Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

300

Глава 16. Импульсные трансформаторы

промежутка разрядника Р

. В контуре Ь

С\ стоит управляемый многозазорный

разрядник в среде атмосферного воздуха. В таком генераторе получена частота

следования импульсов 200 Гц [5]. Трансформатор Тесла использован также в им-

пульсном ускорителе электронов «РИУС-5» мегавольтного диапазона [6]. Транс-

форматор заряжает коаксиальную линию, которая размещена в одном с ним корпу-

се в атмосфере смеси элегаза 50% и азота 50%. Первичный емкостный накопи-

тель

С\

расположен вне этого корпуса.

В этих генераторах коэффициент связи контуров равен к = 0,6, поэтому макси-

мум напряжения достигается только на второй полуволне. Это делает такой тип

генератора ненадежным в работе, так как длительное время (~10 мкс) до срабаты-

вания основного коммутатора

сам трансформатор Тесла, линия Л

и коммута-

тор Р

находятся под полным зарядным напряжением. В [7] для устранения этой

трудности предложено использовать трансформаторы с коэффициентом связи к= 1

за счет разомкнутого ферромагнитного сердечника. Обычно такой трансформатор

встраивается непосредственно в коаксиальную формирующую линию ускорителя.

Например, в конструкции трансформатора, показанного на рис. 2 [1, 8], магнито-

провод является одновременно проводником формирующей линии. Для такого

трансформатора важной характеристикой является отношение Ь

!Ь

(Ь

= Ь

8х

+Ь

8г

)

эффективной индуктивности рассеяния к индуктивности намагничивания, при-

веденных к первичному контуру (рис. 3.5). Для коаксиального трансформатора

(рис. 2) [1]:

1я 2

Г1

\2р + 1)(р-1)1пр, (16.1)

, \2

и з"Ц~

-я

где Р = г\1г

\ г\ и г

- соответственно внешний и внутренний радиусы коаксиаль-

ной формирующей линии;

- длина обмотки трансформатора. Отношение

1Ь^

определяет коэффициент полезного действия т| и коэффициент связи к трансфор-

матора. Согласно [1]

4а

+ а

Ь,

- а(2 - я/2) + а

(1 +

а)

(16.2)

Рис. 16.2. Устройство трансформатора Тесла, встроенного в коаксиальную формирующую

линию:

- первичная обмотка; 2 - вторичная обмотка; 3,4- соответственно центральный и

наружный электроды формирующей линии, являющиеся одновременно магнитопроводом

трансформатора Тесла; 5 - формирующая линия

§16.2

Генераторы

трансформаторами Тесла

301

\ (16.3)

где а = Ь\С\1ЬгСг.

Из (1)-(3) следует, что при Ь

/Ь^ «с

к «1, а коэффициент полезного действия

при

2-КЗ

и г\Н

= 0,05-5-0,1 будет составлять 0,8-0,9. Более подробные сведения

о расчете таких трансформаторов можно найти в [1].

В качестве коммутаторов в первичной цепи трансформаторов Тесла использу-

ются искровые разрядники [5] и тиристоры [8]. Применение последних дает воз-

можность осуществлять питание ускорителя прямо от промышленной сети через

выпрямители.

Один из первых действующих сильноточных импульсно-периодических ускори-

телей электронов «Синус-4» на основе трансформатора Тесла с разомкнутым фер-

ромагнитным сердечником, встроенным в формирующую линию (рис. 2), имел сле-

дующие параметры: энергия электронов 400 кэВ; ток пучка 8 кА; длительность им-

пульсов 25 не; частота повторения 100 Гц; напряжение на первичной обмотке транс-

форматора V1 = 340 В;

= г

/г

«3,3; 4

100 см; время зарядки формирующей

линии 35 мкс. Магнитопровод выполнен из электротехнической стали Э-340 (пакеты

из ленты толщиной 80 мкм). Первичная накопительная емкость содержит 30 конден-

саторов по 100 мкФ, а первичный коммутатор - 30 тиристоров. Средняя мощность

такого ускорителя электронов около 10 кВт [8].

Параметры некоторых импульсных ускорителей серии «Синус» приведены в

таблице 1. В них накопительная линия, заполненная трансформаторным маслом,

подключается к нагрузке через коммутатор со сжатым до 10 атм азотом с продув-

кой газа. При исследовании работы таких коммутаторов было обнаружено, что па-

раметры импульсов на нагрузке нестабильны [8]. Оказалось, что это связано с тем,

что канал разряда в газоразрядном коммутаторе меняет свое место в промежутке

Рис.

16.3.

Осциллограммы импульсов напряжения на нагрузке генератора «Синус» (справа)

и соответствующие им фотографии канала разряда в коммутаторе (слева) при скорости про-

дувки газа

> (а) и

« 1;

(б). Фотографии были получены при амплитуде напряжения

600 кВ, токе

А, длительности импульса

не, частоте следования импульсов 100 Гц

302

Глава 16. Импульсные трансформаторы

между катодом и анодом (рис. 3). Для устранения этого недостатка скорость про-

дувки газа в коммутаторе должна быть достаточно большой, чтобы удалить плазму

от предыдущего разряда, но не настолько высокой, чтобы сильно охлаждать и

очищать поверхность катода от мест повышенной эмиссии электронов. Таким об-

разом, существует оптимальная скорость продувки газа которая зависит от час-

тоты следования импульсов. Этот эффект хорошо иллюстрируется на рис. 3.

Таблица 16.1.

Параметры некоторых импульсных ускорителей серии «Синус»

Ускоритель

Энергия элект-

ронов, кэВ

Ток пучка, кА

Длительность

импульсов,

НС

Частота повто-

рения, Гц

СИНУС-4

400

8 25

100

СИНУС-5

700 7

100

СИНУС-6

400 5 25

1000

СИНУС-7

2000

20 40

100

Трансформаторы Тесла широко используются также для создания компактных

высоковольтных наносекундных импульсных генераторов для получения элек-

тронных пучков и рентгеновских импульсов [2]. Одними из наиболее эффективных

устройств такого типа являются установки «Радан» [10], разработанные в ИЭФ.

В них используется трансформатор Тесла, встроенный в коаксиальную линию,

заполненную трансформаторным маслом (рис. 4). Коммутация тока в первичной

цепи трансформатора производится на напряжении, равном сетевому, при помощи

Рис.

16.4.

Блок-схема ускорителя типа «Радан»: 1,2 - первичная и вторичная обмотки; 3,4-

внешняя и внутренняя обмотки трансформатора Тесла; 5 - газовый разрядник; 6 - нагрузка;

7, 8 - емкостный делитель напряжения; А1-А4 - таймеры; В1-В4 - делители импульсов;

И - драйвер, VI-УЗ - полупроводниковые вентили; 81,82- сигналы от внешнего источника

§16.2

Генераторы

с трансформаторами

Тесла

303

Рис.

16.5.

Общий вид установки типа «Радан». Напряжение 30-300 кВ, волновое сопротив-

ление линии 45 Ом, длительность импульса 4 не, фронт импульса

не, максимальная часто-

та импульсов 25 Гц, масса 28

кг,

потребляемая средняя мощность 250 Вт

тиристоров. В качестве коммутатора на высоковольтной стороне использован раз-

рядник высокого давления в атмосфере азота при давлении 40 атм. Общий вид ус-

корителя «Радан» приведен на рис. 5. Ускорители типа «Радан» широко применя-

ются для накачки газовых и полупроводниковых лазеров, генерации рентгеновско-

го излучения и СВЧ-колебаний с длиной волны 2-10 мм и мощностью в импульсе

10-60 МВт, для стерилизации медицинских приборов и других целей.

§ 16.3 Генераторы с автотрансформаторами

Мартин и Смит [11] для получения импульсов напряжением до 1 МВ предло-

жили использовать импульсный автотрансформатор с обмоткой из металлической

фольги. Характерной особенностью этого трансформатора является пропитка бу-

мажной изоляции диэлектриком с большой 8 (водой). Это приводит к выравнива-

нию электрического поля на закраине фольги. Конфигурация одной из обмоток

такого трансформатора показана на рис. 6. Контакты Б и С являются выводами

первичной обмотки, а А и В - концами вторичной. Перед тем, как свернуть фоль-

гу в спираль, на нее накладывается изоляционная лента из полиэтилена или лавса-

на, а вырезанные места дополняются адсорбирующей бумагой, толщина которой

выбирается равной толщине фольги. Затем лента из фольги с наложенной изоляци-

ей наматывается на цилиндр. На рис. 3.7 показаны одна из схем автотрансформа-

тора и эквивалентная схема замещения. Первичное напряжение может подаваться

не обязательно на нижние витки, но и на средние. Напомним, что на рис. 3.7

Рис. 16.6. Конфигурация обмотки из фольги с наложенной изоляцией: 1 - изоляционная

прокладка; 2 - лента

из

фольги

С И

304

Глава 16. Импульсные трансформаторы

приняты следующие обозначения: С - емкость накопителя; СУУ

- приведенная

емкость нагрузки; Ь

1Ь^ - индуктивность рассеяния; Ь

- индуктивность пер-

вичной и вторичной обмоток; Ь

- суммарная индуктивность конденсатора, коммута-

тора и подводящих проводников,

АГ

- коэффициент трансформации. Индуктивность

рассеяния определяется по формуле:

. 36 10-

г >

Гн

> (16.4)

Ь\

1Ь

где А - полная толщина обмотки; Ъ

- соответственно минимальная и макси-

мальная ширина фольги (рис. 6); г - радиус обмотки. Все размеры должны быть

выражены в сантиметрах.

Индуктивность первичной обмотки рассчитывается по формуле:

40-10

-9

«и ш

?Гн

г + Ъ

Отношение выходного напряжения к входному определяется из соотношения:

ъх

(а+^ОХ^+Л^)'

а длительность фронта импульса:

/ф «71

)А^

П1/2

С!+^

(16.7)

Например, для получения [/

ых

800 кВ при Ц

ъх

= 50 кВ, 1

1Н0~

Гн, С

= 900 пФ, С1 = 0,5 мкФ, N = 16, А = 1,5 см, г = 10 см, Ь

= 50 см, длительность

фронта должна составить 0,1 мкс.

Было разработано несколько импульсных ускорителей электронов с питанием

формирующей линии от автотрансформатора. В [12] сообщается о разработке

ускорителя «Синус-1» с энергией электронов 500 кэВ, током 10 кА, длительностью

импульса 25 не. Формирующая линия заряжается через импульсный автотранс-

форматор с разомкнутым ферромагнитным сердечником. В качестве формирующе-

го элемента используется коаксиальная линия, заполненная глицерином с волно-

вым сопротивлением 8 Ом.

Ускоритель схематически изображен на рис. 7. В металлической трубе 2 по-

мещены импульсный трансформатор 4, накопительный элемент 5 в виде отрезка

коаксиальной линии, камера с разрядниками высокого давления 6 и ускоритель-

ная трубка. Первоначально энергия накапливается в зарядном конденсаторе 7,

который расположен снаружи трубы и соединяется с обмоткой трансформатора

полосковой линией. Включение конденсатора 1 на обмотку трансформатора про-

изводится воздушным разрядником 3. В импульсном трансформаторе исполь-

зован разомкнутый броневой сердечник из электротехнической стали, так как

магнитный поток не успевает распространяться по всему сердечнику. Отсутствие

замкнутого сердечника облегчает использование трансформатора в коаксиаль-

ной конструкции. Обмотка выполнена по схеме автотрансформатора и имеет

клиновидную форму (сужается от начала к концу). Между витками проложена

§16.2

Генераторы

с трансформаторами

Тесла

305

Рис.

16.7.

Схематический чертеж ускорителя. 1 - зарядный конденсатор, 2 - труба, 3 - раз-

рядник, 4 - импульсный трансформатор, 5 - накопительный элемент, 6 - камера разрядни-

ков,

- обостряющий разрядник, 8 - срезающий разрядник, 9 - катод, 10 - анод

полиэтиленовая пленка. Необходимость быстрой зарядки накопительной линии

(0,5 мкс) при большой величине зарядной емкости предъявляет жесткие требова-

ния к индуктивности всей зарядной схемы. Эта задача решена применением транс-

форматора с малыми габаритами и минимально возможным расстоянием между

витками, а также предельным уменьшением индуктивности первичного контура

трансформатора. С этой целью подвод энергии к трансформатору от первичной

накопительной емкости осуществляется при помощи низкоимпедансной полоско-

вой линии, которая проходит по кратчайшему пути внутри сердечника трансфор-

матора. Верхняя часть трубы 2, где расположен трансформатор, заполнена транс-

форматорным маслом. В нижней части трубы помещается накопительная коакси-

альная линия 5 с глицерином в качестве диэлектрика. Для укорочения фронта

импульса на нагрузке используется разрядник 7 в атмосфере сжатого до 12 атм

азота, а для задания необходимой длительности импульса - срезающий разряд-

ник 8

так как без него из-за неполного согласования линии с нагрузкой появляют-

ся послеимпульсы.

Автотрансформатор использовался также для разработки ускорителя «Синус-2»

с энергией электронов 1 МэВ, током 30 кА и длительностью импульса 40 не [13]

(рис. 8). Так же, как и в предыдущем случае, для зарядки двойной формирующей

20. Месяц Г.А.

306

Глава 16. Импульсные трансформаторы

2 3

у - " ши

Рис.

16.8.

Конструкция ускорителя «Сииус-2».

- вводы энергии от первичных накопитель-

ных конденсаторов, 2 - вторичная обмотка, 3 - сердечник автотрансформатора, 4 и 5 -

двойная формирующая линия, 6 - фольга для вывода пучка электронов,

- взрывоэмисси-

онный катод, 8 - зарядная индуктивность, 9 и 10 - емкостные делители напряжения,

газовый коммутатор,

12-

окно для инжекции электронов в газовый зазор

линии (ДФЛ) используется автотрансформатор с разомкнутым ферромагнитным

сердечником. ДФЛ заполнена касторовым маслом (е = 4,4). Волновые сопротивле-

ния наружной и внутренней линий 9,2 и 11,2 Ом. Генератор работает следующим

образом. Накопительные емкости через четыре последовательных газовых разряд-

ника разряжаются на первичную обмотку автотрансформатора. Использование

одновременно четырех разрядников снижает индуктивность первичного контура

до 25 нГн. Напряжение со вторичной обмотки автотрансформатора подается на

зарядку ДФЛ через индуктивность 4 мкГн для уменьшения предымпульса на на-

грузке. При времени зарядки ДФЛ 1 мкс амплитуда предымпульса не превышает

5% от зарядного напряжения. При достижении максимума напряжения на ДФЛ

срабатывает основной коммутатор - двухэлектродный разрядник в азоте с давле-

нием 10 атм, управляемый импульсным электронным пучком (2 кА, 40 не, 300 эВ),

чтобы иметь объемный разряд в коммутаторе и устранить влияние индуктивности

искры на фронт импульса.

Дальнейшим развитием этой системы зарядки являются генераторы со встроен-

ным внутрь двойной формирующей линии автотрансформатором [7]. Схема работы

генератора такова. Первичная накопительная емкость через последовательный раз-

рядник подключается к первичной обмотке автотрансформатора, который заряжает

емкость ДФЛ. В максимуме напряжения на ДФЛ срабатывает двухэлектродный раз-

рядник. На выходе ДФЛ формируется импульс напряжения, который прикладывается

к диоду со взрывной эмиссией. В результате генерируется электронный пучок с

энергией электронов до 500 кэВ, длительностью 15 не и током 4 кА.

Фольговые трансформаторы успешно используются при зарядке мощных во-

дяных накопителей. В наибольшей мере достоинства фольговых трансформато-

ров для указанной цели реализованы в ускорителе, описанном в [14]. Использо-

вание высокопрочной пленочной изоляции, пропитанной проводящим водным

§16.4

Линейный импульсный трансформатор

307

раствором, осуществление параллельной работы трансформаторов, а также по-

вышение виткового напряжения путем подключения первичного накопителя к

части первичного витка трансформатора дали возможность авторам указанной

работы трансформировать энергию 20 кДж с уровня напряжения 50 кВ до 1 МВ

за время 10~

с.

§ 16.4 Линейный импульсный трансформатор

Для получения импульсов мегавольтного диапазона микросекундной длитель-

ности с энергией до 10

Дж и более используются линейные импульсные транс-

форматоры (ЛИТ) [3]. Как указано в главе 3, ЛИТ состоит из N одновитковых

трансформаторов с единой вторичной обмоткой. В качестве вторичной обмотки

используется металлический стержень, на который надеты тороидальные индукто-

ры с первичной обмоткой. На каждую первичную обмотку одновременно происхо-

дит разряд конденсатора или линии через быстродействующий управляемый раз-

рядник. Схема замещения ЛИТ и механизм умножения напряжения рассмотрены

выше (см. главу 3).

Месяц [3] описал импульсный генератор «Модуль» для получения горячей

плазмы методом МГД-обжатия, разработанный в ИСЭ. Он генерирует импульс то-

ка до 2 МА при длительности 10"

с, напряжении 2 МВ и запасаемой энергии

100 кДж. Генератор состоит из зарядного устройства, водяных накопительной и

передающей линий и соответствующих коммутаторов. В качестве зарядного уст-

ройства в данной установке используется линейный импульсный трансформатор

(рис. 9). Импульсный трансформатор 2 имеет малую внутреннюю индуктивность,

так как вторичная обмотка выполнена в виде одного витка 2а. Это позволяет

использовать ЛИТ для быстрой зарядки высоковольтных накопителей с большим

Рис.

16.9.

Схема установки «Модуль»: 1 - запускающий генератор; 2 - линейный импульс-

ный трансформатор; 3 - конденсаторы ИК-50-3 (48шт.); 4 - разрядники; 5 - конденсатор

перемагничивания; 6 - водяные формирующие линии (6 шт);

- обостряющие разрядники;

8 - передающая линия; 9 - нагрузка; 10 - изоляция из пленки, пропитанной глицерином;

- индуктивность перемагничивания;

- изоляторы;

- передающая линия

20*

308

Глава 16. Импульсные трансформаторы

энергозапасом, включая водяные накопители. ЛИТ выполнен в виде набора двена-

дцати однотипных секций. Каждая секция состоит из двух трансформаторов с од-

новитковыми первичной и вторичной обмотками. Вторичные обмотки соединены

последовательно. Первичный контур трансформатора состоит из двух разнополяр-

но заряженных конденсаторов 3 (3-10

-6

Ф, 40-10

-9

Гн, 50-10

В), шести передающих

параллельно включенных кабелей и двух коммутирующих газовых разрядников 4.

Первичный виток образован жилами передающих кабелей. Коэффициент транс-

формации ЛИТ, приведенный к зарядному напряжению конденсатора, равен 48.

Сердечники магнитопроводов изготовлены из электротехнической ленты, которая

покрывалась лаком и склеивалась эпоксидной смолой. Это придало сердечникам

механическую прочность и упростило их дальнейшую обработку. Окончательные

размеры сердечников: внутренний диаметр 250 мм, наружный - 515 мм, коэффи-

циент заполнения 0,8, масса одного сердечника 75 кг. Два сердечника, установлен-

ные в корпус с зазором между ними 3-4 мм, образовывали один магнитопровод

сечением 230 см

. Для уменьшения сечения магнитопроводов предусмотрена схема

импульсного перемагничивания (5,11). Для подключения конденсаторов С\ к пер-

вичной обмотке ЛИТ используются управляемые искровые разрядники, которые в

диапазоне напряжений 25-45 кВ имеют разброс времени срабатывания менее

10 нс. Вторичный виток ЛИТ образован корпусом и центральным стержнем 2а

(рис. 9), изготовленным из трубы диаметром 80 мм. Для изоляции трубы от магни-

топровода на нее намотана полиэтиленовая пленка 10, пропитанная глицерином.

Объем трансформатора также заполнен глицерином. Выбор глицерина в качестве

диэлектрика для трансформатора вместо воды обусловлен наличием стальных

магнитопроводов. Испытание глицерино-пленочной изоляции импульсом напря-

жения амплитудой 1,5-10

В и длительностью 1,8-10"

с показало, что при единич-

ном импульсе пробой изоляции наступает при напряженности поля 1,5-10

В/см;

при напряженности 1,2-10

В/см пробой происходит после 10-15 импульсов. При

максимальных проектных параметрах напряженность поля внутри трансформатора

составляет 0,5-10

В/см, что позволяет надеяться на надежную работу изоляции.

Накопитель установки «Модуль» был выполнен из шести параллельно вклю-

ченных коаксиальных линий 6 (рис. 9) с водяной изоляцией. При максимальном

проектном напряжении напряженность электрического поля на внешних провод-

никах линий

Е+

= 120-10

В/см, на центральных Е. = 240-10

В/см. Принятая ком-

поновка позволила приблизительно вдвое уменьшить диаметр накопителя по срав-

нению с одиночной формирующей линией с тем же волновым сопротивлением и

той же напряженностью электрического поля. Волновое сопротивление одной ли-

нии 4,6 Ом, суммарное - 0,08 Ом. Каждая формирующая линия коммутируется

шестиканальным разрядником 7 с поджигающими узлами тригатронного типа.

Разрядники имеют форму тора и работают в атмосфере сжатого элегаза. Запус-

кающий импульс напряжения формируется запускающим генератором 7 и по пе-

редающей линии 13, смонтированной внутри вторичного витка трансформатора и

внутренних электродов формирующих линий, поступает одновременно на все 36

тригатронов. Изготовление передающей линии внутри вторичного витка обеспечи-

вает развязку запускающего генератора от напряжения на линиях. Передающая

линия 8 конусного типа с водяной изоляцией и постоянным по длине волновым

сопротивлением 0,8 Ом переходит в дисковую линию, в которой установлен коль-

§16.4

Линейный импульсный трансформатор

309

цевой разделительный изолятор 9а из оргстекла диаметром 200 мм. По центру

дисковой линии устанавливается нагрузка.

Иллюстрацией использования ЛИТ для зарядки накопительного элемента мо-

гут служить установки «СНОП-2», «СНОП-3» и «МИГ», созданные в ИСЭ [1, 15,

16]. Генератор «СНОП-3» (рис. 10) [15], предназначенный для исследования дина-

мики сжатия многопроволочных лайнеров, развивает мощность 1 ТВт и обеспечи-

вает в индуктивной нагрузке 30 нГн ток 2,2 МА при скорости его нарастания

4-10

А/с. Генератор состоит из первичного накопителя энергии (конденсаторной

батареи), линейного импульсного трансформатора, промежуточного емкостного

накопителя, формирующей и передающей линий. Коммутация между этими эле-

ментами осуществляется управляемыми и неуправляемыми водяными разрядни-

ками. Стремление к минимальной длительности зарядки низкоомных линий с во-

дяной изоляцией заставляет использовать трансформаторы с минимальной индук-

тивностью рассеяния.

Именно таким трансформатором является ЛИТ. Он состоит из двадцати четы-

рех трансформаторов с одновитковыми вторичными обмотками. В состав пер-

вичного контура каждого трансформатора входят два разнополярно заряженных

конденсатора, шесть передающих параллельно включенных кабелей и два газо-

вых коммутатора. Каждый трансформатор имеет свой кольцевой магнитопровод.

Внутри магнитопроводов ЛИТ проходит металлический стержень, который вме-

сте с корпусом трансформатора образует вторичный виток ЛИТ. Этот стержень

изолируется полипропиленовой пленкой, пропитанной трансформаторным мас-

лом. Такая изоляция выдерживает электрическое поле 10

В/см. Один конец

стержня закреплен в проходном изоляторе и соединен с внутренним электродом

формирующей линии. Таким образом, вторичные контуры трансформаторов

4 6 7 8 9 10 11 12 13

Рис.

16.10.

Устройство генератора «СНОП-3».

- 24 индуктора; 2 - внутренний токопровод;

3 - глицериыо-пленочная изоляция; 4 - проходной изолятор; С\ - 48 конденсаторов; Р -

49 коммутирующих разрядников; 5 - Ь\ С

- разделительная индуктивность и конденсатор

схемы размагничивания; 6 - промежуточный емкостный накопитель;

- опорные изолято-

ры; 8 - водяная изоляция; 9 - управляемый многоканальный коммутатор; 10 - формирую-

щая линия;

- неуправляемый многоканальный коммутатор;

- передающая линия;

емкостные датчики напряжения; 14 - токовый датчик; 15 - блок нагрузки; 16 - вакуумный

изолятор