ВЫСОКОВОЛЬТНОЕ КОММУТАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО
HIGH-VOLTAGE SWITCHING APPARATUS

Изобретение относится к области приборостроения и может использоваться для коммутации высокого напряжения. Предлагаемый высоковольтный коммутатор может использоваться в цепях управления высоковольтным оборудованием, в том, числе высоковольтными испытательными установками и устройствами, в цепях питания и управления лучевыми исследовательскими и технологическими установками, а также в системах электропитания СВЧ генераторных приборов и др.
Из уровня техники известен высоковольтный переключатель (см. [1] авторское свидетельство SU 801129 A1), содержащий переключатель из последовательно соединенных герконов, отделенных от обмотки управления высоковольтной изоляцией.
Из уровня техники известен высоковольтный переключатель (см. [2] авторское свидетельство SU 1737550), содержащий последовательно соединенные герконы, отделенные от управляющей обмотки высоковольтной изоляцией. Для улучшения работы ключа в изоляции установлены ферритовые стержни. Герконы управляют высоковольтным тиристором.
В схемах ключей, описанных в [1] и [2] источниках, использованы N последовательно соединенных герконов, отделенных от управляющей обмотки высоковольтной изоляцией.
Недостатком такой схемы является трудность обеспечения высокой надежности переключения ключа при напряжении более 10-15 кВ, так как при таком напряжении слой изоляции получается слишком большим.
Из уровня техники известен высоковольтный переключатель (см.[3] авторское свидетельство SU 1734203 A1), содержащий N последовательно соединенных транзисторов, к входу (базе) которых подключены N схем управления. Включение (открывание) ключа осуществляется путем подачи управляющего сигнала через высоковольтные оптроны на схемы управления. Питание схем управления осуществляется от конденсаторов, которые подзаряжаются во время нахождения ключа в закрытом состоянии. Во время включения (открывания) ключа питающие конденсаторы постепенно разряжаются и до полного разряда конденсаторов ключ должен быть закрыт.
Недостатком такой схемы является невозможность длительного нахождения ключа в открытом состоянии.
Известен патент [4] – US 6900557 B1, опубл.31.05.2005, где раскрыт высоковольтный транзисторный ключ, содержащий N последовательно соединенных транзисторов и N управляющих трансформаторов, к базе каждого транзистора подключен выход схемы управления ключом, второй выход схемы управления ключом подключен к эмиттеру каждого транзистора, входы схемы управления ключом соединены с вторичной обмоткой трансформатора, к первичной обмотке управляющих трансформаторов подключена схема формирователя управляющего сигнала.
Отличие заявленного устройства от раскрытого в [4] состоит в том, что управляющие трансформаторы включены по схеме трансформаторов тока, причем первичная обмотка, общая для всех N трансформаторов, выполнена в виде отрезка высоковольтного кабеля.
Следует также отметить, что известен высоковольтный транзисторный ключ [5] - (RU 69685 U1, опубл.: 27.12.2007), в котором управляющие трансформаторы включены по схеме трансформаторов тока (TT1-TTn), причем первичная обмотка выполнена общей для всех N трансформаторов.
Не смотря на то, что для него обеспечивается упрощение, в качестве общей первичной обмотки трансформаторов тока не предусмотрено использование отрезка высоковольтного кабеля. Значит в конструкции этих трансформаторов необходимо использовать большое количество изоляционных материалов, так как все вторичные обмотки трансформаторов находятся под высоким напряжением, различным по величине для каждого трансформатора. Такая конструкция трансформатора приводит к существенному увеличению индуктивности рассеивания, что в свою очередь приводит к искажению формы импульсов - затягиванию фронтов импульсов. Таким образом приведенная в данном патенте конструкция управляющих трансформаторов не даст существенного увеличения быстродействия и повышения надежности.
Также, в источнике информации [6] – SU 510064 A1, опубл.: 27.09.1996, раскрыто выполнение общей первичной обмотки в виде отрезка высоковольтного кабеля.
Но технической проблемой там является то, что магнитопроводы, надетые на кабели, представляющие собой первичную обмотку трансформаторов управления тиристорами, существенно (в сотни раз, если не в тысячи) увеличивает индуктивность кабеля. Действительно, индуктивности восходящей ветви кабеля и нисходящей ветви вычитаются друг из друга. Но вследствие неизбежной асимметрии расположения ветвей кабеля и расположения охватывающих магнитопроводов эти индуктивности не будут равными друг другу и полной компенсации невозможно будет добиться.
В результате индуктивность кабеля управления со стороны генератора управляющих импульсов 5 в результате установки этих магнитопроводов значительно возрастет (возможно на 1 или 2 порядка) что приведет к увеличению длительности фронтов управляющих импульсов, снизит быстродействие и надежность.
Кроме того, описанную в [6] схему невозможно использовать для управления реле, т.к. она используется для открывания тиристоров короткими импульсами и не может сформировать постоянное напряжение, необходимое для срабатывания реле.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению по совокупности признаков, принятым за прототип, является высоковольтный транзисторный ключ (см. [7] – RU 2339158 С2, опубл.: 20.11.2008).
В схеме ключа, описанных в патенте, используются N транзисторных ключей, соединенных последовательно. Входы (затворы) транзисторных ключей подключены к вторичным обмоткам управляющего трансформатора через согласующие и защитные элементы. Такая схема позволяет осуществлять гальваническую развязку цепей управления и высоковольтных цепей, а также осуществлять лучшую одновременность включения и выключения транзисторов ключа.
Вместо транзисторных ключей могут быть использованы герконовые реле.
Технической проблемой аналога из патента [7] является высокая сложность и, следовательно, высокая стоимость изготовления управляющего трансформатора, так как конструкция его предусматривает наличие N вторичных обмоток, каждая из которых находится под различным по величине высоким напряжением, что требует использования большого объема высоковольтных изолирующих материалов. Такой трансформатор имеет увеличенное поле рассеивания, вследствие чего форма управляющих импульсов может искажаться, что вызывает неодновременное срабатывание ключей, что в свою очередь уменьшает быстродействие и снижает надежность ключа.
Технической задачей, стоящей перед изобретением, является устранение недостатков прототипа и иных известных решений.
Техническим результатом заявленного изобретения является увеличение быстродействия, увеличение надежности, уменьшения количества элементов ключа и уменьшение размеров высоковольтного коммутатора.
Указанные задача и технический результат достигаются за счет того, что заявлено высоковольтное коммутационное устройство, содержащее N последовательно соединенных реле, в том числе герконовых реле, и N управляющих трансформаторов, отличающееся тем, что с целью увеличения надежности и повышения быстродействия управляющие трансформаторы включены по схеме трансформаторов тока, причем первичная обмотка выполнена в виде отрезка высоковольтного кабеля продетого последовательно через сердечники всех N управляющих трансформаторов.
Контакты каждого реле могут быть зашунтированы выравнивающим резистором.
К управляющей обмотке каждого реле может быть подключен выход схемы управления ключом, которая преобразует переменное напряжение от вторичной обмотки трансформатора в постоянное.
Входы схемы управления ключом могут быть соединены с вторичной обмоткой трансформатора, к первичной обмотке управляющих трансформаторов подключена схема формирователя управляющего сигнала.
К первичной обмотке управляющих трансформаторов, которая является общей для всех N трансформаторов, может быть подключен ограничивающий резистор и усилитель управляющего сигнала, которые представляют собой схему формирователя управляющего сигнала.
К управляющей обмотке каждого реле может быть подключен выход схемы управления ключом, которая преобразует переменное напряжение от вторичной обмотки трансформатора в постоянное, а входы схемы управления ключом соединены с вторичной обмоткой трансформатора, причем к первичной обмотке управляющих трансформаторов подключена схема формирователя управляющего сигнала.
Применение в предлагаемом высоковольтном ключе в отличие от прототипа, N реле (в том числе герконовых реле), позволяет добиться увеличения надежности и уменьшения количества элементов ключа, так как рабочее напряжение реле значительно выше рабочего напряжения транзистора. Снижение количества элементов приводит к увеличению надежности, уменьшению размеров и снижению стоимости устройства.
Кроме того, использование в качестве первичной обмотки трансформаторов тока отрезка высоковольтного кабеля, продетого последовательно через сердечники всех управляющих трансформаторов, позволяет существенно упростить конструкцию трансформатора, что приводит также к увеличению надежности и уменьшению размеров изделия. Кроме того, трансформаторы тока имеют низкое значение поля рассеивания что приводит к тому, что управляющие сигналы всех трансформаторов имеют одинаковую форму, реле срабатывают одновременно а это приводит к увеличению быстродействия и повышению надежности устройства.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана принципиальная схема высоковольтного коммутационного устройства.
На Фиг.2 приведены сравнительные фотографии размеров изделий управляющего трансформатора для ключа, выполненные: (вид слева - по прототипу [7], где трансформатор имеет первичную обмотку и четыре вторичных обмотки с высоковольтной изоляцией; вид справа - заявленный трансформатор тока, имеющий первичную обмотку в виде отрезка высоковольтного кабеля и вторичную обмотку).
На Фиг.3 приведен пример применения коммутационного устройства в схеме двухтактного импульсного модулятора для питания СВЧ генераторного прибора - магнетрона.
На Фиг.4 приведен пример применения коммутационного устройства в схеме установки для испытания высоковольтных кабелей двуполярным напряжением сверхнизкой частоты (СНЧ).
На чертежах: 1 - усилитель управляющего сигнала; 2 - ограничивающий резистор; 3 - вторичная обмотка управляющего трансформатора; 4 - схема управления реле; 5 - управляющая катушка реле; 6 - контакты реле; 7 - выравнивающий резистор, 8 - схема управления, 9 - магнетрон, 10 - зарядный резистор для заряда накопительного конденсатора, 11 - накопительный конденсатор для питания магнетрона импульсным током, 12 - источник питания установки высоким напряжением, 12.1 - источник положительного испытательного напряжения, 12.2 - источник отрицательного испытательного напряжения, 13 - источник питания нити накала магнетрона, 14.1, 14.2 - разрядные диоды для снятия остаточного заряда с емкости кабеля перед включением кабеля на противоположную полярность испытательного напряжения, 15 - индуктивность ограничения тока разряда емкости кабеля, 16 - кабель, 17.1 - высоковольтный коммутатор для включения магнетрона, 17.2 - высоковольтный коммутатор для формирования заднего фронта импульса магнетрона, 17.3 - высоковольтный коммутатор положительного испытательного напряжения, 17.4 - высоковольтный коммутатор отрицательного испытательного напряжения.
Осуществление изобретения
На Фиг.1 изображена схема высоковольтного коммутационного устройства. Высоковольтный коммутатор содержит N реле (6) соединенных последовательно, N управляющих трансформаторов, контакты каждого реле (6) зашунтированы выравнивающим резистором (7). К управляющей катушке каждого реле (5) подключены выходы схемы управления реле (4), которая преобразует переменное напряжение от вторичной обмотки трансформатора в постоянное напряжение. Входы схемы управления реле подключены к вторичной обмотке (3) управляющего трансформатора. К первичной обмотке управляющих трансформаторов, которая является общей для всех N трансформаторов, подключен ограничивающий резистор (2) и усилитель управляющего сигнала (1). Второй конец первичной обмотки подключен к общему проводу.
Все N управляющих трансформаторов включены по схеме трансформатора тока, что дает возможность применения в качестве первичной обмотки всех N трансформаторов отрезка высоковольтного кабеля, проходящего через сердечники всех трансформаторов. Это позволяет существенно упростить конструкцию трансформаторов за счет отсутствия в конструкции трансформатора высоковольтных изоляционных материалов, так как функцию высоковольтной изоляции выполняет изготовленная из отрезка высоковольтного кабеля первичная обмотка трансформатора. Такая конструкция трансформаторов приведет к уменьшению их размеров, увеличению их надежности и снижению их стоимости.
Достижение возможности уменьшения размеров наглядно можно видеть из практического примера на Фиг.2, где приведены фотографии: (слева) - управляющего трансформатора для ключа описанного в [7]. Трансформатор имеет первичную обмотку и четыре вторичных обмотки с высоковольтной изоляцией; (справа) - заявленный трансформатор тока, который имеет первичную обмотку в виде отрезка высоковольтного кабеля и вторичную обмотку.
Схема управления коммутатором использует для управления реле обе полуволны управляющего напряжения с вторичной обмотки трансформатора что приводит к увеличению быстродействия коммутатора.
В качестве сигнала управления использован не синусоидальный сигнал, а прямоугольный (меандр), что позволяет уменьшить пульсацию управляющего напряжения на выходе схемы управления реле, что также приводит к увеличению быстродействия коммутатора и повышению надежности.
Устройство работает следующим образом.
При включении (открывании) коммутатора на вход усилителя управления подается сигнал открывания в виде последовательности импульсов со скважностью два (меандр). На вторичных обмотках (3) управляющих трансформаторов также появляется последовательность импульсов. Эти импульсы поступают на схемы управления реле (4) и на их выходах появляется постоянное напряжение, которое поступает на управляющие катушки (5) реле, что приводит к замыканию контактов реле и ток от клеммы ВХОД поступает в нагрузку, подключенную к клемме ВЫХОД. При выключении (закрывании) коммутатора сигнал на входе усилителя управления отключается.
Сигнал на вторичных обмотках (3) трансформаторов управления также становится равным нулю. Напряжение на выходе схемы управления реле начинает снижаться и при достижении напряжения выключения реле коммутатор закроется.
Так как в качестве управляющего сигнала используется меандр, величина пульсаций на выходе схемы управления реле (4) мала, что позволяет выбрать сглаживающие элементы в схеме управления реле с малой постоянной времени, которая близка к времени срабатывания реле (5). Таким образом, быстродействие описываемого высоковольтного коммутатора определяется, в основном, быстродействием реле.
Примером практического использования предлагаемого высоковольтного коммутатора может служить двухтактный импульсный модулятор для питания СВЧ генераторного прибора - магнетрона. Его схема приведена на Фиг.3, где 17.1 - высоковольтный коммутатор служит для включения магнетрона, 17.2 - высоковольтный коммутатор служит для формирования заднего фронта импульса магнетрона, соединены последовательно и подключены к схеме управления 8.
Данный пример содержит два последовательно соединенных реле и два управляющих трансформатора, где первичная обмотка выполнена в виде отрезка высоковольтного кабеля общего для всех трансформаторов.
Схема управления модулятора 8 управляет коммутаторами 17.1, 17.2. Магнетрон 9 подключен к источнику питания 12 установки высоким напряжением и при этом подключен между 17.1 и 17.2 к источнику питания нити накала магнетрона 13. При этом коммутатор 17.1 подключен между зарядным резистором 10 для заряда накопительного конденсатора и накопительным конденсатором 11 для питания магнетрона импульсным током.
Такой импульсный модулятор используется для генерации мощных СВЧ радиоимпульсов, например, в радиолокационных станциях. Импульс генерируется в момент срабатывания коммутатора 17.1 и подачи отрицательного питающего напряжения на сетку магнетрона 9. Задний фронт импульса излучения формируется при отключении коммутатора 17.1 и включении коммутатора 17.2.
Другим примером использования предлагаемого высоковольтного коммутатора может служить установка для испытания высоковольтных кабелей двуполярным напряжением сверхнизкой частоты (СНЧ). Схема такой установки приведена на Фиг.4, где 17.3 - высоковольтный коммутатор положительного испытательного напряжения, 17.4 - высоковольтный коммутатор отрицательного испытательного напряжения, также соединены последовательно и подключены к схеме управления 8.
Данный пример также содержит два последовательно соединенных реле и два управляющих трансформатора, где первичная обмотка выполнена в виде отрезка высоковольтного кабеля общего для всех трансформаторов.
Испытательная установка СНЧ формирует на испытуемом кабеле 16 высокое напряжение косинусно-прямоугольной формы поочередно положительной и отрицательной полярности сверхнизкой частоты (0,1 Гц) через индуктивность 15.
Для этого в схеме используются источники положительного испытательного напряжения 12.1 и отрицательного испытательного напряжения 12.2, каждый из которых проходит через коммутаторы 17.3 и 17.4. соответственно, а затем через разрядные диоды 14.1 и 14.2, соответственно, для снятия остаточного заряда с емкости кабеля перед включением кабеля на противоположную полярность испытательного напряжения. Индуктивность 15 служит для ограничения тока разряда емкости кабеля.