ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ С УПРАВЛЯЕМОЙ ПОЛЯРНОСТЬЮ

Полезная модель относится к электропреобразовательной технике и может быть использована в высоковольтных установках постоянного напряжения с изменяющейся полярностью выходного напряжения, а также в области экспериментальной ядерной физики. В частности, в задачах по измерению зарядов и электрических дипольных моментов частиц, экспериментальные установки включают в себя высоковольтные (до 200 кВ) преобразователи.
Технические характеристики таких преобразователей определяются условиями эксперимента. В большинстве своем выходное напряжение этих преобразователей должно быть с переключаемой полярностью, быть управляемым по величине и, в случае спонтанного пробоя в высоковольтных электрических цепях, быстро восстанавливаться. Электрическая схема высоковольтного преобразователя в части ее низковольтного энергоснабжения должна быть относительно простой, надежной и адаптированной к автоматизированному управлению и контролю выходного высоковольтного напряжения.
В качестве основы таких преобразователей широко используются каскадные генераторы (умножители) с емкостной связью: Е.А. Абрамян, Б.А. Альтеркоп, Г.Д.Кулешов. Интенсивные электронные пучки. М. Энергоатомиздат 1984 г., [1].
Известен высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с управляемой полярностью, содержащий переключатель полярности и два канала, каждый из которых состоит из трансформатора с первичной и вторичной обмотками и выпрямителя с умножением напряжения, подключенного к вторичной обмотке трансформатора. (Ядерная физика, т 21, вып.2, 1975, стр.292-299.), [2].
К недостаткам этого устройства следует отнести наличие громоздкого высоковольтного переключателя, коммутирующего цепь высокого напряжения, что отрицательно сказывается на надежности всего устройства и создает дополнительные коммутационные помехи.
Наиболее близким к заявляемому устройству является высоковольтный преобразователь переменного напряжения в постоянное с управляемой полярностью, описанный в А.С.№944021 [3]. Это устройство подключено к источнику переменного напряжения и содержит, низковольтный электромеханический или электронный переключатель полярности и два канала преобразования в виде каскадных генераторов, каждый из которых состоит из трансформатора с первичной и вторичной обмотками и выпрямителя с умножением напряжения, подключенного к вторичной обмотке трансформатора. Разнополярные выходы каналов соединены между собой и подключены к выводу для подключения нагрузки. Один из концов первичной обмотки каждого трансформатора подключен к одному из выводов для подключения источника переменного напряжения. Другой вывод для подключения источника переменного напряжения образован средним выводом переключателя полярности. Крайние выводы переключателя полярности соединены со свободными концами первичных обмоток трансформаторов. Кроме того, с целью измерения напряжения концы вторичных обмоток трансформаторов с низким потенциалом через измерительные резисторы соединены с общей точкой высоковольтного преобразователя.
При подключении источника переменного напряжения к трансформатору (соответствующего канала) через низковольтный электромеханический или электронный переключатель соответствующий умножитель (назовем его умножитель первого канала) вырабатывает, например, положительное напряжение, величина которого задается коэффициентом трансформации и числом умножающих каскадов умножителя, равным числу вентилей. Сопротивление вентилей умножителя второго канала открыты, их сопротивление мало. Резисторы, входящие в состав этого умножителя, вместе с измерительным резистором второго канала образуют высоковольтный делитель напряжения, который может быть использован в составе схемы измерения. В другом положении переключателя умножители каналов меняются ролями. После переключения переключателя, происходит плавная перезарядка емкостей умножителей первого и второго канала, и выходное напряжение становится отрицательным, а к схеме измерения подключается высоковольтный делитель, образованный резисторами умножителя первого канала и измерительным резистором этого канала.
В прототипе схема низковольтного энергоснабжения, состоящая из источника переменного напряжения и электромеханического (либо полупроводникового) переключателя полярности выходного напряжения, требует комплекса внешних аппаратных средств для адаптирования ее к автоматизированному управлению и контролю вырабатываемого высоковольтным преобразователем напряжения, что снижает необходимую степень эксплуатационной надежности высоковольтного преобразователя в целом. Этот недостаток описан в работе: Ю.В. Борисов, В.Ф. Ежов, С.Н. Иванов, В.М. Лобашев, А.П. Серебров. Система для создания электрического поля высокой напряженности с управляемой величиной и полярностью. Препринт ПИЯФ АНССР №1148, декабрь 1985, [4].
Задачей заявляемого устройства является повышение эксплуатационной надежности высоковольтного преобразователя путем упрощения в нем схемы низковольтного энергоснабжения каскадных генераторов (умножителей), используя при этом технологию квазирезонансного преобразования.
Поставленная задача решается тем, что в известном высоковольтном преобразователе с управляемой полярностью, содержащем два разнополярных канала преобразования, причем каждый канал преобразования состоит из вентильного каскадного генератора с резистивно-емкостной связью, повышающего трансформатора и измерительного резистора, выходы двух разнополярных каскадных генераторов объединены между собой и являются выводом высоковольтного преобразователя для подключения параллельной нагрузки, а два входа каждого каскадного генератора соединены с соответствующими двумя выводами повышающих обмоток трансформаторов, и низковольтные выводы повышающих обмоток через соответствующие измерительные резисторы соединены с общим выводом высоковольтного преобразователя, новым является то, 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 через соответствующие однотипные однополярные 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 однополярными управляемыми полупроводниковыми ключами соединены с внешним разъемом для связи высоковольтного преобразователя с внешними аппаратными средствами контроля и управления.
Заявляемая совокупность признаков не обнаружена в открытой печати.
Заявляемый высоковольтный преобразователь с использованием технологии квазирезонансного преобразования показан на Фиг.1.
В соответствии с формулой и фиг.1. заявляемое устройство содержит: 1 - выход высоковольтного преобразователя для подключения параллельной нагрузки; 2, 3 - разнополярные каналы преобразования, каждый из которых содержит вентильный каскадный генератор с резистивно-емкостной связью. Выходы двух генераторов объединены между собой и образуют выход (1) высоковольтного преобразователя для подключения параллельной нагрузки; 4, 5 - трансформаторы; 6, 7 - резисторы; 8 - общий вывод высоковольтного преобразователя; 9 - управляемый источник постоянного низковольтного напряжения; 10, 11 - однотипные однополярные управляемые полупроводниковые ключи; 12, 13- выходы измерительных резисторов; 14 - вход управления выходным напряжением управляемого источника постоянного низковольтного напряжения (9); 15, 16 - входы управления соответствующими однополярными управляемыми полупроводниковыми ключами 10 и 11. Выход управляемого источника постоянного низковольтного напряжения 9 соединен с одноименными выводами первичных обмоток трансформаторов 4 и 5, другие одноименные выводы первичных обмоток трансформатора 4, 5 через соответствующие однотипные однополярные управляемые полупроводниковые ключи 10 и 11 соединены с общим выводом управляемого источника постоянного низковольтного напряжения 9, который объединен с общим выводом высоковольтного преобразователя 8. Выходы 12 и 13 измерительных резисторов 6 и 7, а также вход 14 управления выходным напряжением управляемого источника 9 постоянного низковольтного напряжения 9 и входы 15, 16 управления соответствующими однополярными управляемыми полупроводниковыми ключами 10 и 11 соединены с внешним разъемом для связи высоковольтного преобразователя с внешними аппаратными средствами контроля и управления
Принцип работы заявляемого высоковольтного преобразователя, и возможность решения поставленной задачи заключается в следующем.
В статике, когда управляемые полупроводниковые ключи 10 и 11, представляющие собой полевые транзисторы с защитным диодом, закрыты, выходное напряжение на выходе 1 высоковольтного преобразователя (как и на выходах 12 и 13 измерительных резисторов 6 и 7) равно нулю. Управляемый источник 9 постоянного низковольтного напряжения может вырабатывать на своем выходе напряжение со значением кода либо аналогового сигнала (в зависимости от типа используемого источника), подаваемого на вход 14 для управления величиной его выходного напряжения.
При активизировавши импульсным сигналом управляемого полупроводникового ключа 10 по его управляемому входу 15 в колебательном контуре, образованном индуктивностью рассеяния L, последовательно включенной с первичной обмоткой трансформатора 4 и приведенной емкостью С, параллельно включенной первичной обмотке трансформатора 4, возникает резонансный процесс, в результате которого во вторичной обмотке трансформатора 4 возникает переменное напряжение. Это переменное напряжение является дозирующим для накопительных конденсаторов каскадного генератора 2, вырабатывающего на выходе 1 высоковольтного преобразователя постоянное высоковольтное напряжение положительной полярности. Выходное напряжение высоковольтного преобразователя, зависимое по величине от значения выходного напряжения управляемого источника 9 постоянного низковольтного напряжения, через резисторы и вентили каскадного генератора 3 с ослаблением передается на выход 13 измерительного резистора 7 для осуществления его контроля внешними аппаратными средствами.
При активизировании импульсным сигналом управляемого полупроводникового ключа 11 по его управляющему входу 16 в колебательном контуре, образованном индуктивностью L, последовательно включенной с первичной обмоткой трансформатора 5 и приведенной емкости С, включенной параллельно первичной обмотке трансформатора 5, аналогично возникает резонансный процесс, в результате которого во вторичной обмотке трансформатора 5 возникает переменное напряжение. Это напряжение является дозирующим для накопительных конденсаторов каскадного генератора 3, вырабатывающего на выходе 1 высоковольтного преобразователя постоянное высоковольтное напряжение отрицательной полярности. Это напряжение, так же зависимое по величине от значения выходного напряжения управляемого источника 9 постоянного низковольтного напряжения, через резисторы и вентили каскадного генератора 2 с ослаблением передается на выход 12 измерительного резистора 7 для осуществления его контроля внешними аппаратными средствами.
Длительность логического импульса, активизирующего тот либо другой управляемый полупроводниковый ключ (10 либо 11) и частота его повторения находятся в прямой зависимости от значений эквивалентных реактивных параметров L и С, определяющих длительность периода резонансных колебаний в эквивалентных колебательных контурах трансформаторов 4 или 5.
Из работы последовательного колебательного контура с пиковым резонансным напряжением, превышающем напряжение управляемого источника 9 постоянного низковольтного напряжения, длительность активизирующего логического импульса должна быть близка к длительности половины резонансного периода контура, а его частота повторения - менее резонансной частоты контура.
Очевидно, что стабильность напряжения на выходе 1 высоковольтного преобразователя определяется стабильностью выходного напряжения управляемого источника постоянного низковольтного напряжения 9, стабильностью длительности активизирующих полупроводниковые ключи логических импульсов и стабильностью частоты их повторения. Широкий выбор доступных управляемых источников постоянного низковольтного напряжения с требуемой стабильностью и формирование активизирующих управляемые полупроводниковые ключи логических импульсов необходимой длительности  и частоты повторения с использованием кварцевого генератора снимают необходимость в организации системы стабилизации напряжения на выходе 1 высоковольтного преобразователя, что имеет место в прототипе.
Состав внешних аппаратных средств в заявляемом объекте уменьшается до выходного регистра, с помощью которого осуществляется цифровое управление напряжением низковольтного источника постоянного напряжения и изменение полярности высоковольтного напряжения, и логического дифференциатора на основе кварцевого генератора с цифровым управлением (с точностью периода тактовой частоты кварцевого генератора) длительности и частоты следования импульса для управления полупроводниковыми ключами.
В созданном высоковольтном преобразователе в качестве источника постоянного низковольтного напряжения 9 использовался источник питания ES 0300-0.45 Delta Elektronika с Umax=300B и Imax=450 мА, имеющий аналоговый канал управления от компьютера, а в качестве управляемых полупроводниковых ключей 10 и 11 - полевой транзистор STW11NM80.
Таким образом, простая схемотехника низковольтного энергоснабжения не требует сложных внешних аппаратных средств управления, что повышает эксплуатационную надежность предлагаемого высоковольтного преобразователя, что повышает эксплуатационную надежность предлагаемого высоковольтного преобразователя и допускает адаптировать ее к автоматизированному управлению путем простейших средств, например, выходного регистра.
1. Е.А.Абрамян, Б.А.Альтеркоп, Г.Д.Кулешов. Интенсивные электронные пучки. М. Энергоатомиздат, 1984 г.
2. Ядерная физика, т 21, вып.2, 1975, стр.292-299.
3. Ю.В.Борисов, А.С, №944021, МПК Н02М 7/10, опубл. БИ, 1982, №26 - прототип.
4. Ю.В.Борисов, В.Ф. Ежов, С.Н.Иванов, В.М.Лобашев, А.П.Серебров. Система для создания электрического поля высокой напряженности с управляемой величиной и полярностью. Препринт ПИЯФ АНССР №1148, декабрь 1985.