International scientific e-journal

ΛΌГOΣ. ONLINE

10 (June, 2020)

e-ISSN: 2663-4139
КВ №20521-13361Р

ENGINEERING AND IT

UDC 621.373.4

EOI 10.11232/2663-4139.10.21

МОДЕЛЮВАННЯ ГЕНЕРАТОРА ВИСОКОВОЛЬТНИХ ІМПУЛЬСІВ НА ТАСІТРОНІ ТА ІНДУКТИВНОМУ НАКОПИЧУВАЧІ ЕНЕРГІЇ

ВОЛЯР Б.

студент факультета електроніки

Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського

 

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК:

 

КУЗЬМИЧЄВ А. І.

д-р. техн. наук, професор кафедри електронних приладів та систем

Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського

 

УКРАЇНА


Анотація. Висока напруга (одиниці-десятки кіловольт) генерується за рахунок самоіндукції при вимкненні індуктивного накопичувача енергії від низьковольтного джерела струму накачки (напругою менше 1 кВ) за допомогою високовольтного приладу-комутатора тасітроного типу. Тасітрон є газорозрядним тріодом з густою керуючою сіткою, яка забезпечує ініціювання розряду між катодом і анодом при позитивній напрузі для накачки струмом накопичувача, а потім його вимкнення від джерела струму при подачі на сітку негативної напруги 20–200 В завдяки запиранню електронного потоку на анод. Тасітрони здатні вмкати струми від одиниць до сотень ампер при наявності високої напруги між катодом і анодом за час порядку 1 мкс. Розглянута  схема побудови тасітронного генератора iмпульсiв напруги та проведено її моделювання чисельним методом на комп’ютерi. Тасітрон в період вимкнення струму моделювався змінним в часі резистором. Представлено код програми EXCELL та розрахунки імпульсів напруги на навантаженні і струму ІНЕ на етапі вимикання тасітрона. Проведено дослідження впливу параметрів схеми та електричного режиму на параметри імпульсів високої напруги, що генеруються.

Ключові слова: висока напруга, імпульсна напруга, тасітрон, індуктивний накопичувач енергії..

Вступ. Імпульсну високу напругу найчастіше отримують за рахунок розрядки накопичувального конденсатора на навантаження через підвищувальний трансформатор за допомогою імпульсного ключового приладу або за рахунок каскадного включення накопичувальних конденсаторів, як в генераторі Маркса [1-4]. Також відомий безтрансформаторний спосіб генерації високої напруги за допомогою індуктивного накопичувача енергії (ІНЕ), який заснований на явищі генерації напруги самоіндукції (UL) при виключенні струму: UL = – (diL/dt), де L - індуктивність накопичувача, diL/dt – швидкість зниження струму [1-5]. Як правило, генератори високої напруги на основі ІНЕ простіше інших схем, тому такий підхід використовується в багатьох схемах бестрансформаторного живлення. Особливістю генераторів з ІНЕ є необхідність застосування ключового приладу (S), який здатний не тільки включати струм накачування ІНЕ, але і вимикати його, і чим швидше, тим краще. При цьому прилад в вимкненому стані повинен витримувати без пробою високу напругу UL.

На сьогодні є ряд електронних приладів, здатних багаторазово і в частотному режимі вимикати струм при наявності напруги на електродах. До таких приладів відносяться транзистори, замикаючі (двухопераційні) тиристори, електровакуумні комутатори (ЕВК) із замиканням електронного потоку і деякі типи газорозрядних (плазмових) комутаторів (ГРК) [1-9]. Найбільшого поширення набули транзистори, головним чином, в системах високоефективного безтрансформаторного живлення радіоелектронної апаратури, але величина допустимої напруги у них не перевищує декількох кіловольт. Це також відноситься до вимикаючих тиристорів. Високовольтними є реверсивні диністори, але вони працюють у наносекундному діапазоні. ЕВК вельми ефективні по швидкості вимикання і допустимій напрузі, але вони громіздкі і у них великі втрати потужності на підігрів катода і транспортування електронного потоку через вакуумні проміжки в період провідності. ГРК мають менші втрати в цей період завдяки компенсації електронного просторового заряду позитивним зарядом плазмових іонів. Однак переривання газового розряду при наявності напруги на електродах дуже проблематично. Як відомо, така ж проблема має місце в приладах тиристорного типу, процеси в яких багато в чому аналогічні процесам в ГРК. ГРК з сітковим керуванням був названий тасітрон [5,9]. Сучасні тасітрони дозволяють вимикати струм до 1 кА при напрузі до 25 кВ і більше. Їх основне призначення – працювати спільно з ємнісними накопичувачами енергії, але цікавим є їх застосування і для генерації високої напруги спільно з ІНЕ без використання підвищувальних трансформаторів. Тасітрони є відносно мало відомими приладами, і є потреба у їх більш детальних дослідженнях для розширення їх застосування в електронній техніці.

Мета даної роботи розглянути особливості генерації таситрону високої напруги спільно з ІНЕ і розробити електричну модель генератора високовольтних імпульсів на тасітроні.

Принцип дії тасітрону.

Пошук шляхів до можливості за допомогою сітки не тільки управляти моментом запалювання розряду між катодом і анодом, але й переривати розряд привели до створення приладу нового типу, названого тасітроном. Конструкція тасітрону: катод (з підігрівом для отримання термоелектронної емісії або без підігріву з використанням іонно-електронної емісії) – керуюча сітка – анод. За своєю конструкцією та принципом дії тасітрон схожий на водневий тиратрон [10], але є одна відмінність – дрібноструктурна сітка. При подачі негативної напруги на сітку, в іонній оболонці поблизу неї створюється замикаючий бар’єр для електронів на їх шляху до анода. Недоліком такої сітки є її сильне нагрівання, тому конструкція сітки повинна добре розсіювати тепло. Тасітрон вмикається під час подачі позитивної напруги на сітку і ініціювання газового розряду в проміжку катод-сітка з подальшим переносом розряду на анод. Володіючи високою стабільністю моментів включення і виключення і малим часом деіонізації післярозрядної плазми, таситрон дозволяє комутувати імпульси тривалістю t=0,1-100 мксек з частотою проходження імпульсів F до декількох сотень кілогерц.  

Схеми генерації високої напруги.

Для генерації високовольтних імпульсів була обрана схема тасітронного генератора високої напруги, яка представлена на рис. 1.  На схемi навантаження Rн¢ підключено зліва до тасітрону S.

Рис. 1. Схема генератора iмпульсiв високої напруги.

Rн¢ – навантаження, E – джерело живлення, L – ІНЕ, S – тасітрон, СУ – система управління тасітроном.

 

Моделювання генерації імпульсів високої напруги.

На рис. 2 приведена електрична еквівалентна схема генератора імпульсів. Навантаження моделюємо активним резистором R. Така модель цілком підходить по відношенню до різних високовольтних електронно-вакуумних приладів, коронного розряду, рідких середовищ в допробійному режимі, озонаторів та інших фізичних об’єктів.

Розглянемо етап зростання напруги на навантаженні під час вимкнення тасітрона. Як відомо, процес вимкнення тасітрона пов’язаний з деіонізацією розрядного (міжелектродного) проміжку катод-анод. Цей процес в електричному відношенні можна розглядати як процес зростання електричного опору тасітрона. На підставі цього будемо модулювати тасітрон на етапі вимкнення і зростання напруги на навантаженні змінним в часі опором RS(t). Нам вдалося знайти в літературі [5] дані по зміні опору промислового тасітрона, котрими ми і скористуємося в нашій роботі.

Рис. 2. Електрична еквівалентна схема рис. 1.

E – джерело живлення, L – ІНЕ, R – активне навантаження, RS – еквівалентна опір тасітрону, що змінюється у часі t.

 

Робимо припущення, що джерело живленняя E є ідеальним генератором напруги, тобто допускає проходження через нього будь-якої амплітуди імпульсного струму.

Отже, припустимо, що опір тасітрона в період вимкнення RS змінюється за законом (1) [5]:

Визначаємо спільний опір RS паралельно ввімкнених резисторів R і RS:

Записуємо рівняння за другим законом Кірхгофа для нашого ланцюга:

Робимо заміни:

Отримуємо:

Вираз (2) є неоднорідним рівнянням першого порядку зі змінним коефіцієнтом. Найбільш просто його розв’язувати чисельним методом кінцевих малих різниць. Отримане рівняння було розв’язано в EXCELL. Рівняння (3) визначає напругу на навантаженні. Струм накачки ІНЕ i0 в момент вимкнення тасітрона визначає початкову умову для розв’язку системи (2)-(3).

 

Код програми та результати моделювання.

Sub Calc()

'параметри для прикладу розрахунку

L = 0.0001

E = 1000

a = 500

b = 500000000000#

c = 1000

d = 500000000#

i0 = 20

'-------------

t = 1# / 1000000# 'часовий проміжок

N = 500   'число кроків за часом

dt = t / N 'розмір кроку

'-------------

'di - дельта i

'dt - дельта t

i = i0

t = 0

Sheets.Add 'додаємо новий лист

'Пишемо заголовок

Cells(1, 1).Value = "t"

Cells(1, 2).Value = "i"

Cells(1, 3).Value = "u"

Cells(2, 1).Value = 0

Cells(2, 2).Value = i0

Cells(2, 3).Value = (a + b * t) / (c + d * t) * i

Row = 3 'номер рядка, куди пишемо результат

For J = 1 To N Step 1

  di = (E - (a + b * t) / (c + d * t) * i) / L * dt

  t = t + dt

  i = i + di

  u = (a + b * t) / (c + d * t) * i

  Cells(Row, 1).Value = t

  Cells(Row, 2).Value = i

  Cells(Row, 3).Value = u

  Row = Row + 1

Next J

 

ActiveSheet.Shapes.AddChart.Select

ActiveChart.ChartType = xlLine

ActiveChart.SetSourceData Source:=Range("$B:$B")

 

ActiveSheet.Shapes.AddChart.Select

ActiveChart.ChartType = xlLine

ActiveChart.SetSourceData Source:=Range("$C:$C")

End Sub

 

На рис. 3. представлений приклад розрахунку динаміки зміни напруги на навантаженні u і струму i через ІНЕ (L) для одного з наборів вихідних даних. Часові інтервали, на яких проводилось дослідження були 1 і 3 мкс. Вони розбивались на 500 відрізків, які вказані на горизонтальних осях графіків.

Рис. 3. Приклад розрахунку імпульсів напруги на навантаженні і струму ІНЕ на етапі вимикання тасітрона.

 

Можемо бачити, що при заданих параметрах схеми напруга на навантаженні збільшується до 3.1кВ, яка є в 3 рази більшою ніж напруга, що подається від джерела живлення E.

На рис. 4 – рис. 11 представлені результати обробок чисельних розрахунків при різних значеннях R та L для Е = 1кВ і різних i0, де U – амплітуда імпульсу на навантаженні, W – енергія накачки ІНЕ, du – тривалість фронту імпульсу напруги на навантаженні R, Du – ширина імпульсу напруги на навантаженні на рівні 0,5 (50 %) від максимуму U. Відношення U/W характеризує ефективність генерації імпульсу напруги на навантаженні.

Рис. 4. Графіки залежності амплітуди імпульсу напруги на навантаженні від його опору при L = 100 мкГн, E = 1 кВ.

Рис. 5. Графіки залежності ефективності генерації імпульсу напруги від опору навантаження при L = 100 мкГн, E = 1 кВ.

Рис. 6. Графіки залежності тривалості фронту імпульсу напруги від опору навантаження при L = 100 мкГн, E = 1 кВ.

Рис. 7. Графіки залежності ширини імпульсу напруги від опору навантаження при L = 100 мкГн, E = 1 кВ.

Рис. 8. Графіки залежності амплітуди імпульсу напруги на навантаженні від індуктивності ІНЕ при R = 1 кОм, E = 1 кВ.

Рис. 9. Графіки залежності ефективності генерації імпульсу напруги на навантаженні від індуктивності ІНЕ при R = 1 кОм, E = 1 кВ.

Рис 10. Графіки залежності тривалості фронту імпульсу напруги на навантаженні від індуктивності ІНЕ при R = 1 кОм, E = 1 кВ.

Рис. 11. Графіки залежності ширини імпульсу напруги на навантаженні від індуктивності ІНЕ при R = 1 кОм, E = 1 кВ.

Результати розрахунків свідчать про те, що при даних параметрах схема генерує мікросекундні імпульси з амплітудою в рази більше напруги джерела живлення Е. Енергетична ефективність генерації віще при малих R і L.

Висновки. Виконано численне моделювання iмпульсного генератора на тасітронi на етапі його вимкнення і зростання напруги на навантаженні зі змінним в часі опором тасітрона RS(t). Генерацію імпульсів високої напруги забезпечує ефект самоіндукції при відключенні індукційного накопичувача від джерела живлення за допомогою тасітрону. Величина напруги, що генерується, може становити десятки кіловольт при струмi в навантаженнi десятки ампер. Тривалість iмпульсiв склалає порядка одної чи кількох мікросекунд. При цьому можна виключити використання в схемі генератора високовольтного трансформатора. Застосування тасітрону спрощує електричну схему генератора, так як один такий комутатор може замінити кілька десяткiв напівпровідникових приладів, що включаються послідовно. Також підвищується енергетична ефективність, знижуються маса і габарити генератора в порівнянні з генераторами на електровакуумних комутаторах (електронних лампах).


СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ:

 

  • J. Lehr, P. Ron (eds.). (2017). Foundations of Pulsed Power Technology– IEEE Press-Wiley.

  • Месяц Г.А. (2004) Импульсная энергетика и электроника. – М.: Наука.

  • Соковнин С. Ю. (2008) Мощная импульсная техника. – Екатеринбург: УГТУ. УПИ.

  • Пичугина М.Т. (2008) Мощная импульсная энергетика. – Томск: Изд-во ТПУ.

  • Бочков В.Д., Верещагин Н.М., Горюнов Ф.Г. и др. (1996) Индуктивные накопители энергии, использующие газоразрядные приборы с полным управлением и их применение // Оптика атмосферы и океана. Т.1. №2. С.231-237.

  • Воронин П.А. (2001). Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применения. – М.: Изд. дом Додэка XXI;.

  • Baliga B.J. (2011) Advanced High Voltage Power Device Concepts. – Springer.

  • Rukin S.N. (2020) Pulsed power technology based on semiconductor opening switches: A review // Rev. Sci. Instrum. – V. 91. – No. 1. – P. 011501 (1-46).

  • Бочков В.Д., Королев Ю.Д. (2000). Импульсные газоразрядные коммутирующие приборы // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том. М.: Наука. Кн.IV. С. 446-459.

  • Фогельсон Т. Б., Бреусова Л. Н., Вагин Л. Н. (1974). Импульсные водородные тиратроны. – М.: Сов. радио.


SIMULATION OF HIGH-VOLTAGE PULSE GENERATOR ON TACITRON AND INDUCTIVE ENERGY STORAGE

VOLYAR B. M.
student of faculty of electronics
Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
UKRAINE

SCIENTIFIC ADVISER:

KUZMICHEV A.I.
doctor of technical science, professor of electron device and system department
Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute
UKRAINE

Abstarct.
High voltage (up to tens of kilovolts) is generated due to the self-induction when the inductive energy storage (IES) is switched off from a low-voltage pumping current source (its voltage is less than 1 kV) by means of a high-voltage switch device of tacitron type. Tacitron is a gas-discharge triode with a dense control grid. The grid initiates the discharge between a cathode and an anode at positive voltage to pump the IES, and then disconnects it from the pumping current source when negative voltage of 20-200 V is applying a to the grid to lock the electron flow to the anode. Tacitrons are able to interrupt currents from a few to hundreds of amperes in the presence of high voltage between the cathode and anode for a time of about 1
μs. The scheme of the tacitron pulse voltage generator and its modeling by a numerical method with a computer are considered. Tacitron during the switch off stage is simulated by a time-varying resistor. The EXCELL program code and results of calculations of voltage pulses on a load and current of IES at the stage of switching off of the tacitron are presented. The influence of the parameters of the circuit and the electric mode on the parameters of the generated high voltage pulses is studied.

Keywords: high voltage, pulse voltage, tacitron, inductive energy storage.

© Воляр Б., 2020

© Volyar B., 2020

 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

PUBLISHED : 25.06.2020