Приборы и техника эксперимента, 2020, № 4, стр. 29-34

КОММУТАТОРНЫЙ ИНДУКТИВНО-КОНДЕНСАТОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА

Г. В. Носов a*, М. Г. Носова b**

a Национальный исследовательский Томский политехнический университет
634050 Томск, просп. Ленина, 30, Россия

b Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
634050 Томск, просп. Ленина, 40, Россия

* E-mail: nosov@tpu.ru
** E-mail: nosovamgm@gmail.com

Поступила в редакцию 03.02.2020
После доработки 10.02.2020
Принята к публикации 11.02.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследован генератор, состоящий из маломощного источника с недостаточным для потребителя уровнем постоянного напряжения, полупроводникового ключа на IGBT-транзисторе, индуктивно-емкостного звена, тиристора, включаемого динисторами, и импульсного трансформатора. Генератор предназначен для электропитания различных потребителей мощными импульсами тока с частотой повторения до 100 Гц и более. Экспериментальные исследования опытной модели генератора показали, что по сравнению с маломощным источником (22 Вт, 13.8 В) импульсные значения мощности и напряжения у потребителя составили 2.47 кВт, 1122 В. При этом в сопротивлении потребителя (510 Ом) импульсы тока имели амплитуду 2.2 А, длительность 20 мкс и частоту повторения 50–167 Гц при напряжении источника 13.8–22.8 В. С увеличением постоянного напряжения источника питания число импульсов тока зарядки конденсатора снижалось, а частота импульсов тока в нагрузке возрастала. Максимальное напряжение на конденсаторе при его зарядке получено в 3–5 раз больше напряжения источника.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА И РАБОТА ГЕНЕРАТОРА

Для электропитания многих потребителей мощными импульсами тока используются генераторы с электрическими конденсаторами, которые заряжаются от источника энергии постоянного напряжения (аккумулятор, выпрямитель, блок питания) и затем разряжаются на нагрузку (потребитель). К таким генераторам относится коммутаторный индуктивно-конденсаторный генератор с частотой повторения импульсов тока в нагрузке до 100 Гц и более. Задачей данной работы является исследование этого генератора при подключении его к источнику постоянного напряжения ограниченной мощности и с недостаточным для потребителя уровнем напряжения.

При недостаточном для потребителя уровне постоянного напряжения источника часто применяется промежуточное звено переменного тока, состоящее из инвертора, трансформатора и выпрямителя, от которого заряжаются конденсаторы [1, 2]. В работе [3] рассмотрены индуктивно-конденсаторные импульсные преобразователи напряжения постоянного тока с полупроводниковым ключевым элементом – IGBT-транзистором, работающие в режиме питания потребителя непрерывным колеблющимся напряжением на конденсаторе.

Электрическая схема одного из этих преобразователей была использована в исследуемом генераторе как звено для повышения напряжения на заряжаемом сериями импульсов тока конденсаторе. Для дальнейшего повышения напряжения был применен импульсный трансформатор, к первичной обмотке которого тиристором подключается заряженный конденсатор, а к вторичной обмотке подсоединена нагрузка. Тиристор отпирается включением в цепи управления одного или нескольких последовательно соединенных динисторов, и конденсатор разряжается, генерируя импульс тока в нагрузке. Запирание тиристора осуществляется при снижении его тока до нулевого значения.

Электрическая схема исследуемого генератора с измерительными резисторами (1 Ом) представлена на рис. 1. Коммутатор К1 (IGBT-транзистор) периодически замыкает и размыкает силовую цепь питания генератора с частотой  f и скважностью Q > 1. При этом период коммутации T и интервалы времени t1 (К1 замкнут), t2 (К1 разомкнут) будут равны:

(1)
$\begin{gathered} T = 1{\text{/}}f,\quad {{t}_{1}} = T{\text{/}}Q, \\ {{t}_{2}} = T - {{t}_{1}} = T(Q - 1){\text{/}}Q. \\ \end{gathered} $
Рис. 1.

Электрическая схема генерации и регистрации токов и напряжений. И – источник постоянного напряжения (канал блока питания Mastech HY3003D-2), Осц – цифровой осциллограф UNI-T модели UTD2025CL серии UTD-2000L, 25 МГц; К1 – твердотельное реле постоянного тока 5П40.10GDA1-20-12-В88, f = 500 Гц; D1, D2 – диоды VS-HFA16TB120-N3 (16 А, 1200 В, 76 А/мкс), D3 – тиристор Т242-80-7 (80 А, 700 В), D4 – динисторы КН102А и КН102Б; Тр – трансформатор: два ферритовых сердечника 2000НМ Ш $20 \times 28$, зазор 0.1 мм, w1 = 8 витков, w2 = 250 витков (${{L}_{1}}$ ≈ 0.167 мГн, ${{R}_{1}} < $ 0.1 Ом, ${{L}_{2}}$ ≈ 157 мГн, ${{R}_{2}}$ ≈1.4 Ом, $M$ ≈ 5 мГн); Др – дроссель: два ферритовых сердечника 2000НМ Ш $20 \times 28$, зазор 2 мм, w = 194 витка (${{L}_{d}}$ ≈ 10.9 мГн, ${{R}_{d}}$ ≈ 0.4 Ом); Ce – 3 электролита ECAP470uF/63V, 105°C (1410 мкФ, 63 В), С – 3 конденсатора CBB-685-400V-685J-CL2 (20.9 мкФ, 400 В); Rн – резистор 5W510RJ-510 Ом, резисторы номиналом 1 Ом – 5W1RJ, 330 Ом – 5W330RJ.

При замкнутом коммутаторе К1, когда подключается источник И постоянного напряжения Ue, происходит накопление энергии в магнитном поле дросселя Др, а при разомкнутом К1, когда отключается источник И, эта энергия передается в электрическое поле конденсатора С, который за несколько периодов T коммутации К1 заряжается до максимального напряжения UmC.

Это напряжение определяется напряжением включения динисторов D4, которые при достижении напряжения конденсатора величины UmC отпирают тиристор D3, конденсатор разряжается на первичную обмотку трансформатора Тр и в нагрузке Rн генерируется импульс тока iн. Заряд и разряд конденсатора, а также генерирование импульсов тока iн периодически повторяются с частотой fн< f. С целью разделения во времени процессов накопления энергии в дросселе и конденсаторе установлен полупроводниковый диод D1, а для предотвращения возможного появления отрицательного напряжения на конденсаторе при его разрядке подключен полупроводниковый диод D2.

При зарядке конденсатора возможны два режима: режим непрерывного тока дросселя id, когда этот ток в течение большинства периодов Т коммутации К1 не достигает нулевого значения; режим импульсного тока дросселя, когда этот ток в течение большинства периодов коммутации К1 достигает нулевого значения. Исходя из необходимости периодического запирания тиристора D3 после разрядов конденсатора, режим импульсного тока дросселя представляется наиболее приемлемым.

Если при индуктивности Ld, сопротивлении Rd и постоянной времени τd= Ld/Rd дросселя его добротность q = 2πfτd ≫ 1, то тогда без учета измерительных резисторов (1 Ом) для обеспечения режима импульсного тока дросселя емкость С конденсатора должна удовлетворять условию:

(2)
${{C}_{m}} = \frac{{4t_{2}^{2}}}{{{{\pi }^{2}}{{L}_{d}}}} > C.$

ОПЫТНАЯ МОДЕЛЬ ГЕНЕРАТОРА

Опытная модель генератора составлена из следующих элементов на рис. 1.

В качестве источника И постоянного напряжения Ue использован один канал регулируемого двухканального блока питания Mastech HY3003D-2 (Китай, г. Гонконг, MASTECH) с максимальными выходными значениями одного канала 30 В, 3 А. Для уменьшения амплитуд напряжений на коммутаторе К1 и на внутренних элементах источника при размыкании коммутатора К1 к выходу блока питания подключены три параллельно соединенных электролитических конденсатора ECAP470uF/63V,105°C (Тайвань) с суммарной емкостью Ce ≈ 1410 мкФ и напряжением до 63 В (аналоги конденсатора K50-35).

Управляемым коммутатором К1 служит твердотельное реле постоянного тока 5П40.10GDA1-20-12-В88 (Россия, г. Орел, ЗАО “Протон-Импульс”) на IGBT-транзисторе с параметрами: размыкаемый ток до 20 А; максимальное напряжение в разомкнутом состоянии до 1200 В; частота коммутации до 100 кГц; время коммутации 5 мкс; остаточное напряжение в замкнутом состоянии Uocт< 2.5 В, причем измеренное среднее его значение оказалось равным Uocт 1.4 В.

Для защиты силовые выходные зажимы реле К1 шунтируются варистором СН2-1А на 1200 В (Россия, г. Королёв, “АС Энергия”) и параллельным варистору встречно подключенным диодом VS-HFA16TB120-N3 (www.vishay.com) с параметрами 16 А, 1200 В, 76 А/мкс (оба на рис. 1 не показаны).

Управление работой реле осуществляется однополярными прямоугольными импульсами напряжения uy с амплитудой 8 В при скважности Q = 2 и частоте f = 500 Гц, которые через токоограничивающий резистор 426.6 Ом подаются на вход реле, что обеспечивает импульсный входной ток 15 мА. Условные силовые контакты реле К1 при напряжении управления uy = 0 разомкнуты, а при uy= 8 В – замкнуты.

К зажимам питания реле через токоограничивающий резистор 50 Ом подключается источник постоянного напряжения 12–15 В, ток питания не более 30 мА. В качестве источника прямоугольных импульсов напряжения управления и источника питания реле использованы регулируемые источники лабораторного комплекса ЭД-1 (Россия, г. Челябинск, ООО “Учебная техника”), которые на рис. 1 не показаны. В результате коммутатор К1 при частоте f = 500 Гц и скважности Q = 2 согласно (1) обеспечивает: T = 2 мс, t1 = t2 = = 1 мс.

Для импульсного периодического накопления энергии в магнитном поле изготовлен дроссель Др с магнитопроводом из двух Ш $20 \times 28$ сердечников из феррита 2000НМ (Россия, г. Санкт-Петербург, “Ферроприбор”). У магнитопровода между сердечниками предусмотрен воздушный зазор 2 мм. Обмотка дросселя с числом витков w = 194 выполнена проводом ПЭТ-155 с диаметром по меди 1.18 мм, между слоями провода в качестве изоляции размещена лавсановая пленка толщиной 0.1 мм. Измеренные параметры дросселя при 25°С: ${{L}_{d}}$ ≈ ≈ 10.9 мГн, ${{R}_{d}}$ ≈ 0.4 Ом, масса 0.7 кг, тогда τd ≈ ≈ 27 мс ≫ t1, q ≈ 85.6 ≫ 1.

Диоды D1 и D2 взяты одинаковыми типа VS-HFA16TB120-N3 (www.vishay.com) с параметрами 16 А, 1200 В, 76 А/мкс.

Согласно условию (2), когда Cm ≈ 37.2 мкФ, выбираем конденсатор, выполненный в виде трех параллельно соединенных пленочных конденсаторов CBB-685-400V-685J-CL2 (Китай, ELECYINGFO) с суммарной измеренной емкостью C = = 20.9 мкФ и с предельным напряжением 400 В.

Для подключения заряженного конденсатора к первичной обмотке трансформатора Тр применен низкочастотный тиристор (D3) Т242-80-7 (Россия, г. Саранск, “Электровыпрямитель”) с параметрами: средний ток 80 А, повторяющееся напряжение в закрытом состоянии 700 В. Для отпирания этого тиристора использовано в цепи его управления последовательное соединение токоограничивающего резистора 330 Ом 5W330RJ и двух динисторов (D4) КН102А и КН102Б (www.katod-anod.ru/rd/kn102) с паспортными значениями напряжений включения 20 и 28 В соответственно. Экспериментально их напряжение включения оказалось примерно одинаковым и равным 36 В, а при их последовательном соединении напряжение включения составило 72 В. В результате максимальное напряжение на конденсаторе должно быть равно UmC ≈ 72 В.

Запирание тиристора происходит при снижении его тока i1 до нулевого значения, поэтому длительность импульса тока i1 должна быть существенно меньше интервала времени t2 = 1 мс (1), что обеспечивается величиной емкости конденсатора (C = 20.9 мкФ), параметрами трансформатора (L1, L2, M, R1, R2) и нагрузки (Rн).

Для повышения напряжения на нагрузке Rн по сравнению с максимальным напряжением на конденсаторе UmC был изготовлен импульсный трансформатор Тр с магнитопроводом из таких же, как у дросселя, двух Ш $20 \times 28$ сердечников из феррита 2000НМ. У магнитопровода между сердечниками для их размагничивания при однополярных импульсах тока i1 предусмотрен воздушный зазор 0.1 мм.

Первичная (внешняя) и вторичная (внутренняя) обмотки расположены на общем пластмассовом каркасе с толщиной стенок 1.25 мм. Первичная обмотка выполнена однослойной и состоит из трех параллельных обмоток, каждая из которых изготовлена проводом ПЭТ-155 с диаметром по меди 1.18 мм и с числом витков w1 = 8. Вторичная обмотка имеет число витков w2 = 250 и намотана проводом ПЭТ-155 с диаметром провода по меди 0.8 мм, между слоями этого провода размещена лавсановая пленка толщиной 0.1 мм.

Между первичной и вторичной обмотками расположена изоляция толщиной 0.6 мм из электроизоляционной ПВХ-ленты, которая при толщине 0.15 мм заявлена изготовителем на пробивное напряжение 6 кВ, предположительно рассчитанного на 1 мм (Китай, Safeline). Измеренные параметры трансформатора при 25°С: ${{L}_{1}}$ ≈ 0.167 мГн, ${{R}_{1}}$ < 0.1 Ом, ${{L}_{2}}$ ≈ 157 мГн, ${{R}_{2}}$ ≈ 1.4 Ом, $M$ ≈ 5 мГн, ${{w}_{2}}{\text{/}}{{w}_{1}} \approx 31$, масса 0.7 кг.

В качестве нагрузки использован резистор 5W510RJ с сопротивлением Rн = 510 Ом. Для регистрации напряжений применен цифровой осциллограф (Осц) UNI-T модели UTD2025CL серии UTD-2000L (Китай, г. Дунгуань, Uni-Trend Technology Limited). При этом для регистрации токов используются напряжения, которые снимаются с измерительных резисторов 1 Ом (5W1RJ). Такой же резистор размещен в цепи диода D2 для преобразования в тепло остатков энергии конденсатора при возможном изменении полярности его напряжения при разрядке. Резисторы 5W1RJ, 5W330RJ, 5W510RJ изготовлены в России, г. Королёв, “АС Энергия”.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

На рис. 2 приведены осциллограммы напряжения uC на конденсаторе при различных выходных напряжениях блока питания Ue, на основании которых найдены значения UmC 72 В, период Tc напряжения uC, fн, число импульсов тока зарядки конденсатора N, KUCUmC/Ue: рис. 2а – Ue ≈ 13.8 В, N ≈ 10, Tc ≈ 0.02 с,  fн≈ 50 Гц, KUC ≈ 5.2; рис. 2б – Ue ≈ 19.5 В, N ≈ 5, Tc ≈ 0.01 с, fн ≈ 100 Гц, KUC ≈ 3.7; рис. 2в – Ue ≈ 22.8 В, N ≈ 3, Tc ≈ 0.006 с, fн ≈ 167 Гц, KUC ≈ 3.2.

Рис. 2.

Осциллограммы напряжения uC на конденсаторе: а – при напряжении источника Ue ≈ 13.8 В, развертка 5 мс/деление; б – при Ue ≈ 19.5 В, 2 мс/деление; в – при Ue ≈ 22.8 В, 2 мс/деление. Масштаб по вертикали 20 В/деление. Левая метка – нулевой уровень.

На рис. 3 представлена осциллограмма, соответствующая току iн в нагрузке Rн = 510 Ом, на основании которой можно найти: длительность импульса тока iн на половине его амплитуды 20 мкс, амплитуду этого тока Imн ≈ 2.2 А, амплитуду напряжения на нагрузке Umн = RнImн ≈ 1122 В, амплитуду мощности нагрузки Pmн = UmнImн ≈ 2.47 кВт, при Ue ≈ 13.8–22.8 В коэффициент повышения напряжения KU = Umн/Ue ≈ 81–49. Амплитуду тока i1 в первичной обмотке трансформатора можно оценить так: Im1 ≈ (w2/w1)Imн ≈ 69 А.

Рис. 3.

Осциллограмма напряжения на резисторе 1 Ом, соответствующая току iн в нагрузке Rн = 510 Ом. Масштаб по вертикали 500 мВ/деление, по горизонтали – 50 мкс/деление. Левая метка – нулевой уровень.

Работа генератора также иллюстрируется осциллограммами на рис. 4 и 5, которым соответствует напряжение uC на рис. 2а при Ue ≈ 13.8 В и N ≈ 10.

Рис. 4.

Осциллограммы напряжений на резисторах 1 Ом, соответствующие: а – току ${{i}_{{{{K}_{1}}}}}$ коммутатора К1, развертка 500 мкс/деление; б – току id дросселя, развертка 1 мс/деление. Напряжение источника Ue ≈ 13.8 В. Масштаб по вертикали 500 мВ/деление. Левая метка – нулевой уровень.

Рис. 5.

Осциллограммы: а – напряжение ${{u}_{{{{K}_{1}}}}}$ на коммутаторе К1; б – напряжение ${{u}_{D}}_{{_{1}}}$ на диоде D1. Напряжение источника Ue ≈ 13.8 В. Масштаб по вертикали 20 В/деление, по горизонтали – 2 мс/деление. Левая метка – нулевой уровень.

На рис. 4а показана осциллограмма напряжения на резисторе 1 Ом, подобная току ${{i}_{{{{K}_{1}}}}}$ коммутатора К1. Импульс тока ${{i}_{{{{K}_{1}}}}}$ с амплитудой 1.6 А соответствует зарядке и разрядке конденсатора, а импульсы с амплитудой 1.05 А – только зарядке конденсатора. В результате при максимальной генерируемой мощности блока питания Pme = 13.8 ⋅ 1.6 ≈ 22 Вт коэффициент усиления мощности составил KP = Pmн/Pme ≈ 112.

На рис. 4б представлена осциллограмма напряжения на резисторе 1 Ом, соответствующая току id  дросселя. Сдвоенный импульс тока id с амплитудой 1.4 А соответствует зарядке и разрядке конденсатора, а импульсы с амплитудой 0.95 А – только зарядке конденсатора.

Приближенно наибольшее максимальное значение напряжения ${{u}_{{{{K}_{1}}}}}$ можно рассчитать так: ${{U}_{{m{{K}_{1}}}}}$ ≈ ≈ Ue + UmC = 85.8 В, которое примерно соответствует экспериментальной величине 80 В.

На рис. 5а приведена осциллограмма напряжения ${{u}_{{{{K}_{1}}}}}$ на коммутаторе К1, отражающая процесс работы генератора: девять нарастающих по амплитуде импульсов напряжения соответствуют зарядке конденсатора, а десятый импульс напряжения очевидно соответствует зарядке и разрядке конденсатора. На рис. 5б показана осциллограмма напряжения ${{u}_{D}}_{{_{1}}}$ на диоде D1: при отрицательных значениях напряжения диод D1 заперт, а при ${{u}_{{{{D}_{1}}}}}$ ≥ 0 – открыт. Девять нарастающих по модулю амплитуды импульсов напряжения ${{u}_{{{{D}_{1}}}}}$ соответствуют зарядке конденсатора, а десятый импульс с наименьшей по модулю амплитудой напряжения ${{u}_{{{{D}_{1}}}}}$,очевидно, соответствует зарядке и разрядке конденсатора. Наименьшее запирающее диод D1 напряжение ${{u}_{{{{D}_{1}}}}}$ можно приближенно оценить так: ${{U}_{{m{{D}_{1}}}}} \approx - {{U}_{{m{{K}_{1}}}}} = - 85.8$ В, которое близко к экспериментальному значению –76 В.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследован коммутаторный индуктивно-конденсаторный генератор с полупроводниковым ключевым элементом – IGBT-транзистором, опытная модель которого на активной нагрузке Rн = 510 Ом генерировала импульсные значения мощности и напряжения: Pmн ≈ 2.47 кВт, Umн ≈ 1122 В. При изменении напряжения источника Ue = 13.8–22.8 В коэффициент повышения напряжения получился равным KU = Umн/Ue ≈ 81–49, а при напряжении источника Ue = 13.8 В и его мощности Pme ≈ 22 Вт коэффициент усиления импульсной мощности составил KP = Pmн/Pme ≈ 112. Опытная модель генератора при этих параметрах работала надежно без регулировок и отключений, обеспечивая в нагрузке импульсы тока с амплитудой 2.2 А, длительностью 20 мкс и с частотой повторения 50–167 Гц при изменении напряжения источника Ue = 13.8–22.8 В. С увеличением напряжения источника питания Ue число импульсов N тока зарядки конденсатора снижалось, а частота fн импульсов тока в нагрузке возрастала. Максимальное напряжение на конденсаторе (UmC ≈ 72 В) при его зарядке получено в KUC ≈ 5–3 раз больше напряжения источника (Ue = 13.8–22.8 В).

Список литературы

  1. Коваленко Ю.В., Пурескин Д.Н., Савкин В.Я., Сеньков Д.В., Яковлев Д.В. // ПТЭ. 2016. № 6. С. 28. https://doi.org/10.7868/S0032816216050116

  2. Лившиц А.Л., Отто М.А. Импульсная электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 225.

  3. Шабалин Н.Г., Феоктистов В.П., Иньков Ю.М. // Электротехника. 2011. № 8. С. 33.

Дополнительные материалы отсутствуют.