СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ УПРАВЛЯЕМЫЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полетная модель относятся к импульсной высоковольтной технике и может быть использована для зарядки низковольтных и высоковольтных емкостных накопителей, питания высокочастотных и сверхвысокочастотных модуляторов, в рентгеновской технике, электронно-лучевой сварке и иных областях техники, использующих низковольтные и высоковольтные источники питания большой мощности.
0
1
n
Известен источник постоянного напряжения [а.с. СССР №752684, БИ №28, 1980]. Данное устройство содержит высоковольтный трансформатор 1, имеющий первичную обмотку W и N вторичных обмоток (W…W). К каждой из N вторичных обмоток трансформатора подключен вход выпрямительного узла с емкостным фильтром 2, 3, 4…N, причем по выходу все выпрямительные узлы соединены последовательно. Выпрямительный узел представляет собой диодный мост, в выходную цепь которого включен фильтрующий конденсатор.
Высоковольтный источник постоянного напряжения работает следующим образом. Переменное напряжение питающей сети поступает на первичную обмотку трансформатора. Трансформатор преобразует уровень напряжения на первичной обмотке в заданный уровень напряжения на каждой из вторичных обмоток. Переменное напряжение на каждой из вторичных обмоток поступает на вход соответствующего выпрямительного узла. На выходе каждого выпрямительного узла формируется постоянное напряжение U. С учетом последовательного соединения всех выпрямительных узлов по выходу на выходе источника питания формируется суммарное значение постоянного напряжения, поступающего на нагрузку, равное N-U.
Важным достоинством данного устройства является возможность получения высоких напряжений при использовании относительно низковольтных элементов. Однако данное техническое решение не обеспечивает уменьшение влияния пробоев в нагрузке.
Наиболее близким техническим решением является высоковольтный источник питания для электронно-лучевого оборудования [патент РФ RU 2349020 C1, 2007 г.] (прототип). Данное устройство содержит высоковольтный трансформатор с N вторичными обмотками и N выпрямительных узлов с емкостным фильтром, причем каждая из вторичных обмоток трансформатора подключена ко входу одного из N выпрямительных узлов, а по выходу все выпрямительные узлы соединены последовательно. Источник питания основан на использовании трехфазного повышающего трансформатора, причем каждая из вторичных обмоток трансформатора подключена ко входу одного из N трехфазных выпрямительных узлов, а по выходу все выпрямительные узлы соединены последовательно. Для обеспечения режима ограничения выходного тока в случае дугового разряда в нагрузке применены регуляторы понижающего типа, подсоединенные к каждому из N выпрямительных узлов. Достоинством этого устройства является исключение влияния пробоев на величину тока. Однако недостатками известного устройства является отсутствие управления по мощности, т.к. введен только режим ограничения выходного тока источника питания при возникновении в нагрузке дугового разряда.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание стабилизированного источника питания, обеспечивающего следующие основные особенности:
- напряжение и ток в нагрузке по заранее заданной временной или вольтамперной зависимости в заданных пределах по току и напряжению;
- работу как в режиме источника напряжения (ток определяется резистивностью нагрузки), так и в режиме источника тока (напряжение определяется резистивностью нагрузки);
- адаптация к типу нагрузки (резистивная, емкостная, комплексная);
- толерантность по отношению к короткому замыканию без специальных средств защиты;
Перечисленные особенности разрабатываемого источника определяют универсальность его использования в различных технологических системах (электроннолучевая сварка; зарядка высоковольтных емкостных накопителей энергии; системы питания высокочастотных и сверхвысокочастотных модуляторов в области лазерной, ускорительной, радарной техники; в составе оборудования ионной имплантации, электронной и ионной литографии; в составе оборудования электронной микроскопии, томографическом оборудовании, в рентгеновских установках).
Технический результат, который может быть получен при осуществлении полезной модели:
- возможность работы устройства, как в режиме управляемого источника тока, так и в режимах управляемого источника напряжения и управляемого источника мощности, (в зависимости от характера нагрузки, устройство может переключаться в один из вышеперечисленных режимов в течение одного рабочего цикла);
- временное или граничное изменение параметров тока, напряжения или мощности в соответствующем режиме (источник тока, источник напряжения, источник мощности);
- теоретически неограниченная точность и скорость регулирования, достигаемая за счет применения собственного метода цифрового управления.
Для достижения технического результата при решении поставленных задач предлагается стабилизированный управляемый универсальный источник высокого напряжения, включающий силовой модуль, содержащий трансформатор с m секциями вторичных обмоток и m выпрямительных узлов, к каждой секции вторичных обмоток трансформатора подключен вход соответствующего выпрямителя узла, а по выходу все выпрямительные узлы соединены последовательно, и который оснащен источником первичного постоянного напряжения, дозатором мощности, генератором импульсов дозирования энергии, модулем мониторинга выходных тока и напряжения, машинным интерфейсом и микроконтроллером, при этом генератор импульсов дозирования энергии включает электрически связанные между собой генератор опорной частоты, конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии и компаратор, при этом дозатор мощности подключен к первичной обмотке трансформатора и имеет четыре входа, два из которых связаны с источником первичного постоянного напряжения, а два других входа связаны с выходами конвейерного распределителя импульсов дозирования энергии, каждый из m выпрямительных узлов выполнен в виде выпрямителя, соединенного с накопительными емкостями, к выходам которых подключен вход модуля мониторинга выходных тока и напряжения, а выходы последнего связаны с компаратором и микроконтроллером, вход которого соединен с машинным интерфейсом, а выходы с компаратором генератора импульсов дозирования энергии;
Также для достижения технического результата при решении поставленных задач в стабилизированном управляемом универсальном источнике высокого напряжения в генераторе импульсов дозирования энергии конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии имеет два входа, один из которых которого связан с выходом генератора опорной частоты, второй - с выходом компаратора, а каждый из m выпрямительных узлов оснащен четным количеством накопительных емкостей, смонтированных симметрично относительно выпрямителя;
Также для достижения технического результата при решении поставленных задач в стабилизированном управляемом универсальном источнике высокого напряжения источник первичного постоянного напряжения может быть выполнен либо по схеме однофазного, либо по схеме трехфазного выпрямителя; а дозатор мощности выполнен по мостовой схеме, входы ключей которого связаны с выходами источника первичного постоянного напряжения.
Указанные признаки заявляемой полезной модели являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата.
Указанные отличительные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенные варианты полезной модели соответствующим критерию «новизна»
Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленные задачи, а также достижение нового технического результата в совершенствовании конструкции стабилизированного управляемого универсального источника высокого напряжения, что характеризует предложенное техническое решение существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа.
Сущность полезной модели (варианты) поясняется чертежами:
Фиг. 1 - функциональная схема стабилизированного управляемого универсального источника высокого напряжения;
Фиг. 2 - диаграмма функционирования силового блока;
Фиг. 3 - диаграмма функционирования силового блока при нагрузке;
Заявляемая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который наглядно демонстрирует возможность достижения заданного технического результата указанной выше совокупностью существенных признаков.
Стабилизированный управляемый универсальный источник высокого напряжения содержит силовой модуль 1 (Фиг 1), включающий частотный трансформатор 2 с первичной обмоткой 3 и одной 4.1 или несколькими 4.1÷4.m вторичными обмотками, обеспечивающими гальваническую развязку выходного и первичного напряжения. Каждая вторичная обмотка 4.1÷4.m последовательно соединена с одним из выпрямителей 5.1÷5.m, преобразовывающих разнонаправленный ток вторичных обмоток 4.1÷4.m, поступающий на вход соответствующего выпрямителя 5.1÷5.m, в «поплечевой» однонаправленный ток на выходе. Каждый из выпрямителей 5.1÷5.m оснащен двумя или несколькими накопительными емкостями 6.1+6.m., обеспечивающими накопление энергии, сообщаемой «поплечевыми» токами с выхода соответствующих выпрямителей 5.1+5.m и удвоение напряжения, создаваемого поплечевыми токами. Крайние выходы последовательной цепи емкостей 6.1÷6.m соединены со входом модуля мониторинга выходных тока и напряжения 7.
К первичной обмотке 3 подключен дозатор мощности 8, который реализован по мостовой схеме и работает в режиме поочередной коммутации прямого и обратного тока через первичную обмотку 3 трансформатора 2. Два входа дозатора мощности 8 связаны с выходами генератора импульсов дозирования энергии 9 для приема доз энергии, генерируемых последним в виде прямоугольных управляющих импульсов, ширина которых определяет дозу энергии. Два других его входа связаны с источником первичного постоянного напряжения 10, который может быть выполнен либо по схеме однофазного, либо по схеме трехфазного выпрямителя, в зависимости от необходимой выходной мощности стабилизированного управляемого универсального источника высокого напряжения. Генератор импульсов дозирования энергии 9 включает электрически связанные между собой генератор опорной частоты 11, генерирующий опорную частоту импульсов, конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 12, регенерирующимися последним на основе опорной частоты, и компаратор 13, при этом у конвейерного распределителя импульсов дозирования энергии 12 один вход связан с выходом генератора опорной частоты 11, второй его вход - с выходом компаратора 13. Два входа компаратора 13 связаны с выходами модуля мониторинга выходных тока и напряжения 7. Устройство оснащено также микроконтроллером 14 и машинным интерфейсом 15, при этом микроконтроллер 14 адаптирован машинному интерфейсу 15. Входы микроконтроллера 14 связаны с выходами модуля мониторинга выходных тока и напряжения 7 и выходами компаратора 13, а его выход выведен на стандартный машинный интерфейс 15, обеспечивающий связь со стандартными средствами внешнего управления.
Стабилизированный управляемый универсальный источник высокого напряжения работает следующим образом.
s
ди
Работа устройства осуществляется по командам от средств внешнего управления, поступающим через машинный интерфейс 15 к микроконтроллеру 14, который транслирует их в виде сигналов на генератор импульсов дозирования 9 и компаратор 13. Посредством генератора опорной частоты 11, компаратора 13 и конвейерного распределителя 12 формируются, «опираясь» на несущую частоту f, два прямоугольных импульса дозирования со строго заданной скважностью: Доз.Имп.1 и Доз.Имп.2, которые поступают на дозатор мощности 8. Дозатор мощности 8 обеспечивает получение от источника первичного постоянного напряжения фиксированного количества энергии, равного E=U·I·τ,
где: U - напряжение источника первичного постоянного напряжения;
I - ток, диктуемый параметрами первичной обмотки 3;
ди
τ - ширина дозирующих импульсов Доз.Имп.1, Доз.Имп.2.
Тр
Доз.Имп.1 открывает соответствующую пару ключей дозатора мощности 8, обеспечивая прохождение прямого тока I в виде прямой полуволны (сплошная линия) (Фиг. 2) от источника первичного постоянного напряжения 10 через первичную обмотку 3 трансформатора 2. Амплитуду прямой полуволны определяет источник первичного постоянного напряжения 10, длительность обусловлена резонансными параметрами трансформатора 2 и является жестко фиксированной величиной, зависящей только от конструктивных особенностей трансформатора 2: магнитных свойств трансформатора (B-H curve), количества витков первичной обмотки, количества вторичных обмоток и числа витков в каждой из них.
Так, например, при индуктивности первичной обмотки 3 трансформатора 18.8 mH длительность полуволны составляет 8 μs.
Большая часть энергии прямой полуволны поступает на вторичные обмотки 4.1÷4.m трансформатора 2 и аккумулируется в накопительных емкостях 6.1÷6.m; остальная часть «запасается» в индуктивностях трансформатора 2 и «паразитных» емкостях, обусловленных конструктивными особенностями схемных компонентов.
По концу прямой полуволны происходит естественная рекуперация этой остальной части энергии обратно, к источнику первичного постоянного напряжения 10; создавая на первичной обмотке 3 трансформатора 2 обратную полуволну той же длительности (пунктирная линия), энергия которой также поступает на вторичные обмотки 4.1÷4.m и аккумулируется в накопительные емкости 6.1÷6.m, значительно повышая, соответственно, КПД силового модуля 1.
При генерации Доз.Имп.2 происходит тот же самый процесс, только в обратном направлении. Но целесообразность обратного процесса заключается в том, что производится симметричное «размагничивание» трансформатора 2, исключая тем самым, смещение магнитной составляющей в сторону насыщения, в котором трансформатор 2 теряет свои рабочие характеристики. При этом ширина импульса не должна быть меньше длительности полуволны, чтобы не обрывать естественный ход резонансного процесса. Рабочую же длительность импульса целесообразно превысить на 5-10% длительности резонансной полуволны, чтобы исключить чрезмерное уменьшение длительности импульса от прецессии схемотехнических параметров.
a
При работе устройства на нагрузку энергия накопительных емкостей 6.1÷6.m будет отбираться, и диаграмма функционирования силового модуля 1 несколько видоизменится (Фиг. 3). Угол  обозначает характер падения напряжения на накопительных емкостях 6.1÷6.m и обусловлен величиной нагрузки. Таким образом, каждый импульс обеспечивает строго фиксированную дозу энергии для передачи от источника первичного постоянного напряжения 10 к накопительным емкостям 6.1÷6.m с постоянной частотой, ограничиваемой сверху резонансными параметрами трансформатора 2.
Средствами внешнего управления по машинному интерфейсу 15 (Фиг. 1) через микроконтроллер 14 задается значение напряжения Uуст, которое должно быть достигнуто и поддерживаться на нагрузке током, не превышающим значения Iуст. Командой «Старт» запускается «процесс подачи» Доз.Имп.1 и Доз.Имп.2 на дозатор мощности 8. В накопительные емкости 6.1÷6.m начинают поступать с постоянной частотой строго фиксированные дозы энергии, восполняя энергию накопительных емкостей 6.1-6.m, расходуемую на нагрузку. При этом ток и напряжение на нагрузке изменяются в соответствии с характером нагрузки (преимущественно емкостной, преимущественно резистивной или той и другой одновременно).
уст
Измеренные значения тока Iизм и напряжения Uизм нагрузки с модуля мониторинга выходных параметров тока и напряжения 7, поступают на компаратор 13, где сравнивается с заданными величинами I и Uуст. При Iизм>Iуст или Uизм>Uуст компаратор 13 выдает команду запрета выдачи импульсов Зпр fs на конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 12. Конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 12, не ранее чем по концу текущего импульса, если таковой действует в момент выдачи команды Зпр fs, прекращает передачу импульсов, чем задерживает поступление очередных доз энергии в накопительные емкости 6.1÷6.m, в результате чего ток и вслед за ним напряжение на нагрузке начнут падать.
Как только наступит состояние Iизм<Iуст или Uизм<Uуст, компаратор 13 выдает команду разрешения на передачу импульсов Рзрш fs на конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 12, который возобновляет передачу импульсов со строго очередного (в данном случае из двух) импульсов, перед которым была остановлена его передача. Этим обеспечивается ранее упомянутое симметричное «размагничивание» трансформатора 2 при прерываниях «процесса подачи» Доз.Имп.1 и Доз.Имп.2 на дозатор мощности 8. Конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 12 обеспечивает конвейерную передачу импульсов одинаково как при отслеживании параметров тока, так и при отслеживании параметров напряжения, так как авторегулирование производится через энергетический параметр (дозы энергии), а распределение между током и напряжением происходит «саморегуляцией» в зависимости от характера нагрузки. Пока напряжение на нагрузке не достигло заданного значения наличествует «режим источника тока», в котором напряжение на нагрузке определяется текущей резистивностью нагрузки, (термин «текущая резистивность» предполагает нелинейную нагрузку, например - емкостную). Если напряжение на нагрузке достигает заданного значения до того, как ток достигнет заданное значение, наступает «режим источника напряжения», в котором ток определяется «текущей резистивностью». Очевидно, что если в процессе функционирования изменять задаваемые значения тока Iуст и напряжения Uуст в заданных пределах по току и напряжению, то система «мониторинг выходных тока и напряжения 7 - компаратор 13 - конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 12 будет автоматически отрабатывать эти изменения по мере их поступлений.
Используя средства внешнего управления, по машинному интерфейсу 15 можно задать микроконтроллеру 14 значения Uуст и Iуст, которые он подает на компаратор 13, не в виде константы, а в виде запрограммированной последовательности значений, разнесенных во времени, по определенной заданием закономерности.
При возникновении в нагрузке короткого замыкания произойдет быстрый разряд содержимого накопительных емкостей 6.1÷6.m при одновременном прерывании «процесса подачи» импульсов Дох Имп.I к Доз.Имп.2 на дозатор мощности 8 вследствие выхода величины тока за пределы заданного значения - и только. Даже если состояние короткого замыкания будет продолжаться, то после падения тока ниже заданного уровня возобновленная подача импульсов Доз.Имп.1 и Доз.Имп.2 будет осуществлять только то минимальное дозирование, которое необходимо для поддержания заданного тока нагрузки при практически нулевом напряжении.
Заявляемая полезная модель охарактеризована всей совокупностью существенных признаков во всех пунктах представленной формулы.
Заявляемая полезная модель, соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость», поскольку его реализация возможна при использовании существующих средств производства с применением известных технологических операций.