Высоковольтный высокочастотный преобразователь

Полезная модель относится к областям электротехники и электроники и может быть использована для электропитания различных изделий высоким напряжением, в т.ч. - клистронов, магнетронов, ламп бегущей или обратной волны и др.
Известна полезная модель «Высоковольтный (высокопотенциальный) трансформатор» (см. патент №148289 по МПК Н02М 05/00, H01F 04/00 от 11.04.2014 г.), являющаяся простым одноступенчатым повышающим трансформатором.
Недостатками известной полезной модели являются относительно большие массогабаритные характеристики, т.к. для получения высокого напряжения при большой мощности требуется большое количество витков вторичной обмотки трансформатора относительно толстого провода и соответствующей значительной изоляции, но главное - ей присуща относительно низкая стабильность пульсирующего трансформируемого высокого напряжения, зависящего от изменяющихся в процессе работы такого практически силового трансформатора его индуктивности и внутренней емкости. В конечном счете, нестабильность выходного напряжения высокого уровня, используемого для питания, например, клистрона в передатчике радиолокатора приводит к снижению точности определения координат воздушных объектов.
Указанный недостаток прямого повышения напряжения устраняют путем последовательного включения по выходу группы преобразователей относительно низких значений напряжения, которые складывают до требуемого уровня высокого напряжения. При этом вначале обеспечивается гальваническая развязка от сетевого напряжения (например, 380 В), используя типовые низковольтные элементы для построения группы параллельного включения по входу, преобразования и для последующего их сложения по выходу. Именно этот принцип, используемый в прототипе, также используется в заявляемой полезной модели, развивающей прототип.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является «Высоковольтный выпрямитель» (См. В.В. Голобородько и др., «Высоковольтный источник питания мощностью 15 кВА на базе IGBT-модулей для технологических установок»», Институт электродинамики АНУ, Киев, 2000 г., рис. 4, стр. 94; ISSN 0204-3599, техн. электродинамика, ч. 4, л. 92-95, 2000), содержащий три трансформатора, шесть мостовых выпрямителей, соединенных последовательно, конденсаторы фильтра, резистор и дроссель, обеспечивающие ограничение мгновенных значений токов короткого замыкания.
Недостатком прототипа, обеспечивающего пульсацию выходного высоковольтного напряжения порядка 2% от номинального, является невозможность значительно снизить эту пульсацию (в несколько раз), т.к. прототип не позволяет осуществить взаимную компенсацию пульсаций слагаемых напряжений группы отдельных высокочастотных преобразователей и не позволяет увеличить частоту работы преобразователя, поскольку частота переключений инвертора выбрана равной 15 кГц, т.к. в технических характеристиках на силовые модули эта частота указывается как предельная без снижения режимов по току.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является снижение пульсации высокого напряжения путем применения преобразователей в n раз меньшей мощности и в n раз меньших выходных напряжений по отношению к номинальному выходному напряжению, последовательного сложения выходных напряжений преобразователей и равномерного распределения по времени пульсаций слагаемых напряжений отдельных (единичных) высокочастотных преобразователей за счет равномерного разнесения во времени моментов запуска единичных высокочастотных преобразователей, что позволяет в n раз снизить пульсацию выходного напряжения высокого уровня.
Кроме этого, как следствие, из технического результата полезно увеличивается частота пульсаций выходного напряжения кратно количеству единичных преобразователей за счет разнесения по времени пульсаций каждого единичного преобразователя на потенциале выходного фильтра. Это равносильно кратному увеличению частоты преобразования всего высоковольтного высокочастотного преобразователя (ВВП), что в свою очередь позволяет намного сдвинуть вправо амплитудно-частотную характеристику ВВП и уйти от доплеровского диапазона частот работы станции. Например, при частоте преобразования единичного преобразователя 500 кГц и при количестве единичных преобразователей равном 6, общая (суммарная) частота преобразования ВВП составит 3МГц.
9
Указанный технический результат достигается тем, что ВВП, содержащий два трансформатора  подключенные к независимым несинхронизированным источникам питаниями два мостовых выпрямителя, параллельно связанные по своим плюсовым и минусовым выходам, а также дроссельно-емкостной фильтр, связанный своим выходом с выходом устройства, при этом выходы первого и второго трансформаторов соединены соответственно со входами первого и второго выпрямителей, использует n при n=2, 3, … высокочастотных преобразователей, ВВП также содержит синхронизатор в виде n-разрядного сдвигового регистра, выходы которых закольцованы, кроме того ВВП содержит п высоковольтных диодов и n резисторов, причем низкочастотные трансформаторы необходимы для гальванической развязки от сети, при этом плюсовые и минусовые коллективные полюса всех выпрямителей соединены со входами всех высокочастотных преобразователей, а входы внешней синхронизации всех высокочастотных преобразователей соединены индивидуально с соответствующими разрядами выхода данных сдвигового регистра, минусовой выход первого высокочастотного преобразователя соединен с первым входом выходного фильтра, с первым контактом первого резистора и с анодом первого высоковольтного диода, катод которого соединен с плюсовым выходом первого высокочастотного преобразователя, с минусовым выходом второго высокочастотного преобразователя, со вторым контактом первого резистора, с первым контактом второго резистора и с анодом второго высоковольтного диода и т.д. последовательно соединены все выходы высокочастотных преобразователей, при этом параллельно выходам каждого высокочастотного преобразователя соединены соответствующим образом соответствующие высоковольтные диоды, параллельно с которыми связаны соответствующие резисторы, плюсовой выход n-го высокочастотного преобразователя через корпус связан со вторым входом выходного фильтра и выходом ВВП, при этом в каждом высокочастотном преобразователе последовательно соединены фильтр ЭМС, конвертор-стабилизатор, управляемый выпрямитель и выходной фильтр, причем соответствующий синхроимпульс через узел управления поступает на соответствующий вход управления конвертора-стабилизатора.
На фиг. 1 и 2 соответственно представлены схема электрическая структурная, и фрагмент диаграммы напряжения высоковольтного высокочастотного преобразователя (ВВП) на 15 кВ.
На фиг. 1 представлены: 1 и 2 - первый и второй трансформаторы гальванической развязки, 3 и 4 - первый и второй выпрямители, состоящие соответственно из диодов 3.1, 3.2…3.6 (для первого выпрямителя);
5 - группа высокочастотных преобразователей 5.1, 5.2, …5.n, каждый из которых содержит: фильтр ЭМС 5.1.1; конвертор-стабилизатор 5.1.2; управляемый выпрямитель 5.1.3; выходной фильтр 5.1.4; узел управления преобразователем 5.1.5;
6 - синхронизатор состоит из сдвигового регистра 6.1 и генератора синхроимпульсов 6.2;
7 - группа диодов 7.1, 7.2, …7.n;
8 - группа резисторов 8.1, 8.2, …8.n;
9 - фильтр, содержащий конденсаторы 9.1 и 9.3 и дроссели 9.2 и 9.4; 10, 11 - входы;
12 - выход устройства. Пример рассмотрен для n=6.
На фиг. 2 представлены:
13 - характер пульсаций выходного напряжения модуля МАА из БКЯЮ.436610.015ТУ для случая, если этот преобразователь является единичным для всего устройства и его пульсация от пика до пика 2% от номинального значения выходного напряжения;
14 - (верхняя огибающая) - характер пульсаций выходного напряжения ВВП, для случая, когда число последовательно соединенных преобразователей всего устройства равно 6 и импульсы запуска преобразователей равномерно распределены по времени;
5.1, 5.2, …5.6 - моменты запуска соответствующих преобразователей.
Используемые в устройстве элементы широко применяются в промышленности РФ, например, в качестве трансформаторов 1 и 2 могут быть использованы трансформаторы ТСЗМ-16-74.0М5 ТУ16-517.851-76.
В качестве диодов 3.1…3.6 могут быть применены диоды 2Д151-125-10 В2 ТУ16-729.192-81.
В качестве преобразователей 5.1, … могут быть применены модули МАА3000-СГ(СД) трехфазный NEW, намеченные для применения с выходным напряжением 3 кВ.
1
В качестве высоковольтных диодов могут быть применены лавинные диоды 2ДЛ212-10-12 В2 ТУ 16-2006 ИЕАЛ.432310.004ТУ или быстрые (t * 130 нс) высоковольтные диоды фирмы Philips BY329-1200.
Резисторы 8.1, 8.2, …8.n типаР1-135Н.
Конденсаторы 9.1, 9.3 типа К75-47-16 кВ-0,47 мкФ±10% - В.
Дроссели 9.2, 9.4 - дроссели фильтра собственного изготовления.
Сдвиговый регистр 6.1 - на базе микросхемы 74НС595.
Высоковольтный высокочастотный преобразователь, содержащий два трансформатора 1, 2, подключенные к независимым несинхронизированным источникам питания 10, 11 ли два мостовых выпрямителя 3, 4, параллельно связанные по своим плюсовым и минусовым выходам, а также дроссельно-емкостной фильтр 9, связанный своим выходом с выходом устройства 12, при этом выходы первого 1 и второго 2 трансформаторов соединены соответственно со входами первого 3 и второго 4 выпрямителей, отличающийся тем, что высоковольтный высокочастотный преобразователь (ВВП) использует n при n=2, 3, … высокочастотных преобразователей 5.1, 5.2, …5.n, ВВП также содержит синхронизатор 6 в виде n-разрядного сдвигового регистра, кроме того ВВП содержит n высоковольтных диодов 7.1, 7.2, …7.n и n резисторов 8.1, 8.2, …8.n, причем низкочастотные трансформаторы 1, 2 необходимы для гальванической развязки от сети 10, 11 и для обеспечения бесперебойности электропитания, при этом плюсовые и минусовые коллективные полюса всех выпрямителей 3, 4 соединены со входами всех высокочастотных преобразователей 5.1, 5.2, …5.n, а входы внешней синхронизации всех высокочастотных преобразователей 5.1, 5.2, …5.n соединены индивидуально с соответствующими разрядами выхода данных сдвигового регистра 6, минусовой выход первого высокочастотного преобразователя 5.1 соединен с первым входом выходного фильтра 9, с первым контактом первого резистора 8.1 и с анодом первого высоковольтного диода 7.1, катод которого соединен с плюсовым выходом первого высокочастотного преобразователя 5.1, с минусовым выходом второго высокочастотного преобразователя 5.2, со вторым контактом первого резистора 8.1, с первым контактом второго резистора 8.2 и с анодом второго высоковольтного диода 8.2 и т.д. последовательно соединены все выходы высокочастотных преобразователей 5.1, 5.2, …5.n, при этом параллельно выходам каждого высокочастотного преобразователя 5.1, 5.2, …5.n соединены соответствующим образом соответствующие высоковольтные диоды 7.1, 7.2, …7.n, параллельно с которыми связаны соответствующие резисторы 8.1, 8.2, …8.n, плюсовой выход n-го высокочастотного преобразователя 5 л через корпус связан со вторым входом выходного фильтра 9 и выходом ВВП 12, при этом в каждом высокочастотном преобразователе 5.1, 5.2, …5.n последовательно соединены фильтр ЭМС 5.1.1, конвертор-стабилизатор 5.1.2, управляемый выпрямитель 5.1.3 и выходной фильтр 5.1.4, причем соответствующий синхроимпульс через узел управления 5.1.5 поступает на соответствующий вход управления конвертора-стабилизатора 5.1.2.
Устройство работает следующим образом.
Пусть на входы 10, 11 (фиг. 1) и далее на трансформаторы 1 и 2 используемые в качестве элементов гальванической развязки (требование на кораблях) высоковольтного высокочастотного преобразователя (ВВП) подано сетевое напряжение 3ф380 В-50 Гц от двух независимых несинхронизированных источников (для обеспечения бесперебойности питания). При этом число этих трансформаторов может быть увеличено, так же, как и выпрямителей 3 и 4, не только для повышения надежности, но и для обеспечения требуемой мощности ВВП. Выходы выпрямителей 3 и 4 запараллелены для получения звена непрерывного питания. Постоянное напряжение от них поступает на группу 5 высокочастотных преобразователей 5.1, 5.2, …5.n, например, в качестве преобразователей могут быть применены AC/DC преобразователи МАА3000-СГ(СД) с выходным напряжением 3кВ.
Для примера, на входной фильтр ЭМС 5.1.1 высокочастотного преобразователя 5.1, поступает напряжение от выпрямителей ВВП 3, 4. С выхода фильтра ЭМС 5.1.1 высокочастотного преобразователя 5.1 напряжение поступает на конвертор-стабилизатор 5.1.2. По приходу синхроимпульса от сдвигового регистра 6.1 синхронизатора 6 на вход 1 высокочастотного преобразователя 5.1 и далее через узел управления 5.1.5 на конвертор-стабилизаторе 5.1.2 происходит процесс одного такта работы высокочастотного преобразователя 5.1.
В промежуток времени между синхроимпульсами остальные преобразователи не работают.
По приходу следующего синхроимпульса от сдвигового регистра 6.1 синхронизатора 6 на вход 2 высокочастотного преобразователя 5.2 происходит процесс одного такта работы высокочастотного преобразователя 5.2 и т.д.
С конвертор-стабилизатора 5.1.2 переменное напряжение частотой 480...515кГц поступает на управляемый выпрямитель 5.1.3, выпрямленное напряжение поступает на выходной фильтр 5.1.4 высокочастотного преобразователя 5.1 и с выхода фильтра 5.1.4 высокочастотного преобразователя 5.1 напряжение около 3 кВ поступает в схему ВВП.
Если на вход синхронизации высокочастотных преобразователей 5.1, 5.2, …5.n не поступают синхроимпульсы, то высокочастотные преобразователи будут работать хаотично, независимо друг от друга, каждый с различной частотой преобразования в пределах от 480кГц до 515 кГц. При этом на выходе ВВП будет наблюдаться девиация импульсов пульсации. В какой-то момент времени импульсы пульсации выходного напряжения ВВП будут складываться, и все это негативным образом будет отражаться на работе радиолокационной станции. В преобразователях МАА3000-СГ(СД) трехфазный NEW имеется вход внешней синхронизации. Этот вход предназначен для синхронизации работы нескольких преобразователей. В полезной модели этот вход внешней синхронизации предлагается использовать в другом применении. Суть полезной модели состоит в том, что бы привязать начало моментов преобразования каждого высокочастотного преобразователя к определенной точке по оси времени и равномерно распределить эти моменты начала преобразования за период работы одного из преобразователей. При частоте работы преобразователя около 500кГц, период между импульсами преобразователя составит 200 мкс. При количестве преобразователей равном 6, период между синхроимпульсами будет 33,3 мкс или частота следования импульсов запуска высокочастотных преобразователей 5.1, 5.2, …5.6 должна быть 3МГц. Для этого использован синхронизатор 6, в котором бегущая единица с выходов сдвигового регистра 6.1 последовательно по времени запускает высокочастотные преобразователи 5.1, 5.2, …5.n. Выходы регистра закольцованы. Первым может запуститься любой n-ый преобразователь. Выходы высокочастотных преобразователей 5.1, 5.2, …5.n соединены последовательно.
Плюсовой потенциал суммарного напряжения высокочастотных преобразователей соединен с корпусом, а минусовой потенциал суммарного напряжения высокочастотных преобразователей поступает на фильтр 9, а затем на выход 12 ВВП.
Выходы каждого высокочастотного преобразователя 5.1, 5.2, …5.n шунтированы диодами 7.1, 7.2, …7.n, обеспечивающими работоспособность ВВП при отказе одного из преобразователей 5.1, 5.2, …5.n. Резисторы 8.1, 8.2, …8.n обеспечивают равномерное распределение обратного напряжения между диодами 7.1, 7.2, …7.n, а также между выходными контактами каждого высокочастотного преобразователя 5.1, 5.2, …5.n для обеспечения требуемых режимов работы их выходных цепей. В соответствии с рекомендациями на AC/DC преобразователи МАА3000-СГ(СД) частота синхроимпульсов одного преобразователя должна быть 480…515 кГц, длительность импульса 250 нс, амплитудой 4…6 В. Соответственно частота следования синхроимпульсов сдвигового регистра, должна быть в n раз больше при частоте одного полного цикла импульсов 480…515 кГц.
На совмещенном графике фиг. 2 на кривых 13 и 14 показано уменьшение амплитуды пульсации в 6 раз и увеличение частоты следования импульсов пульсации в 6 раз.