Высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с изменяемой полярностью
HIGH-VOLTAGE CONVERTER OF ALTERNATING VOLTAGE INTO DIRECT VOLTAGE WITH VARIABLE POLARITY

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим высоковольтным преобразователям, и может быть использовано в высоковольтных установках постоянного напряжения с изменяемой полярностью выходного напряжения. В частности, в задачах по испытанию электрической прочности электротехнических материалов.
Для испытания электрической прочности некоторых электротехнических материалов, в частности «сшитого» полиэтилена, требуется использование постоянного напряжения с изменяемой полярностью для предотвращения формирования в материале изоляции объемных зарядов, возникновения локальных перенапряжений и повреждения изоляции испытываемого объекта после его ввода в работу.
Известен «Высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с управляемой полярностью» (Патент RU 129317, опубл. 20.06.2013, МПК Н02М 7/155, Н02М 7/19, Н02М 7/217, Н02М 7/25), в котором постоянное напряжение с изменяемой полярностью на выходе преобразователя создается за счет двух разнополярных каналов преобразования в виде каскадных генераторов, связанных со схемой низковольтного электроснабжения. Выходы каскадных генераторов объединены и являются выводом высоковольтного преобразователя для подключения нагрузки.
К недостаткам этого устройства следует отнести сложность конструкции и большую массу, обусловленные необходимостью применения отдельного источника питания и выпрямителя на каждый из двух каналов преобразования, а также наличие резисторов в цепях диодов, значительно уменьшающих отдаваемую преобразователем мощность.
Известно «Устройство для умножения напряжения» (Авторское свидетельство SU 1515290, опубл. 15.10.1989, МПК Н02М 7/10). Устройство состоит из первого каскада умножения напряжения, к которому последовательно подключены дополнительные каскады умножения напряжения. Каждый дополнительный каскад состоит из двух пар последовательно соединенных диодов на двух цепочках емкостных накопителей из последовательно соединенных конденсаторов. С помощью коммутирующих элементов осуществляется последовательное или параллельное соединение соответствующих конденсаторов для обеспечения увеличения выходного напряжения по закону геометрической прогрессии с кратностью, равной трем.
Недостатками данного устройства являются невозможность получения постоянного напряжения с изменяемой полярностью на выходе преобразователя, зависимость отдаваемой преобразователем мощности от частоты переключения коммутаторов, которые технически сложно выполнить быстродействующими на высоком напряжении.
Известен «Умножитель напряжения» (Авторское свидетельство SU 1248013, опубл. 30.07.1986, МПК Н02М 7/10). Устройство содержит входные и выходные выводы для подключения соответственно источника переменного напряжения и нагрузки и η параллельно включенных между собой ступеней умножения. Каждая ступень умножения, кроме первой, выполнена в виде последовательно соединенных первого вентиля, двух конденсаторов и второго вентиля, причем цепочка конденсаторов зашунтирована механическим переключателем, каждый из которых подвижным контактом подключен к общей точке соединения конденсаторов последующей ступени, а первым и вторым неподвижными контактами - соответственно к общей точке соединения первого вентиля с первым конденсатором и второго конденсатора с вторым вентилем предыдущей ступени. В первой ступени умножения диоды заменены на тиристоры. Аноды и катоды всех вентилей, а также входной и выходной выводы подключены к общей шине. В последней ступени умножения ключевой элемент отсутствует. Устройство обеспечивает получение на выходе повышенного напряжения как постоянного, так и переменного токов.
К недостаткам такого решения можно отнести требование работы механических переключателей на частоте переменного напряжения источника питания, что технически сложно выполнить на высоком напряжении.
Известен «Высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с управляемой полярностью» (Авторское свидетельство SU 1815772, опубл. 15.05.1993, МПК Н02М 7/10), взятый за прототип.
В прототипе несимметричный выпрямитель с умножением напряжения состоит из диодного блока, входного и выходного конденсаторных блоков, дополнительно содержит два одинаковых источника питания (трансформатор с расщепленной обмоткой высокого напряжения), двухполюсный высоковольтный коммутатор для переключения обмоток высокого напряжения трансформаторов и низковольтный коммутатор для переключения обмоток низкого напряжения трансформаторов. Полярность выходного напряжения задается положением коммутаторов.
Недостатком прототипа является наличие громоздкого высоковольтного переключателя, коммутирующего цепь высокого напряжения, что отрицательно сказывается на надежности работы преобразователя напряжения, его массе и габаритах.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности работы высоковольтного переключателя, а также снижения массы и габаритов преобразователя переменного напряжения в постоянное с изменяемой полярностью.
Техническим результатом, направленным на повышение надежности работы высоковольтного переключателя, является увеличение количества разрывов высоковольтной цепи, которое равно кратности умножения напряжения, а снижение массы и габаритов достигается за счет использования выпрямительной схемы с минимально необходимым количеством источников питания, диодов и конденсаторов, причем переключатель входит в конструкцию выпрямителя и не влияет на габаритные размеры.
Технический результат изобретения достигается за счет того, что высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с изменяемой полярностью выполнен в виде несимметричного выпрямителя с умножением напряжения, состоящего из диодного блока, входного и выходного конденсаторных блоков, причем диодный блок закреплен на основании, выполненным вращающимся, и соединен с входным и выходным конденсаторными блоками через два блока скользящих контактов, дополнительно содержит электродвигатель, вал которого соединен с основанием диодного блока, вход электродвигателя подключен к выходу драйвера, к входу которого подключены управляющий генератор импульсов и концевой выключатель, который приводится в действие основанием диодного блока.
На фиг. 1 представлена функциональная схема высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное с изменяемой полярностью.
На фиг.2 представлена временная диаграмма напряжения на выходе высоковольтного преобразователя.
Где:
1 - источник питания высоковольтного преобразователя напряжения;
2 - входной конденсаторный блок;
3 - выходной конденсаторный блок;
4 - блоки скользящих контактов;
5 - диодный блок;
6 - основание диодного блока;
7 - управляющий генератор импульсов;
8 - драйвер;
9 - электродвигатель;
10 - вал электродвигателя;
11 - концевой выключатель;
12, 13 - выходные клеммы.
Высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с изменяемой полярностью содержит источник питания высоковольтного преобразователя напряжения 1 переменным напряжением заданной амплитуды и частоты, диодный блок 5, входной 2 и выходной 3 конденсаторные блоки. Высоковольтный преобразователь дополнительно включает электродвигатель 9, вход которого подключен к выходу драйвера 8, к входу которого подключены управляющий генератор импульсов 7 и концевой выключатель 11, диодный блок 5 закреплен на основании 6, выполненным вращающимся и механически связанным с валом 10 электродвигателя 9, а концевой выключатель 11 выполнен с возможностью размыкания его контактов (на фиг. 1 позицией не обозначено) в момент замыкания блоков скользящих контактов 4 при повороте основания 6 диодного блока 5, соединенного через блоки скользящих контактов 4 с входным 2 и выходным 3 конденсаторными блоками. Питание нагрузки (на фиг. 1 позицией не обозначено) выходным напряжением высоковольтного преобразователя осуществляется от выходных клемм 12, 13 при замкнутом положении блоков скользящих контактов 4.
1
2
1
2
1
3
4
4
5
4
5
5
6
7
8
8
9
9
Работа высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное с изменяемой полярностью осуществляется следующим образом. В момент времени t, соответствующий началу работы высоковольтного преобразователя переменного напряжения в постоянное с изменяемой полярностью, при замкнутом положении блоков скользящих контактов 4 происходит включение источника питания высоковольтного преобразователя напряжения 1 и подача переменного напряжения заданной амплитуды и частоты на входные клеммы преобразователя (на фиг. 1 позицией не обозначено). В исходном положении диодов (на фиг. 1 позицией не обозначено) диодного блока 5 на фиг. 1 при подаче напряжения от источника питания высоковольтного преобразователя напряжения 1 начинается заряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков, полярность на верхних обкладках конденсаторов (на фиг. 1 позицией не обозначено) и напряжение на выходной клемме 12 будут положительными. Величина напряжения на выходных клеммах 12, 13 задается источником питания высоковольтного преобразователя напряжения 1 и кратностью умножения напряжения. В момент времени tзаканчивается заряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков. Время заряда от момента t до момента t определяется мощностью источника питания высоковольтного преобразователя напряжения 1, емкостью конденсаторов входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков, а также емкостью нагрузки. Одновременно в момент времени t включается управляющий генератор импульсов 7, который подает сигнал на драйвер 8 электродвигателя 9. В момент времени t драйвер 8 электродвигателя 9 осуществляет подачу питания на электродвигатель 9. От вала 10 электродвигателя 9 приводится во вращение основание 6 диодного блока 5 и размыкаются блоки скользящих контактов 4. Высоковольтная цепь разрывается блоками скользящих контактов 4, количество разрывов равно кратности умножения напряжения. В момент времени t, в результате поворота основания 6 диодного блока 5 на 180 градусов вокруг своей оси, замыкаются блоки скользящих контактов 4 и происходит размыкание контактов концевого выключателя 11 основанием 6 диодного блока 5. Драйвер 8 электродвигателя 9 прекращает подачу питания на электродвигатель 9, вращение основания 6 диодного блока 5 на 180 градусов вокруг своей оси останавливается. В момент времени t начинается и в момент времени t заканчивается разряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков через сопротивление диодов в прямом направлении. Время разряда от момента t до момента t зависит от емкости конденсаторов входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков и сопротивления диодов в прямом направлении. В момент времени t от источника питания высоковольтного преобразователя напряжения 1 начинается заряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков, полярность на верхних обкладках конденсаторов и напряжение на выходной клемме 12 будут отрицательными. Происходит смена полярности напряжения на выходе высоковольтного преобразователя. В момент времени t заканчивается заряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков. В момент времени t драйвер 8 электродвигателя 9 осуществляет подачу питания на электродвигатель 9. От вала 10 электродвигателя 9 приводится во вращение основание 6 диодного блока 5 и размыкаются блоки скользящих контактов 4. В момент времени t замыкаются блоки скользящих контактов 4 и происходит размыкание контактов концевого выключателя 11 основанием 6 диодного блока 5. Драйвер 8 электродвигателя 9 прекращает подачу питания на электродвигатель 9, вращение основания 6 диодного блока 5 на 180 градусов вокруг своей оси останавливается. В момент времени t начинается и в момент времени t заканчивается разряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков через сопротивление диодов в прямом направлении. В момент времени t от источника питания высоковольтного преобразователя напряжения 1 начинается заряд входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков, полярность на верхних обкладках конденсаторов и напряжение на выходной клемме 12 будут положительными. Происходит смена полярности напряжения на выходе высоковольтного преобразователя. Далее процессы циклически повторяются.
1
2
5
6
4
5
8
9
2
4
6
8
В реальных практических задачах, в частности задачах по испытанию электрической прочности электротехнических материалов, время заряда от момента t до момента t, от момента t до момента t и время разряда от момента t до момента t, от момента t до момента t существенно меньше времени заряженного состояния входного 2 и выходного 3 конденсаторных блоков от момента t до момента t, от момента t до момента t.
В предлагаемом устройстве повышается надежность работы высоковольтного переключателя за счет увеличения количества разрывов высоковольтной цепи, которое равно кратности умножения напряжения, а также снижаются масса и габариты за счет использования выпрямительной схемы с минимально необходимым количеством источников питания, диодов и конденсаторов, а переключатель входит в конструкцию выпрямителя и не влияет на габаритные размеры.