Устройство электромеханического высоковольтного модульного источника питания с выводом источника тока низкого напряжения отдельного модуля
APPARATUS OF AN ELECTROMECHANICAL HIGH-VOLTAGE MODULAR POWER SOURCE WITH A LOW-VOLTAGE CURRENT SOURCE OUTPUT OF A SEPARATE MODULE

Устройство относится к высоковольтной, преобразовательной и ускорительной технике. Возможно его применение для питания электрофизических установок, требующих мощный источник высокого напряжения а также, если требуется, большой ток секций при низком напряжении для питания внутренних цепей, находящихся под высоким потенциалом. Устройство может быть подключено к «земле» произвольным полюсом, что позволяет реализовывать схемы с высоким положительным и отрицательным напряжением относительно нулевого потенциала. Возможна схема в виде присоединения отрицательного полюса всех источников ускорителей к нулевому потенциалу и отхождение от этой точки секций с увеличением напряжения для формирования, например, встречных пучков ускоряемых частиц.
Известно большое количество устройств создания высокого напряжения, среди них можно отметить те, что основаны на переносе зарядов и выполнены на базе генератора Ван-де-Граафа, на основе преобразователей с трансформатором, индуктивностью, умножители напряжения и переключаемые емкости, пьезоэлектрические. Можно выделить следующие известные устройства получения высокого напряжения.
В устройстве (см. патент США 4760303, H02N 1/08, 1988) рассматривается электростатический генератор с последовательными секциями из вращающихся пластин для передачи заряда недостатком является малый ток.
Устройство (см. патент РФ 2567373, Н05Н 5/04, 2015) представляет собой генератор с переключаемыми емкостями, недостатком является невысокое значение тока, использование электронных ламп с ограниченным ресурсом и необходимостью принятия специальных мер для обеспечения накала множества катодов находящихся под высоким потенциалом и невысокая мощность, ограниченная током электронной эмиссии.
В устройстве (см. патент РФ 2349020, Н02М 7/10, 2009) применяется силовой трансформатор и последовательно включенные модульные преобразователи, при этом, в выходной цепи модуля применяется повышающий преобразователь. Недостатком является необходимость обеспечения значительной высоковольтной изоляции силового трансформатора, рассчитываемой на номинальное напряжение и невысокий коэффициент повышения напряжения модуля.
Устройство (см. патент США 6927985, Н02М 3/3376, 2005) использует преобразователь, повышающий трансформатор и умножитель напряжения. Недостатком является малый ток, сложность регулировки выходного напряжения и его фиксированное значение между секциями умножителя.
Устройство (см. патент США 7936544, Н02М 7/49, 2011) использует отдельные трансформаторы и неуправляемый выпрямитель на выходе. Недостатком является невысокое нерегулируемое выходное напряжение секции и необходимость в значительной высоковольтной изоляции трансформатора.
Устройство (см. патент США 7710081, Н02K 3/28, 2010) использует многообмоточный генератор, недостатком также является наличие высоких требований к межобмоточной изоляции.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является устройство (Патент США 8212408, H02J 3/36, 2012). В этом устройстве-прототипе используются множество модулей каждый из которых состоит из генератора переменного тока с выходом генератора, соединенным с входом выпрямителя переменного тока в постоянный, выход выпрямителя подключен ко входу управляемого изолированного понижающего преобразователя тока, при этом, выходы изолированного понижающего преобразователя тока каждого модуля соединяются последовательно, образуя высоковольтное звено. Дополнительно в этом устройстве присутствует возможность подключения ко входу понижающих изолированных преобразователей тока выходов источников постоянного напряжения. Основное назначение прототипа - преобразование и передача электрической энергии с нескольких возобновляемых источников низкого постоянного или переменного напряжения на линию высокого напряжения постоянного тока.
Недостаток этого устройства заключается в том, что между первичной и вторичной обмотками изолирующего трансформатора для каждого модуля имеется высокое напряжение не менее половины от общего в звене постоянного тока, при этом, высокая степень изоляции приводит к увеличению зазора между обмотками, что ведет к возрастанию потоков рассеяния, уменьшению эффективности преобразования. Также, ввиду наличия большого рассеяния сложно сформировать вторичную цепь на стороне линии высокого напряжения, которая требует низкое напряжение при большом токе.
Задача изобретения - создание устройства модульного высоковольтного источника питания с общим номинальным напряжением от десятков киловольт до единиц мегавольт, при этом, каждый модуль имеет выходы источника напряжения от единиц киловольт до ста киловольт (далее - высокого напряжения) и формирователя тока от сотен миллиампер до тысяч ампер (далее - большой ток) с напряжением от сотен милливольт до десятков вольт (далее - низкое напряжение), причем, один из выводов формирователя большого тока подключается к одному из полюсов источника высокого напряжения. Выходные полюсы источника высокого напряжения каждого модуля соединяются последовательно с предыдущим и последующим модулями. Каждый модуль подключается к секциям потребителя, требующим одновременно наличия регулируемых высокого напряжения и большого тока на каждой секции отдельно. Модули могут надстраиваться и объединяются механически через разъемные соединители. В качестве нагрузки источника питания могут выступать линейные ускорители с высоковольтным ускоряющим полем и фокусирующими магнитными катушками с большим током потребления, многолучевые системы, электрофизические установки, требующие дополнительного питания оборудования секций находящихся под высоким потенциалом, например, источников ионов, детекторов, систем охлаждения, управляющих систем, нагревателей и иных мощных низковольтных потребителей.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в создании общей разницы потенциалов между крайними электродами в последовательно соединенной цепи модулей до единиц мегавольт, обеспечении регулирования напряжения отдельного модуля в пределах от сотен вольт до десятков киловольт при номинальном токе, при этом, каждый модуль формирует большой ток. Потребитель представляет собой многосекционное устройство, каждая секция которого имеет соответствующую высоковольтную и низковольтную нагрузку, при этом, низковольтная нагрузка гальванически может быть связана отдельно как с положительным полюсом высоковольтного источника модуля так и с отрицательным.
Достижение технического результата осуществляется тем, что в устройстве высоковольтного источника питания, содержащего модули, каждый из которых состоит из генератора переменного тока с выходом генератора, соединенным с входом выпрямителя переменного тока в постоянный, выход выпрямителя подключен ко входу управляемого изолированного понижающего преобразователя тока выходные полюса которого для каждого модуля соединяются последовательно, образуя высоковольтное звено, при этом, между модулями имеется механическая связь с ведущим движителем, соединяемым через ременную передачу со шкивом ведущего вала, передающего момент через промежуточную зубчатую передачу на ведомый вал, причем ведущий и ведомый вал вращаются с одинаковым угловым перемещением, в каждом модуле ведущий и ведомый вал последовательно проходит через подшипники установленные на опоре модуля, ведущий и ведомый валы имеют электрически изолированные промежутки, в которых размещаются вращающиеся изоляторы, на которых устанавливаются промежуточные шкивы для ременной передачи к шкиву вала генератора модуля, на промежуточные шкивы также установлены вращающиеся изоляторы, с которых осуществляется дальнейшее продолжение ведущего и ведомого валов, далее эти валы соединены с валами того же функционального назначения для следующего модуля и так далее для всех модулей, при этом, выход генератора модуля подключается к неуправляемому выпрямителю, с выхода которого формируется напряжение питания модуля, из которого путем неизолированного понижающего преобразователя формируется напряжение питания собственных нужд и системы управления модуля, выход генератора подключается к блоку защит и предохранителей с которых напряжение поступает на неизолированный понижающий преобразователь напряжения с большим выходным током, а также, на изолированный понижающий преобразователь тока с высоким выходным постоянным напряжением, выводы преобразователей тока объединяются последовательно между модулями, формируя требуемое высокое общее напряжение, а регулирование производится соединением систем управления каждого модуля с использованием оптоволоконного канала двунаправленной связи и синхронизации опорных сигналов широтно-импульсной модуляции понижающего преобразователя тока с использованием смещения фазы опорных сигналов для увеличения пульсности общего напряжения.
Благодаря тому, что устройство имеет отдельные генераторы, объединяемые механически с использованием симметричных изолированных валов, вращающихся с одинаковым угловым перемещением, снижается радиальная нагрузка на вал генератора модуля и обеспечивается высоковольтная изоляция естественным образом от модуля к модулю за счет накапливаемого расстояния, превышающего напряжение пробоя в отличие от использования изолирующих трансформаторов, рассчитываемых на максимальное напряжение между обмотками для всех последовательно соединенных модулей, при этом, внутри модуля генератор изолирован, его потенциал относительно точек модулей не превышает напряжения модуля и имеет номинальный зазор и обмотки для низкого напряжения, что существенно увеличивает эффективность за счет гораздо меньшей эквивалентной индуктивности рассеяния. Дополнительно за счет применения смещения фазы опорного напряжения широтно-импульсной модуляции управления понижающими преобразователями тока можно сформировать выходное высокое напряжение с уменьшенной величиной пульсаций.
На чертежах (фиг. 1 и 2) изображены изометрические виды заявляемого устройства, фиг. 3 иллюстрирует кинематическую схему, структурная схема устройства представлена на фиг. 4. На фиг. 1 и 2 изображены виды на устройство снизу и сверху соответственно, присутствуют следующие элементы устройства: 1 - движитель, 2 - опора модуля, 3 - подшипники диэлектрического вала, 4 - вращающийся изолятор, 5 - шкив изолированной части вала, 6 - шкив на валу генератора модуля, 7 - генератор модуля, 8 - ременная передача от изолированного вала к валу генератора модуля, 9 - изолятор между опорами модуля, 10 - блок повышающего преобразователя напряжения и формирователя выходного тока модуля, 11 - плата локальной системы управления модуля и телекоммуникаций между модулями, 12 - блок трансформаторов, сглаживающих емкостей и индуктивностей для повышающего преобразователя и формирователя тока, 13 - выходные проводники преобразователя напряжения модуля и их последовательного соединения между модулями, 14 - проводники выхода блока формирования тока, 15 - питаемая секция, 16 - модуль устройства в составе сборки, 17 - оптоволоконный канал связи со следующим модулем, 18 - оптоволоконный канал связи с предыдущим модулем, 19 - зубчатое колесо вспомогательного диэлектрического вала, 20 - промежуточное зубчатое колесо, 21 - шкив и зубчатое колесо основного диэлектрического вала, 22 - ремень привода основного диэлектрического вала, 23 - шкив движителя.
На фиг. 3 представлена кинематическая схема модуля устройства, где: 16.1 - ведущий модуль, 16.2 - ведомый модуль, имеющий ту же кинематическую схему что и 16.1.
На фиг.4 представлена структурная схема заявляемого устройства: 16.3 - следующий ведомый модуль, 24 - движитель, 25 - блок механической передачи момента вращения движителя с его распределением электрически изолированным механизмом по модулям, 26 - электромеханический генератор модуля, 27 - выпрямитель, 28 - преобразователь из постоянного напряжения в постоянное для питания собственных нужд модуля, 29 - контроллер и локальная система управления модулем, 30 - блок предохранителей и защит внутренних цепей питания модуля, 31 - понижающий преобразователь тока, формирующий выходное высокое напряжение модуля, 32 - понижающий преобразователь напряжения, формирующий большой выходной ток модуля, 33 - нагрузка большого тока в отдельной секции потребителя, 34 - нагрузка высокого напряжения в секции потребителя, 35 - секции потребителя объединенные последовательным соединением, 34.1, 34.2, 34.3 - секции нагрузки потребителя, каждая из которых объединяет нагрузку большого тока и высокого напряжения.
Устройство электромеханического высоковольтного модульного источника питания с выводом источника тока низкого напряжения отдельного модуля работает следующим образом. Движитель 1 приводит во вращение шкив основного движителя 21, который через ремень 20 передает момент на шкив и зубчатое колесо 19 основного диэлектрического вала, которое вращает промежуточное зубчатое колесо 18, через которое осуществляется передача на зубчатое колесо вспомогательного диэлектрического вала 17, который вращается с одинаковым угловым перемещением с основным. Основной и вспомогательный валы проходят через подшипники 3, устанавливаемые на опоре модуля 2. Валы через переходники соединены с вращающимися изоляторами 4, устанавливаемыми на валах и предназначенных для обеспечения соответствующей изоляции с напряжением рассчитываемым исходя из напряжения одного модуля и влияния разрядов, утечек от общего напряжения. Изолятор 4, позволяет гальванически развязать генераторы модулей. Это достигается путем установки на изолятор 4 шкива 5 изолированной части вала который передает вращающий момент с использованием пассиков или ременной передачи 8 на шкив на валу генератора модуля 6, который вращает вал генератора модуля 7. Между опорами соседних модулей 2 устанавливается стойки из изоляторов 9. На каждой опоре модуля 2 размещается блок повышающего преобразователя напряжения и формирователя выходного тока 10 и блок локальной системы управления модуля и телекоммуникаций между модулями 11, при этом, блок 10 включает в себя блок 12 трансформаторов, сглаживающих емкостей и индуктивностей для преобразователей 31 и 32. Выходные проводники 13 понижающего преобразователя тока с высоким выходным напряжением 31 подключаются соответственно к нагрузке потребителя 34 а также к соседним модулям по последовательной цепи, причем, положительный полюс модуля соединяется с отрицательным полюсом следующего модуля и отрицательный с положительным соответственно предыдущего. Проводники 14 выхода блока формирования большого тока 32, присоединяются к нагрузке 33. Нагрузки 33 и 34 располагаются конструктивно в питаемой секции 15. Один модуль 16 включает в себя элементы со 2 по 14. Структурная схема, представленная на фиг.4 раскрывает функции выполняемые отдельными узлами устройства. Модуль 16 выстраивается в последовательность модулей, объединяемых механически. Имеются модули 16.1 ведущий, 16.2 - ведомый, и 16.3 - следующий ведомый модуль. Внутренняя структура одного из модулей представлена в виде блока 16.2. Движитель 22 вращает вал, на котором располагаются изоляторы и механизмы распределения и передачи момента, объединяемые как функциональный узел 23. В каждом модуле 16.1, 16.2, 16.3 и т.д. имеется генератор 26 переменного тока, момент на валу которого формируется узлом 23 и поступает на вход 1 блока 16.2. Переменное напряжение поступает на выпрямитель 27. Выпрямленное напряжение подается одновременно на преобразователь собственных нужд 28 и блок предохранителей и защит 30. Преобразователь из постоянного тока в постоянный 28 формирует номиналы напряжений питания, необходимые для работы контроллера и вспомогательных цепей модуля, содержащих датчики, драйверы силовых ключей, элементы связи и др. Блок предохранителей и защит 30 необходим для обеспечения защиты по току при коротких замыканиях силовых ключей преобразователей 31 и 32. Преобразователь 31 осуществляет понижающее преобразование тока, один из полюсов его соединяется с полюсом противоположной полярности в следующем модуле через вход 6, другой - через выход 5. На выходах 2 и 3 (показаны на чертеже как 16.2-2 и 16.2-3 соответственно) преобразователь 31 формирует выходное напряжение, поступающее на потребитель высокого напряжения 34. Преобразователь 32, в общем виде - многоканальный, формирует множество номинальных значений низкого напряжения с большим выходным током, при этом, общий вывод выходной шины преобразователя 32 может иметь гальваническую связь с одним из выходных полюсов преобразователя 31, ток поступает через выход 4 (показан на чертеже как 16.2-4) к потребителю в виде нагрузки 33. Нагрузки 33 и 34 входят в состав секции потребителя 35.2. Секции нагрузок потребителя 35.1, 35.2, 35.3, входят в состав питаемого устройства 36. Контроллер и локальная система управления модулем 29 осуществляет управление преобразователями 31 и 32, формируя импульсы управления ключами, измеряя соответствующие значения токов и напряжений используемых в качестве цепей обратных связей в контурах замкнутой системы управления. При этом, переменные состояния в виде цифровой информации содержащей данные с заданным периодом следования, передаются между модулями с использованием оптоволоконной связи. При этом, оптоволоконные линии 13 соединяются между контроллерами 27 в предыдущем модуле 16.1 и в текущем 16.2, а оптоволоконная линия 14 между контроллерами в текущем 16.2 и следующем 16.3. через порты 7 и 8 в модуле 16.2 соответственно. Модуль 16.1 находящийся под наименьшим потенциалом соединяется с контроллером управления источника питания 35, через порт 7, осуществляющего общее управление с формированием напряжения задания на каждом модуле и его выходного тока, определение действий при перегрузках, авариях. Модули ретранслируют данные от контроллера 35 от одного к другому в двух направлениях.
Применение устройства позволяет осуществить питание потребителей с высоким и сверхвысоким общим напряжением и сформировать требуемые напряжения на секциях нагрузки, дополнительно снабжая ее низким напряжением с большим током. Устройство электромеханического высоковольтного модульного источника питания с выводом большого тока низкого напряжения каждого модуля с движителем, модулями, каждый из которых состоит из изолированного вала, обеспечивающего высокий уровень гальванической и изоляции модулей, генератора в виде электрической машины, обеспечивающий наименьшее значение эквивалентного потока рассеяния (определяется зазором между статором и ротором) для всех модулей, что позволяет увеличить эффективность преобразования, уменьшить сложность выполнения модулей, простого неуправляемого выпрямителя для общего питания, изолированного понижающего преобразователя тока с высоким выходным напряжением, соединяемым последовательно с соседними модулями и обеспечивающего поддержания заданного напряжения, преобразователя из постоянного тока в постоянный большой ток при малом напряжении, способным питать соответствующие нагрузки потребителя, что отсутствует в других прототипах устройств, контроллера управления модуля с системой оптоволоконной связи между соседними модулями, позволяющей обеспечить обмен данными телеметрии и управления с контроллера пользователя источника питания.