Генератор импульсных токов для высоковольтных электрогидравлических технологий

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к электроразрядным технологиям, и может быть использовано для электрогидравлического разрушения, дробления и дезинтеграции материалов. Технический результат заключается в повышении надежности генератора импульсного тока за счет увеличения ресурса работы его узлов - накопителя энергии на основе импульсного высоковольтного конденсатора и высоковольтного коммутирующего устройства на базе тиратрона, игнитрона или любого другого ключа, при высокой эффективности электромеханической трансформации энергии в рабочем искровом канале. Генератор включает разрядную цепь, схема замещения которой состоит из последовательного соединения сопротивления R технологического узла выделения энергии, электрической емкости C высоковольтного накопителя энергии на основе импульсных конденсаторов, индуктивности L соединительных кабелей, ключа на основе высоковольтного коммутатора S и кроубарной цепи на базе высоковольтных полупроводниковых диодов VD, устанавливенной после коммутатора, что позволяет уменьшить величины обратных составляющих разрядного тока и напряжения, переводя тем самым режим разряда из колебательного в апериодический, чем достигается повышение ресурса работы импульсного высоковольтного конденсатора и высоковольтного коммутатора при высокой эффективности электромеханической трансформации энергии в рабочем искровом канале. 4 ил.

 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к электроразрядным технологиям, и может быть использовано для электрогидравлического разрушения, дробления и дезинтеграции материалов.

Известен «Генератор импульсных токов», (патент Российской Федерации на изобретение № 2014730. Опубл. 15.06.1994 г.), содержащий: конденсаторную батарею, нагрузку, многоканальный разрядник, содержащий два основных электрода, снабженных вспомогательными электродами, образующими параллельные искровые промежутки. Вспомогательные электроды соединены с основным электродом с помощью дросселей со взаимными индуктивными связями. Параллельно разряднику включена цепь, состоящая из последовательно соединенных вспомогательного управляемого разрядника, подключенного к аноду многоканального разрядника, токоограничивающего элемента, например, в виде дополнительного дросселя, устройство поджига выполнено в виде генератора импульсных напряжений по схеме Аркадьева-Маркса.

Недостатком такого устройства является сложность конструкции многоканального разрядника, и неустойчивая работа входящих в него воздушных искровых промежутков, обусловленная влиянием окружающей среды.

Известен «Генератор импульсных токов», (патент Российской Федерации на изобретение № 2282936. Опубл. 27.08.2006 г.), содержащий зарядное устройство, разрядный контур, состоящий из батареи конденсаторов, нагрузки, двухэлектродного разрядника, спиральный генератор из двух обкладок, соединенных между собой управляемым коммутатором, причем одна обкладка спирального генератора включена в разрядный контур, а другая подключена к зарядному устройству.

Несмотря на достигнутую в устройстве повышенную стабильность срабатывания генератора импульсных токов, в качестве коммутатора по-прежнему используется двухэлектродный воздушный разрядник, имеющий низкую частоту повторения импульсов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является получившая распространение в электрогидравлических технологиях схема разрядного контура генератора импульсного тока (Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. Л.: Машиностроение, 1986), состоящая из последовательного соединения конденсатора, коммутатора (формирующего промежутка) и рабочего искрового канала – промежутка в жидкости. Данная разрядная цепь представляется электрической схемой замещения из последовательного соединения C, L, R элементов и ключа S.

Недостатками такой разрядной цепи при колебательном режиме работы генератора является снижение эффективности электромеханической трансформации энергии на рабочем искровом канале; снижение ресурса работы и преждевременный выход из строя импульсных конденсаторов и коммутаторов на основе тиратронов. Так, например, при величине относительного обратного напряжения при разряде U_обр ̸ U₀ = 0,2 коэффициент долговечности, а значит, и ресурс конденсатора снижается почти вдвое – на 50%, а при величине U_обр ̸ U₀ = 0,6 коэффициент долговечности снижается уже в 9 раз – на 90 %. Данные обстоятельства сдерживают применение электрогидравлической технологии во многих технологических процессах.

Задачей предлагаемого технического решения является увеличение ресурса работы конденсатора и коммутатора в разрядной цепи генератора импульсного тока в электрогидравлических технологиях при достижении максимальной эффективности электромеханической трансформации энергии в технологическом узле – рабочем искровом канале.

Для решения поставленной задачи в «Генератор импульсных токов для высоковольтных электрогидравлических технологий», разрядная цепь которого на схеме замещения содержит: накопитель энергии на основе импульсных высоковольтных конденсаторов, коммутирующее устройство (формирующий промежуток) на базе тиратрона, рабочий искровой канал и дополнительно устанавливают кроубарную цепь.

Существенным отличием данного технического решения является то, что в разрядной цепи генератора импульсных токов после высоковольтного коммутатора вводят кроубарную диодную цепь на базе силовых полупроводниковых диодов. Реализация предлагаемого технического решения стала возможной благодаря достигнутому к настоящему времени уровню развития полупроводниковых приборов силовой электроники, при котором параметры некоторых типов современных диодов позволяют пропускать импульсные токи в несколько десятков кА и выдерживать обратное напряжение в несколько кВ.

Технический результат – повышение ресурса работы таких узлов разрядной цепи генератора импульсных токов, как емкостной накопитель и коммутатор, а также повышение эффективности электромеханической трансформации энергии на рабочем искровом канале. Это достигается тем, что уменьшаются величины обратных составляющих разрядного тока и напряжения, влияющих на коэффициент долговечности конденсатора и коммутатора, вследствие того, что форма разряда переходит из колебательного в апериодический.

На фиг. 1 представлена структурная схема замещения разрядной цепи генератора импульсных токов, включающую кроубарную диодную цепь. На фиг. 1 приняты следующие обозначения: C – емкость высоковольтного накопителя энергии на основе импульсных конденсаторов; R – сопротивление технологического узла (рабочего искрового канала); L – распределенная по длине индуктивность соединительных кабелей; S – ключ (высоковольтный коммутатор); VD – кроубарная цепь из последовательного соединения силовых полупроводниковых диодов.

На фиг. 2 представлены временные зависимости разрядного тока для традиционной разрядной цепи генератора импульсных токов 1 и для предложенной в техническом решении схемы генератора с кроубарной диодной цепью 2. Сравнительный анализ временных зависимостей показал, что при включении кроубарной диодной цепи 3 разрядный ток 2 имеет одну полярность, свойственную для апериодического режима разряда, но при этом сохраняет амплитуду и крутизну, характерную для колебательного процесса.

На фиг. 3 представлены временные зависимости напряжения на емкостном накопителе для традиционной разрядной цепи генератора импульсных токов 1 и для предложенной в техническом решении схемы генератора с кроубарной диодной цепью 2. Из графиков следует, что включение кроубарной диодной цепи устраняет обратное напряжение при разряде, что исключает перезарядку импульсных конденсаторов, а значит, увеличивает их коэффициент долговечности и ресурс работы более чем в 9 раз. Величина обратного напряжения на емкостном накопителе определяется падением напряжения на прямом отрезке вольт-амперной характеристики силовых диодов в кроубарной цепи и не превышает 0,1 % относительно начального напряжения заряда конденсаторных батарей.

На фиг. 4 представлены временные зависимости удельной энергии в технологическом узле или скорости выделения энергии в канале разряда для традиционной разрядной цепи генератора импульсных токов 1 и для предложенной в техническом решении схемы генератора с кроубарной диодной цепью 2. Время достижения мощностью, а, следовательно, и давления в канале своего максимального значения при включении кроубарной диодной цепи не изменяется и остается как и для колебательного режима минимальным, но при этом электромеханическое преобразование энергии осуществляется без осцилляций, что повышает его эффективность.

Поясним технический результат решения поставленной задачи – увеличения ресурса работы конденсатора и коммутатора разрядной цепи генератора импульсных токов в электрогидравлических технологиях при достижении максимальной эффективности электромеханической трансформации энергии в технологическом узле за счет кроубарной диодной цепи, включаемой после коммутатора. В первой стадии – при срабатывании тиратрона, игнитрона или любого другого установленного в генераторе высоковольтного коммутирующего устройства, начинается разряд накопленной электрической энергии высоковольтным емкостным накопителем (импульсными конденсаторами) в рабочем искровом канале. Во второй стадии – при достижении максимального значения тока по закону самоиндукции полярность напряжения на индуктивности разрядной цепи, обусловленной длиной кабелей, соединяющих импульсные конденсаторы с технологическим узлом выделения энергии, меняется на обратную. При этом открывается кроубарная диодная цепь, шунтирующая конденсатор и коммутатор, и происходит разряд накопленной в распределенной индуктивности разрядной цепи магнитной энергии по замкнутому контуру «кроубарная диодная цепь – индуктивность кабелей – рабочий искровой канал». Благодаря шунтированию конденсатора и коммутатора кроубарной диодной цепью, устраняются осцилляции напряжения и тока, то есть колебательный режим разряда по форме преобразуется в апериодический. Величина обратного напряжения на емкостном накопителе определяется только падением напряжения на прямом отрезке вольт-амперной характеристики полупроводниковых силовых диодов кроубарной цепи в импульсном режиме работы и не превышает 0,1 % относительно начального напряжения заряда конденсаторных батарей, что позволяет практически ею пренебречь. Отсутствие обратного напряжения на импульсных конденсаторах при разряде исключает их перезарядку, что увеличивает их коэффициент долговечности и ресурс работы более чем в 9 раз по сравнению с их использованием в традиционной схеме генератора. Отсутствие осцилляций тока исключает взаимный попеременный двухсторонний перенос заряда между электродами коммутатора, приводящий к их эрозии, что способствует увеличению коэффициента долговечности и ресурса работы коммутатора по сравнению с его использованием в традиционной схеме генератора. Разрядный ток на нагрузке (в технологическом узле) имеют одну полярность, характерную для апериодического режима разряда, но сохраняет максимальную амплитуду и крутизну, как в колебательном процессе. При этом время достижения мощностью и давления в канале своего максимального значения остается минимальным, а электромеханическая трансформация энергии в технологическом узле осуществляется без колебаний, что позволяет повысить эффективность технологического процесса.

Данное техническое решение позволяет повысить ресурс работы наиболее дорогостоящих узлов генератора импульсных токов в электрогидравлических технологиях – накопителя энергии на основе импульсных высоковольтных конденсаторов и высоковольтного коммутирующего устройства на основе тиратрона в разрядной цепи при достижении высокой эффективности электромеханического преобразования энергии в технологическом узле.

Положительный технический эффект от реализации технического решения заключается в снижении стоимости технологического процесса электрогидравлического разрушения, дробления и дезинтеграции материалов за счет повышения ресурса работы генератора импульсных токов.

Предлагаемое техническое решение может быть реализовано промышленным способом.

Генератор импульсных токов для высоковольтных электрогидравлических технологий, включающий разрядную цепь, схема замещения которой состоит из последовательного соединения сопротивления R технологического узла выделения энергии, электрической емкости С высоковольтного накопителя энергии на основе импульсных конденсаторов, индуктивности L соединительных кабелей и ключа на основе высоковольтного коммутатора S, отличающийся тем, что устанавливают после коммутатора S кроубарную цепь на базе силовых полупроводниковых диодов таким образом, что при разряде накопленной энергии по указанной цепи последовательного соединения при достижении максимального значения тока, когда по закону самоиндукции полярность напряжения на индуктивности L разрядной цепи меняется на обратную, обеспечивается шунтирование конденсатора и коммутатора кроубарной цепью силовых полупроводниковых диодов для перевода режима разряда из колебательного в апериодический.