БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ВЫХОДНЫМ РОДОМ ТОКА

Полезная модель относится к областям высоковольтного аппаратостроения, электротехники и может быть использовано в научно-исследовательских и высоковольтных испытательных установках постоянного и переменного напряжения с изменяющимся родом тока на выходе (для получения высокого напряжения переменного тока, постоянного тока положительной и отрицательной полярности).
Известны высоковольтные преобразователи переменного напряжения в постоянное с управляемой полярностью, состоящий из двух трансформаторов и блоков умножителей.
Например, из SU1775823, публикация: 1992.11.15 известен высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с управляемой полярностью, содержащий два канала, каждый из которых состоит из трансформатора, первичная обмотка которого через блок управления полярностью выходного напряжения соединена с источником переменного напряжения, а вторичная обмотка соединена с входом блока умножения напряжения, два выходных вывода, один из которых заземлен, для подключения нагрузки, высоковольтный делитель напряжения, включенный между выходными выводами, и схему измерения и стабилизации выходного напряжения, отличающийся тем что, с целью уменьшения массогабаритных показателей и повышения точности измерения выходною напряжения, блок управления полярностью выходного напряжения выполнен в виде двух транзисторов, и источников постоянного, опорного и управляющего напряжений, причем эмиттеры транзисторов объединены в общую точку, образующую вывод для подключения источника переменного напряжения, базы транзисторов подключены соответственно к выходу источника опорного и выходу источника управляющего напряжений, соединенных входами с выходом источника постоянного напряжения, коллектор одного транзистора соединен с одним из концов первичной обмотки трансформатора одного канала, коллектор другого транзистора соединен с одним из концов первичной обмотки трансформатора другого канала, а свободные концы указанных первичных обмоток соединены с выходом указанного источника постоянного напряжения, при этом однополярные выходы указанных каналов соединены между собой, а их свободные другие выводы соединены с соответствующими указанными выходными выводами.
Из SU1815 772, публикация: 1993.05.15 известен высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с управляемой полярностью, который состоит из двух трансформаторов, выпрямителя с умножением напряжения, содержащего две цепочки последовательно соединенных конденсаторов и цепочку последовательно согласно соединенных диодов, и входного и выходного переключателей напряжения. К одноименным обкладкам конденсаторов подключена вторичная обмотка трансформатора, а к одноименным обкладкам конденсаторов подключена вторичная обмотка трансформатора. Средние выводы указанных обмоток через переключатель подключены либо к общей точке, либо к выходному выводу преобразователя, к которому подключена нагрузка. Источник переменного напряжения через переключатель, в зависимости от полярности выходного напряжения, подключен к соответствующим первичным обмоткам трансформаторов. Полярность выходного напряжения задается положением переключателей.
Наиболее близким аналогом является патент RU129317U, публикация: 2013.06.20, из которого известен высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с управляемой полярностью, содержащий два разнополярных канала преобразования, каждый из которых состоит из вентильного каскадного генератора с резистивно-емкостной связью, повышающего трансформатора и измерительного резистора, причем выходы двух разнополярных каскадных генераторов объединены между собой и являются выводом высоковольтного преобразователя для подключения параллельной нагрузки, два входа каждого каскадного генератора соединены с соответствующими двумя выводами повышающих обмоток трансформаторов, низковольтные выводы повышающих обмоток трансформатора через соответствующие измерительные резисторы соединены с общим выводом высоковольтного преобразователя, отличающийся тем, что в него введены управляемый источник постоянного низковольтного напряжения и два однотипных однополярных управляемых полупроводниковых ключа, причем выход управляемого источника постоянного низковольтного напряжения соединен с одноименными выводами первичных обмоток трансформаторов, другие одноименные выводы первичных обмоток трансформатора через соответствующие управляемые полупроводниковые ключи соединены с общим выводом управляемого источника постоянного низковольтного напряжения, объединенным с общим выводом высоковольтного преобразователя, выходы измерительных резисторов, а также вход управления выходным напряжением управляемого источника постоянного низковольтного напряжения и входы управления соответствующими управляемыми полупроводниковыми ключами соединены с внешним разъемом для связи высоковольтного преобразователя с внешними аппаратными средствами контроля и управления.
К техническим проблемам известных конструкций относится потребность в использовании двух трансформаторов для получения положительной и отрицательной полярностей, и при этом отсутствует возможность получить переменное напряжение. Кроме того, известные технические решения громоздки.
В основу настоящего решения положена задача создания компактного блока управления выходным рода тока для использования в высоковольтной технике, который устранял бы вышеуказанные технические проблемы.
Техническим результатом является возможность получения высокого напряжения переменного тока, постоянного тока положительной и отрицательной полярности. Кроме того, реализуемое данные возможности устройство обладает компактностью в сравнении с аналогами.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен блок управления выходным родом тока, состоящий из входного терминала, который подключен к двум ключам, отличающийся тем, что блок управления выходным родом тока выполнен имеющим корпус, внутри которого установлены узел коммутации и узел выпрямления, причем на узле коммутации размещены замыкающий/размыкающий ключ и переключающий ключ, а на узле выпрямления размещены два выпрямителя противоположной полярности, причем к внешней стороне корпуса выведены входной и выходной терминалы напряжения, терминалы управления ключами; при этом, один контакт замыкающего/размыкающего ключа подключен к входному терминалу, а другой контакт замыкающего/размыкающего ключа - к выходному терминалу; перекидной, подвижный контакт второго переключающего ключа подключен к входному терминалу, а статичные контакты переключающего ключа подключены к выпрямителям; один из статичных контактов переключающего ключа подключен к катоду первого выпрямителя, другой статический контакт переключающего ключа подключен к аноду второго выпрямителя, причем анод первого выпрямителя и катод второго выпрямителя соединены и подключены к выходному терминалу.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 - фиг. 13 показаны функциональные схемы различных вариантов блока управления выходным родом тока.
На фиг. 14 - фиг. 16 показаны функциональные схемы в рабочих режимах для управления выходным родом тока.
На фиг. 17 - фиг. 19 показаны функциональные схемы испытаний блока управления выходным родом тока.
На фиг. 20 показана структурная узловая схема блока управления выходным родом тока.
На фиг. 21 показана фотография опытного образца блока управления выходным родом тока, изготовленного согласно заявленного решения.
На чертежах: 1 - входной терминал; 2 - замыкающий/размыкающий ключ; 3 - диэлектрические удлинители; 4, 4.1, 4.2 - электромагниты; 5, 5.1, 5.2 - выходы электромагнита (терминалы управления ключами); 6 - переключающий ключ и его замыкатели - 6.1, 6.2; 7 - выпрямительный диод; 8 - выпрямительный диод противоположенной полярности диода 7; 9 - выходной терминал; 10 - корпус блока управления выходным родом тока; 11 - трансформатор; 12 - нагрузка, 13 - токоограничивающий резистор; 14, 15 - резистивный делитель; 16 - терминал для подключения измерительного устройства; 17 - дополнительный ключ; 18 - сглаживающий конденсатор; 19 - выходной терминал конденсатора; 20 - узел коммутации; 21 - узел выпрямления; 22 - лабораторный блок питания; 23 - цифровой двухканальный осциллограф; 24 - лабораторный автотрансформатор.
Осуществление полезной модели
Заявленный блок управления выходным родом тока выполнен следующим образом (см. пример на фиг. 20).
Блок управления выходным родом тока состоит из входного терминала (1), который подключен к двум ключам (2, 6).
Новым является то, что один контакт переключающего ключа (2) подключен к входному терминалу (1), а другой контакт переключающего ключа (2) - к выходному терминалу (9).
Перекидной, подвижный контакт второго замыкающего/размыкающего ключа (6) подключен к входному терминалу (1), а его статичные контакты подключены к выпрямителям (7, 8).
Один из статичных контактов переключающего ключа (6) подключен к катоду первого выпрямителя, другой статический контакт подключен к аноду второго выпрямителя, причем анод первого выпрямителя и катод второго выпрямителя соединены и подключены к выходному терминалу (9).
При этом, блок управления выходным родом тока (см. фиг. 20) выполнен имеющим корпус (10), внутри которого установлены узел коммутации (20) и узел выпрямления (21).
На узле коммутации (20) размещены замыкающий/размыкающий ключ (2) и переключающий ключ (6), а на узле выпрямления (21) размещены два выпрямителя (7, 8) противоположной полярности.
К внешней стороне корпуса (10) выведены входной (1), выходной (9) терминалы напряжения и терминалы управления ключами (5).
Представленная схема работает следующим образом: переменное напряжение подается на входной терминал (1), после чего попадает в корпус (10) на узел коммутации (20), который содержит ключи (2 и 6), если ключ (2) в замкнутом состоянии, то входное напряжение поступает на выход (9), таким образом, на выходе получается переменное напряжение.
При разомкнутом ключе (2) напряжение поступает на ключ (6), который подключен к узлу выпрямления (21), и, в зависимости от положения ключа (6) напряжение пойдет через один из выпрямителей (7 или 8), где данные выпрямители формируют противоположенные полярности постоянного напряжения. При этом, выходы выпрямителей (7 и 8) соединены с выходным терминалом (9), таким образом, на выходе получается выпрямленное напряжение положительной или отрицательной полярности.
Примеры возможной реализации блока управления выходным родом тока представлены на базе различных функциональных схем, работа которых описана ниже. Например, выход повышающего трансформатора (11) (см. пример фиг. 3) может подключаться к входному терминалу (1) блока управления выходным родом тока, который подключен к двум ключам (2, 6), отвечающим за преобразование входного напряжения. Замыкающий/размыкающий ключ (2) позволяет получить на выходном терминале (9) переменное напряжение, шунтируя переключающий ключ (6) с выпрямительными диодами (7, 8) в замкнутом состоянии, или постоянное напряжение, находясь в разомкнутом состоянии, разорвав прямую связь входного терминала (1) и выходного терминала (9), что позволит переменному току пойти через переключающий ключ (6) с выпрямительными диодами (7, 8). Изменение полярности постоянного напряжения обеспечивается переключающим ключом (6), контактные группы которого подключены к выпрямительным диодам (7, 8), выходы которых соединены с выходным терминалом (9).
В качестве нагрузки (12) к выходному терминалу (9) могут быть подключены объекты испытаний по определению электрической прочности изоляции, максимального тока утечки на заданном напряжении, устройства, кабельные и конденсаторные изделия, разнообразные изделия, требующие испытаний повышенным напряжением.
Вышеописанная конструкция управления выходным родом тока может эксплуатироваться с воздушной изоляцией, при относительно малых выходных напряжениях, или помещена в корпус (10), заполненный жидким или газообразным диэлектриком, с выполненными герметичными вводами для высоковольтных терминалов (1, 9) и терминалов управления ключами (5).
В качестве терминалов управления ключами могут использоваться, например, выходы электромагнита (5.1, 5.2). Терминалы управления ключами могут быть выполнены также в виде выводов катушек электромагнитов, реле или прямых приводов ключей (диэлектрических удлинителей), приводимых в движение вручную или с помощью электропривода и электромагнитов.
Для реализации ключей (2, 6) могут быть использованы реле, высоковольтные реле, различные конструкции переключателей и замыкателей обеспечивающие своим функционалом элементы, отображенные на схеме.
Замыкающий/размыкающий ключ (2) может быть нормально разомкнутый или нормально замкнутый.
Переключающий ключ (6) может быть реализован как переключатель (см. фиг. 3), либо как два замыкателя (6.1, 6.2), (см. фиг. 4). Замыкатели (6.1, 6.2) могут быть нормально замкнутые, нормально разомкнутые, комбинацией из одного нормально замкнутого и нормально разомкнутого замыкателей. В качестве устройств для переключения ключей (2, 6) могут быть использованы электромагниты (4), якоря которых через диэлектрические удлинители (3) соединены с подвижными контактами ключей (2, 6).
Корпуса электромагнитов или иных устройств, приводящих в движение подвижные контакты переключателей (2, 6) могут быть заземлены или нет в зависимости от реализации переключателей и расстояний до высоковольтных элементов блока. Выпрямительные диоды (7, 8) могут быть как единичными диодами, так и несколькими диодами, соединенными последовательно и параллельно, несколькими диодами, соединенными последовательно с параллельно подключенными к диодам резисторами.
Для ограничения тока через трансформатор в случае пробоя изоляции подключенной нагрузки (12) или при иных случаях резкого увеличения тока в схему может быть добавлен токоограничивающий резистор (13), (см. примеры фиг. 5 - фиг. 8). Резистор (13) может находиться снаружи корпуса (10), (см. примеры фиг. 5, фиг. 6), а может и находиться внутри корпуса (10), (см. примеры фиг. 7, фиг. 8). Резистор (13) может быть как один, так и состоять из нескольких соединенных последовательно и параллельно резисторов.
Для контроля за выходным напряжением в блок может быть встроен резистивный делитель (14, 15), см. фиг. 9, с терминалами (16) для подключения измерительного устройства.
Резисторы (14, 15) могут быть как единичные, так и сборками резисторов, соединенных последовательно и параллельно. Резисторы (14,15) могут располагаться как в корпусе блока (10), так и за его пределами, подключаясь к выходному терминалу (9).
При необходимости получения на выходе блока выпрямленного напряжения с минимальными пульсациями в схему добавляется сглаживающий конденсатор (18), ключ (17), выходной терминал конденсатора (19), см. фиг. 10 - фиг. 11. Сглаживающий конденсатор (18), может размещаться как в корпусе блока (10), (см. фиг. 10), так и за его пределами, (см. фиг. 11).
Последовательно со сглаживающим конденсатором (18) может быть включен резистор (13), выполняющий функцию ограничения зарядного тока конденсатора (18), см. фиг. 12.
В некоторых случаях для обеспечения минимизации конструкции и уменьшения длины высоковольтных шин блок управления выходным родом тока может иметь единый корпусе с высоковольтным трансформатором (11), см. фиг. 13. В таком случае входным терминалом (1) будет считаться место подключения к ключам (2, 6). При такой компоновке применимы все вышеописанные варианты модификации блока управления выходным родом тока.
Получение высокого напряжения с меняющимся родом тока, с помощью заявленного блока управления выходным родом тока, осуществляют за счет того, что на входной терминал подают переменное напряжение.
В дальнейшем, получение на выходе переменного тока, либо выпрямленного положительной или отрицательной полярности, зависит от нижеописанных примеров работы блока управления.
Блок управления выходным родом тока работает следующим образом. Переменное напряжение поступает на входной терминал (1), для получения на выходном терминале (9) переменного напряжения ключ (2) должен находиться в положении, соединяющем входной терминал (1) и выходной терминал (9), положение ключа (6) значения не имеет, фиг. 14.
Для получения на выходном терминале постоянного напряжения отрицательной полярности ключ (2) должен находиться в таком положении, чтобы не шунтировать ключ (6), ключ (6) должен находиться в таком положении, чтобы перекидной контакт был соединен со статичным контактом, который подключен к катоду выпрямительного диода, см. фиг. 15.
Для получения на выходном терминале постоянного напряжения положительной полярности ключ (2) должен находиться в таком положении, чтобы не шунтировать ключ (6), ключ (6) должен находиться в таком положении, чтобы перекидной контакт был соединен со статичным контактом, который подключен к аноду выпрямительного диода, см. фиг. 16.
Согласно заявленному решению была изготовлена опытная модель блока управления выходным родом тока (см. фиг. 21). Ее малые размеры подтверждают компактность устройства в сравнении с аналогами.
Проверка данного технического решения проводилась в лабораторных условия с использованием: высоковольтного трансформатора (11) для подачи переменного напряжения в пределы изготовленного блока управления выходным родом тока в корпусе (10), лабораторного автотрансформатора (24) для регулирования напряжения высоковольтного трансформатора (11), цифрового двухканального осциллографа (23) с высоковольтными щупами, для контроля формы входного (1) и выходного напряжения (9), высоковольтного нагрузочного резистора (12), высоковольтного конденсатора (18), лабораторный блок питания (22) для подачи напряжения на электромагниты (4.1, 4.2) переключателей полярности через их соответствующие выводы (5.1, 5.2).
Для получения переменного выходного напряжения на терминалы магнита (5.1) подавалось напряжение с блока питания (22). Лабораторным автотрансформатором (24) было выставлено такое первичное напряжение на трансформаторе (11), чтобы на терминале (1) было 10 кВ переменного напряжения, при этом осциллографом фиксировалось идентичная форма и значение напряжения на терминалах (1, 9), см. фиг. .17. Высоковольтный конденсатор (18) был отключен.
В результате проверки переменное напряжение фиксировалось.
Для получения постоянного напряжения отрицательной полярности на выводы (5.1, 5.2) терминалов электромагнитов (4.1, 4.2) напряжение не подавалось. Лабораторным автотрансформатором (24) было выставлено такое первичное напряжение на трансформаторе (11), чтобы на входном терминале (1) было 10 кВ переменного напряжения, при этом осциллографом (23) фиксировалось переменное напряжение 10 кВ на входном терминале (1) и постоянное сглаженное напряжение отрицательной полярности 14 кВ на выходном терминале (9) (см. фиг. 18). Высоковольтный конденсатор (18) был подключен.
В результате проверки фиксировалось постоянное напряжение отрицательной полярности.
Для получения постоянного напряжения положительной полярности на выводы (5.1) электромагнита (4.1) было подано напряжение с блока питания (22). Лабораторным автотрансформатором (24) было выставлено такое первичное напряжение на трансформаторе (11), чтобы на терминале (1) было 10 кВ переменного напряжения, при этом осциллографом (23) фиксировалось переменное напряжение 10 кВ на терминале (1) и постоянное сглаженное напряжение положительной полярности 14кВ на терминале (9), см. фиг. 19. Высоковольтный конденсатор (18) был подключен.
В результате проверки фиксировалось постоянное напряжение отрицательной полярности.