов выбирается таким, чтобы создаваемое ими (при протекании по ним электрического тока) в межэлектродном промежутке магнитное поле было минимальным. Первый 10 и второй 11 участки второй шины расположены в одной плоскости, перпендикулярной оси 6 (фиг.1).

В другом варианте (фиг.2) выполнения коммутационного устройства первый 10 и второй 11 участки второй шины расположены в различных плоскостях, перпендикулярных оси 6, при этом расстояние между первой шиной 9 и первым участком 10 второй шины меньше расстояния между первой шиной 9 и вторым участком 11 второй шины. Обращенные друг к другу концы 10' и 11' соответственно первого 10 и второго 11 участков второй шины отогнуты навстречу друг другу, а именно конец 10'- вверх, а конец 11'- вниз.

Коммутационное устройство содержит также индукционно-динамический привод 15, соединенный через герметичный вывод с подвижным электродом 8, генератор 16 одиночных прямоугольных импульсов тока, размыкатель 17, генератор 18 плазмы и блок 19 управления. Первый выход блока 19 управления соединен с управляющим входом индукционно-динамического привода 15, электрический выход которого (сигнал, соответствующий моменту достижения подвижным электродом 8 своего крайнего верхнего положения) соединен с первым управляющим входом блока 19 управления, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с управляющим входом генератора 16 одиночных прямоугольных импульсов тока, управляющим входом размыкателя 17 и управляющим входом генератора 18 плазмы. Второй управляющий вход 20 блока 19 управления служит для его внешнего запуска.

В качестве индукционно-динамического привода 15 могут быть использованы известные приводы, обеспечивающие за время 1-3 мс перемещение подвижного электрода на расстояние 5-15 мм. Генератор 16 одиночных прямоугольных импульсов может быть выполнен по одной из известных схем гасящих контуров, например описанной в авторском свидетельстве СССР 819840, 1981. Размыкатель 17 может быть выполнен в виде взрывающейся проволочки 21 (фольги), которая подключена через управляемые разрядники 22 к емкостному накопителю 23, при этом соединенные между собой управляющие электроды управляемых разрядников 22 являются управляющим входом размыкателя 17. Генератор 18 плазмы, например эрозионный, размещен в вакуумированной камере таким образом, что его выход 24 (сопло) ориентирован в направлении промежутка между первой шиной 9 и вторым участком 11 второй шины. В ряде случаев целесообразно генератор 18 плазмы размещать не сбоку, а сверху, например над вторым участком 11 второй шины (фиг. 2). В этом случае во втором участке 11 выполняются отверстия (например, щелевые 25) для плазменного пучка. Параметры и число генераторов 18 плазмы (плазменных пушек) выбираются из условия обеспечения полного заполнения объема 26 промежутка между первой шиной 9 и вторым участком 11 второй шины плазмой с концентрацией 10¹²-10¹⁴см^-3 за 3-4 мкс. Блок 19 управления выполнен в виде генератора последовательности управляющих сигналов, например на основе одного генератора одиночных импульсов и двух линий задержки.

Выход генератора 16 одиночных прямоугольных импульсов тока через размыкатель 17 соединен с первым участком 10 второй шины вблизи места соединения с ним гибких токопроводов 14 и 14'.

Коммутационное устройство подключается к ИНЭ 27 и нагрузке 28, при этом первый вывод ИНЭ 27 соединен с анодным входным выводом 4, а второй вывод ИНЭ 27 соединен с катодным входным выводом 2 через параллельно включенные генератор 29 накачки и замыкатель 30. Нагрузка 28 подключена к выходным выводам 5 и 3.

Работа коммутационного устройства происходит следующим образом.

Предварительно от источников постоянного напряжения (не показаны) осуществляют зарядку емкостного накопителя 23 и реактивных элементов генератора 16 одиночных прямоугольных импульсов тока. В исходном положении подвижной электрод 8 находится в крайнем нижнем положении (на фиг.1 показан пунктиром), а замыкатель 30 - в разомкнутом состоянии. Давление в вакуумированной камере должно быть на уровне 5-8•10^-6 Торр.

ИНЭ 27 заряжается от генератора 29 накачки через замкнутые неподвижные 7 и подвижной 8 электроды. После достижения током ИНЭ 27 заданного значения (за время от 0,5 до 1 с), соответствующего максимуму накопленной в нем энергии, производят отключение генератора 29 путем перевода размыкателя 30 в замкнутое состояние. В результате ИНЭ 27 оказывается накоротко замкнутым через неподвижный 7 и подвижной 8 электроды. После этого подается управляющий сигнал на второй управляющий вход 20 блока 19 управления. В результате на его первом выходе формируется сигнал, который поступает на управляющий вход индукционно-динамического привода 15 и происходит перемещение подвижного электрода 8 из крайнего нижнего положения в крайнее верхнее положение. При разведении электродов 7 и 8 между ними возникает вакуумный дуговой разряд. В момент достижения подвижным электродом 8 крайнего верхнего положения на электрическом выходе индукционно-динамического привода 15 формируется сигнал, поступающий на первый управляющий вход блока 19 управления. После этого на втором выходе блока 19 управления формируется сигнал, поступающий на управляющий вход генератора 16 одиночных прямоугольных импульсов тока и на его выходе формируется прямоугольный импульс тока, амплитуда которого равна, а направление противоположно соответственно величине и направлению тока вакуумного дугового разряда. В результате дуговой разряд гаснет и возникает "пауза тока" между неподвижным 7 и подвижным 8 электродами и начинаются процессы, восстанавливающие электрическую прочность межэлектродного промежутка. Длительность прямоугольного импульса тока на выходе генератора 16 одиночных прямоугольных импульсов тока должна быть достаточна для восстановления электрической прочности межэлектродного промежутка и определяется заранее на основании испытаний устройства. За время, равное 3-4 мкс, до окончания "паузы тока" на четвертом выходе блока 19 управления формируется сигнал на запуск генератора 18 плазмы. Поток плазмы с выхода 24 генератора 18 плазмы поступает в пространство между первой шиной 9 и вторым участком 11 второй шины. В результате происходит заполнение (за 3-4 мкс) объема 26 плазмой с концентрацией l0¹²-l0¹⁴ см^-3. После чего генератор 18 плазмы выключается. Одновременно на третьем выходе блока 19 управления формируется сигнал, поступающий на управляющий вход размыкателя 17. В результате срабатывания разрядников 22 емкостной накопитель 23 подключается к взрывающейся проволочке 21. Происходит взрыв проволочки 21 и отключение генератора 16 одиночных прямоугольных импульсов тока от первого участка 10 второй шины. Использование размыкателя 17 на основе взрывающейся проволочки 21 позволяет получить требуемую крутизну заднего фронта импульса противотока.

После окончания "паузы тока" ток, протекающий по ИНЭ 27 после пробоя неуправляемого разрядника 12, будет протекать по контуру, образованному последовательно соединенными через неуправляемый разрядник 12 первый 10 и второй 11 участки второй шины, плазменный объем 26 и первую шину 9. В результате возникшей петли тока в межэлектродном промежутке возникает поперечное магнитное поле. В результате электрическая прочность межэлектродного промежутка будет выше, чем при отсутствии поперечного магнитного поля. Это позволяет уменьшить (фиг.2) расстояние между первой шиной 9 и первым участком 10 второй шины, а следовательно, уменьшить время существования вакуумного дугового разряда и эрозию электродов.

Однако при описанных выше условиях проводимость плазменного объема 26 будет существовать не более 1-6 мкс. Действительно, сначала ток, текущий между вторым участком 11 второй шины и первой шины 9 будет связан только с потоком ионов из инжектируемой плазмы, которые дрейфуют по направлению к первой шине 9 (катоду). Это вызывает увеличение электрического поля в области катода, а следовательно, эмиссию электронов с катода. Одновременно происходит рост области пространственного заряда в прикатодной области. Поскольку плазменный объем 26 находится также в поперечном магнитном поле, обусловленном протекающим по первой и второй шинам электрическим током, траектория движения электронов, эмиттируемых с катода в область пространственного заряда, будет с ростом области пространственного заряда искривляться настолько, что дрейф электронов будет происходить вдоль поверхности первой шины 9. В результате первая и вторая шины становятся "магнитно изолированными", а ток ИНЭ 27 за время 0,02-0,1 мкс замыкается через нагрузку 28.

Предлагаемое коммутационное устройство может быть использовано в системах питания импульсных ускорителей электронных пучков, источников рентгеновского, нейтронного и лазерного излучений.

Формула изобретения

1. Коммутационное устройство, содержащее вакуумированную камеру с катодным и анодным входными выводами, неподвижный и подвижной электроды, установленные соосно в вакуумированной камере, а также первую и вторую шины в виде удлиненных пластин, размещенных в вакуумированной камере напротив друг друга и перпендикулярно оси, вдоль которой размещены неподвижный и подвижной электроды, при этом первые концы первой и второй шин соединены соответственно с катодным и анодным входными выводами, неподвижный электрод жестко и электрически соединен с первой сплошной шиной, подвижной электрод посредством гибких токопроводов соединен со второй шиной и размещен с возможностью обеспечения при его осевом перемещении одинакового по периметру его контактного элемента гарантированного зазора между ним и стенкой сквозного отверстия, выполненного во второй шине со стороны ее первого конца, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит индукционно-динамический привод, по крайней мере один генератор плазмы, неуправляемый разрядник, генератор одиночных прямоугольных импульсов тока, размыкатель и блок управления с двумя управляющими входами и четырьмя выходами, вакуумированная камера снабжена катодным и анодным выходным выводами, соединенными соответственно со вторым концом первой и второй шин, вторая шина выполнена составной, первый и второй участки которой соединены последовательно между собой через неуправляемый разрядник, выход генератора одиночных прямоугольных импульсов тока соединен через размыкатель с первым участком второй шины вблизи места соединения с ней гибких токопроводов к подвижному электроду, выход генератора плазмы ориентирован в направлении промежутка между первой шиной и вторым участком второй шины, при этом подвижной электрод соединен с индукционно-динамическим приводом, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, первый вход которого соединен с электрическим выходом индукционно-динамического привода, второй, третий и четвертый выходы блока управления соединены соответственно с управляющим входом генератора одиночных прямоугольных импульсов тока, управляющим входом размыкателя и управляющим входом генератора плазмы.

2. Коммутационное устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между первой шиной и первым участком второй шины равно расстоянию между первой шиной и вторым участком второй шины.

3. Коммутационное устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между первой шиной и первым участком второй шины меньше расстояния между первой шиной и вторым участком второй шины, при этом обращенные друг к другу концы первого и второго участков второй шины отогнуты навстречу друг другу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2