Un modulador de potencia que comprende: al menos dos módulos de generación de pulsos;

e incluye al menos un bobinado secundario que rodea todos los núcleos magnéticos de una pluralidad de núcleos magnéticos, en el que cada uno de dichos al menos dos módulos de generación de pulsos incluye: un condensador de almacenamiento de energía; y medios de conmutación controlables electrónicamente en el apagado y encendido; y al menos un diodo conectado en paralelo con los conductores de salida de dicho módulo de generación de pulsos; caracterizado porque cada módulo de generación de pulsos incluye además un conjunto de bobinados primarios, cada uno de dichos bobinados primarios en cada uno de dichos conjuntos de bobinados primarios rodea un núcleo magnético respectivo de dicha pluralidad de núcleos magnéticos, y cada uno de dichos bobinados primarios en cada uno de dichos conjuntos de bobinados primarios está conectado en paralelo con al menos uno de dichos módulos de generación de pulsos para proporcionar así un modulador de potencia, en el que cada uno de dichos al menos dos módulos de generación de pulsos alimenta todos los núcleos magnéticos de dicha pluralidad de núcleos magnéticos

Modulador de potencia Campo de la invención La invención se refiere a moduladores de potencia, y más específicamente a moduladores de potencia que tienen 5 módulos de generación de pulsos que utilizan bobinados primarios y secundarios.

Antecedentes de la invención

a. Moduladores, descripción general y definiciones de la terminología Un modulador es un dispositivo que controla el flujo de potencia eléctrica. Cuando se enciende una lámpara eléctrica y se vuelve a apagar, se podría decir que se está modulando la corriente que alimenta la lámpara. En su forma más común, un modulador suministra un tren de pulsos eléctricos de alta potencia a una carga especializada como un generador de microondas. La mayoría de los conjuntos de radares de alta potencia del mundo utilizan moduladores para suministrar pulsos de potencia a una fuente de microondas, la cual, a su vez, suministra la potencia, en la forma de burbujas periódicas de microondas, a una estructura de antena. Otras aplicaciones posibles de tal modulador de potencia se enumeran en el texto que sigue.

En las décadas transcurridas desde la Segunda Guerra Mundial, la estructura básica de los moduladores de potencia no ha cambiado significativamente. Un modulador convencional consiste en un suministro de potencia, que recibe potencia de una línea de potencia AC, eleva el voltaje, rectifica la potencia para producir una potencia directa de corriente DC, y se utiliza para suministrar energía a un almacén, constituido habitualmente por un banco de condensadores energéticos. Esto es necesario ya que la línea de potencia de entrada no puede suministrar la potencia pico requerida, de modo que el almacén se utiliza para suministrar la potencia pico en pequeñas cantidades de energía, y se reabastece o rellena por la DCPS a una velocidad razonablemente constante con una potencia promedio mucho más baja.

Parte de la energía en este almacén se transfiere a continuación a un segundo almacén más pequeño, habitualmente una red de formación de pulsos (PFN) . La PFN es una red de condensadores e inductores diseñada para suministrar potencia a una carga en la forma de un pulso rectangular (parte superior plana) con unos tiempos de subida y bajada rápidos en comparación con la anchura o duración del pulso.

La red de formación de pulsos (una línea artificial de transmisión o línea de retardo) se conmuta a continuación para conectarse al lado primario de un transformador de pulsos, habitualmente, aunque no siempre, un transformador de elevación de voltaje. El voltaje de la PFN antes de conmutar es V, y el voltaje aplicado al primario del transformador de pulsos es V/2 o algo menos. Esta es una desventaja de la tecnología de PFN. La razón de espiras del transformador de pulsos (razón de elevación de voltaje) debe ser el doble de grande con una PFN que con la presente invención.

La PFN se descarga completamente en un tiempo T (típicamente de unos pocos a unas pocas decenas de microsegundos) , manteniendo un voltaje razonablemente constante en el primario del transformador de pulsos y produciendo un pulso de salida razonablemente plano en el secundario del transformador. Pero si se requiere una planaridad del pulso de 0, 1% o similar, entonces la PFN debe tener un número muy grande de secciones de inductor

condensador (LC) y será difícil de ajustar. Asimismo, si fallara cualquier componente de la PFN, la PFN requerirá de un nuevo ajuste cuando se instale la nueva pieza, ya que todos los valores y posiciones de las piezas son muy críticos en una PFN.

Una vez suministrado el pulso, la PFN debe ser recargada completamente hasta un voltaje V para el siguiente pulso. Para mantener una repetibilidad pulso a pulso de unas cuantas décimas de 1%, está gran "oscilación" del voltaje de carga debe 40 ocurrir con una gran precisión. Asimismo, cargar y descargar completamente todos los condensadores de la PFN para cada pulso, de varios cientos a varios miles de veces por segundo, exige un gran esfuerzo al material dieléctrico de estos condensadores, y esto fuerza a que los capacitores se diseñen con una carga muy baja y por tanto una densidad de energía muy baja. Esto hace que la PFN sea una gran estructura en comparación con el nuevo concepto inventivo, en el que los condensadores no se descargan y recargan en cada pulso, y por tanto pueden tener una densidad de energía 45 mucho mayor.

Como resumen, las desventajas de los moduladores del estado de la técnica anterior son:

– Los voltajes en el lado primario del transformador de pulsos son elevados, típicamente de 10 kV o más.

– La PFN debe ser completamente cargada al intervalo de 10-20 kV en cada pulso, y se descarga completamente durante el pulso, situando una elevada carga en sus condensadores.

50 – Los condensadores de la PFN tienen una densidad de energía baja por la razón anterior, de modo que son bastante grandes en comparación con los condensadores de baja tensión utilizados en el nuevo concepto.

– Si tiene lugar un cortocircuito en la carga (como ocurre frecuentemente con los tubos de magnetrón) no hay manera de interrumpir el flujo de corriente, ya que el conmutador de alta tensión de la PFN (un tiratrón de gas) no puede ser apagado hasta que su corriente caiga a cero.

– Si un componente de la PFN falla, es necesario reajustar la PFN para una forma óptima del pulso una vez que el componente es sustituido. Esto es una tarea laboriosa y peligrosa, ya que debe ser hecha con el alto voltaje aplicado a la PFN.

– Si se necesita una anchura de pulso diferente, es necesario sustituir y reajustar la estructura de la PFN.

b. Transformadores de pulsos La historia de los transformadores de pulsos denominados de espiras fraccionarias comienza con una invención de Nicholas Christofilos, que fue otorgada al laboratorio nacional Lawrence Livermore (LLNL) del gobierno norteamericano a comienzos de los años 60. En ese momento, el laboratorio se denominaba laboratorio Lawrence Livermore o LLL. Esta invención divulgaba un modo de utilizar un gran número de núcleos magnéticos toroidales (en forma de rosquilla) , cada núcleo alimentado por un generador de pulsos de alto voltaje a varias decenas de kilovoltios (kV) (utilizando un explosor y una red de formación de pulsos o PFN) para generar un potencial de aceleración de varios cientos de kilovoltios a varios megavoltios (MV) para acelerar un haz de partículas cargadas. La idea básica de este denominado acelerador lineal de inducción magnética (LMI) se muestra a continuación en las figuras 1 y 2.

La figura 1 ilustra un conjunto de núcleos magnéticos toroidales dispuestos de modo que sus orificios centrales rodeen una línea recta, a lo largo de la cual será acelerado el haz de partículas.

La figura 2 muestra la estructura del LMI, con más detalles añadidos; se muestra un sistema de alimentación de alto voltaje (HV) (cada núcleo tiene uno) y se indica la trayectoria del haz de partículas.

La característica principal de este tipo de acelerador es que, al igual que todos los aceleradores LINAC, tiene una superficie externa que está a tierra. Todos los voltajes que alimentan los núcleos individuales parecen sumarse en serie hacia el eje central, pero no aparecen en ningún otro sitio. Esto significa que el acelerador no irradia energía al exterior y es fácil de instalar en un laboratorio, ya que no necesitan aislamiento del entorno. Un acelerador LMI de 800 kV se construyó en el LLL en los años 60 (el acelerador ASTRON) , y fue utilizado para acelerar haces de electrones en experimentos de fusión. Una máquina LMI más grande (FXR, de rayos X de destello) se construyó en ese laboratorio en los años 70, y aceleraba un pulso de la electrones hacia un blanco de conversión de rayos X. El FXR se utilizó para la radiografía de fotograma congelado de explosiones.

El principio de funcionamiento del acelerador LMI puede ser ilustrado con la ayuda de la figura 3, que muestra una sección transversal de la máquina en un plano que incluye el eje del haz.

Se necesitan algunas reglas del juego para discutir el comportamiento de la estructura de núcleos múltiples mostrada en la figura 3. En primer lugar, se necesita la regla de la mano derecha. Esta regla (arbitraria) establece que si se agarra un conductor con la mano derecha, con el pulgar apuntando en la dirección de flujo positivo de corriente, entonces los dedos de enroscarán alrededor del conductor en la dirección de las líneas de flujo... [Seguir leyendo]

1. Un modulador de potencia que comprende:

al menos dos módulos de generación de pulsos; e incluye al menos un bobinado secundario que rodea todos los núcleos magnéticos de una pluralidad de núcleos 5 magnéticos, en el que cada uno de dichos al menos dos módulos de generación de pulsos incluye:

un condensador de almacenamiento de energía; y medios de conmutación controlables electrónicamente en el apagado y encendido; y al menos un diodo conectado en paralelo con los conductores de salida de dicho módulo de generación de 10 pulsos; caracterizado porque cada módulo de generación de pulsos incluye además un conjunto de bobinados primarios, cada uno de dichos bobinados primarios en cada uno de dichos conjuntos de bobinados primarios rodea un núcleo magnético respectivo de dicha pluralidad de núcleos magnéticos, y cada uno de dichos bobinados primarios en cada uno de dichos conjuntos de bobinados primarios está conectado en paralelo con al menos uno de dichos módulos de generación de pulsos para proporcionar así un modulador de potencia, en el que cada uno de dichos al menos dos módulos de generación de pulsos alimenta todos los núcleos magnéticos de dicha pluralidad de núcleos magnéticos.

2. Un modulador de potencia de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho al menos un diodo es un diodo o un conjunto de diodos conectados en serie que están conectados entre dichos medios de conmutación y el 20 conductor que devuelve la corriente a dicho condensador.

3. Un modulador de potencia de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que dicho al menos un diodo es parte de un conjunto de diodos conectados en serie.

4. Un modulador de potencia de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que dicho conjunto de bobinados primarios es un conjunto de bobinados primarios de una única espira.

5. Un modulador de potencia de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que dicho conjunto de bobinados primarios es un conjunto de bobinados primarios de múltiples espiras.

6. Un modulador de potencia de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que el número de módulos de generación de pulsos es igual al número de núcleos magnéticos.

7. Un modulador de potencia de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que el número de módulos de 30 generación de pulsos es distinto al número de núcleos.

8. Un modulador de potencia de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que cada módulo de generación de pulsos puede ser encendido o apagado, a mano o por medios automáticos, en diferentes momentos.

9. Un modulador de potencia de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que dichos medios de comunicación son un conmutador IGBT de estado sólido.

Figura 7

Figura 8