Высоковольтная система электропитания

Высоковольтная система электропитания может быть использована для электропитания СВЧ-генераторных приборов, таких как клистрон, лампа бегущей волны, магнетрон др. На улучшение массогабаритных показателей, а также эффективность и надежность радиопередающих устройств в значительной мере влияет принцип построения системы электропитания мощных электровакуумных приборов. Использование высокочастотных преобразователей с возможностью регулировки в широком диапазоне выходного напряжения и обеспечения быстродействия защиты становится реальным с применением в качестве мощных ключевых элементов новых силовых приборов на напряжение 600 В-800 В, и ток 20 А-75 А, таких как: мощные полевые транзисторы (MOSFET), и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Оптимальное сочетание регулируемых высокочастотных преобразователей с традиционными высоковольтными выпрямителями на базе трансформаторов, работающих на частоте сети, позволяет построить систему максимально надежную и с максимальным значением КПД. Преобразование на повышенной частоте, где потери наиболее значительны, только части необходимой мощности для поддержания стабильности, позволяет увеличить КПД системы высоковольтного электропитания и сократить ее габариты. Последнее достигается включением регулируемого силового источника электропитания на основе n высокочастотных преобразователей, с дополнительно введенным и последовательно соединенным по выходу нерегулируемым силовым источником, работающим на частоте питающей сети.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к системам электропитания, защиты и управления технологическими установками, а также к системам электропитания СВЧ генераторных приборов, таких как клистроны, лампы бегущей и обратной волны, магнетроны, гиротроны и др. Техническая задача - улучшение габаритных показателей, повышение КПД и надежности.

Из множества известных высоковольтных систем электропитания наиболее близким к полезной модели является изобретение «Высоковольтная система электропитания (варианты) и электронный ключ для нее» (RU 2315387, опубл. 2008.01.20), в котором высоковольтная система электропитания содержит силовой источник питания, систему управления, датчик напряжения, датчик тока, блок защитных ключей, при этом один из входов блока защитных ключей соединен с первой шиной силового источника электропитания, а другой вход соединен с одним из выходов системы управления, при этом вторая шина силового источника электропитания через датчик тока соединена с общей шиной, а выход датчика тока соединен с первым входом системы управления, второй вход которой соединен с выходом датчика напряжения, а выход блока защитных ключей является выходом системы.

Кроме того, силовой источник электропитания включает первичный источник электропитания, по меньшей мере, два мостовых резонансных преобразователя, два высокочастотных трансформатора, два выпрямителя, два фильтра, при этом один из входов каждого мостового резонансного преобразователя соединен с выходом первичного источника электропитания, а другой - с соответствующим выходом системы управления, при этом выход каждого резонансного преобразователя соединен с входом соответствующего высокочастотного трансформатора, выходы которых соединены с входами соответствующих выпрямителей, а выходы выпрямителей соединены с входами соответствующих фильтров, причем выход каждого фильтра соединен с соответствующим входом схемы сложения, выход которой соединен с первой шиной силового источника электропитания, соединенного через датчик напряжения с общей шиной.

Кроме того, мостовые резонансные преобразователи соединены параллельно друг другу.

Кроме того, выход каждого мостового резонансного преобразователя через резонансный контур, состоящий, по меньшей мере, из одной индуктивности и одной емкости, соединенные последовательно, соединен с входом высокочастотного трансформатора.

Кроме того, схема сложения выполнена в виде параллельного соединения фильтров.

Кроме того, схема сложения выполнена в виде последовательного соединения фильтров.

Кроме того, блок защитных ключей выполнен в виде N электронных ключей на базе полевых с изолированным затвором или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом.

Недостатком данного изобретения являются большие габариты установки для автономной системы при электропитании устройства от трехфазной сети 220 В, 400 Гц и мощностях более 5 кВт, поскольку последняя состоит из многочисленного параллельного и последовательного включения, как конструктивно законченных модулей, так и отдельных полупроводниковых компонентов при выходном напряжении свыше 2000 В. Повышенная частота преобразования транзисторных резонансных преобразователей, порядка (20-100) кГц, предполагает работу с электромагнитными компонентами из ферритовых материалов, имеющих небольшие размеры, однако это плохо сочетается с обеспечением прочности изоляции при работе на высоких более 10 кВ напряжениях, и отводом тепла, что снижает надежность и КПД системы.

Данное изобретение является ближайшим аналогом предлагаемой полезной модели, т.е. прототипом.

Задачей предлагаемой полезной модели является повышение кпд, уменьшение габаритов и повышение надежности за счет трансформации большей части мощности и напряжения на частоте питающей сети 400 Гц.

Поставленная задача решается созданием высоковольтной системы электропитания, содержащей регулируемый силовой источник электропитания на основе n высокочастотных преобразователей, блок защитных ключей, систему управления регулируемым источником, а также датчик тока и датчик напряжения, которые своими выходами соединены с соответствующими входами системы управления, при этом один из выходов системы управления соединен с входом блока защитных ключей, а другой с управляющим входом регулируемого силового источника электропитания, один из выходных полюсов которого через датчик тока соединен с общей шиной, а другой с дополнительно введенным и последовательно соединенным по выходу, и параллельно по входу нерегулируемым силовым источником электропитания, работающим на частоте питающей сети, при этом другой полюс нерегулируемого силового источника электропитания соединен с датчиком напряжения и через блок защитных ключей с нагрузкой.

Кроме того, нерегулируемый силовой источник может состоять из одного и более коммутационных устройств, одного и более трансформаторов, одного и более выпрямителей, одного и более конденсаторов.

Кроме того, блок защитных ключей может быть исключен, и выход нерегулируемого источника электропитания будет являться выходом системы.

Полезная модель поясняется рисунками:

На фиг.1 показана структурная схема высоковольтной системы электропитания.

На фиг.2 показана электрическая схема силового нерегулируемого источника электропитания, работающего на частоте сети 400 Гц.

Высоковольтная система электропитания (фиг.1) содержит силовой нерегулируемый источник, работающий на частоте питающей сети 1, силовой регулируемый источник на основе n высокочастотных преобразователей 2, соединенные по входу параллельно, а по выходу последовательно, причем своим высокопотенциальным выходом силовой нерегулируемый источник 1 подключен к датчику напряжения 4 и блоку защитных ключей 6, управляющий вход которого связан с одним из выходов системы управления 5, а другой ее выход связан с управляющим входом силового регулируемого источника 2, при этом соответствующие входы системы управления 5 подключены к выходу датчика напряжения 4 и выходу датчика тока 3, а низкопотенциальный выход силового регулируемого источника 1 подключен через датчик тока 3 к общей шине.

Кроме того, в силовой нерегулируемый источник электропитания 1 введены (фиг.2) два контактора к1, к2 с раздельным управлением, два трансформатора т1, т2 и два мостовых выпрямителя, соединенных последовательно по выходу, собранные на высоковольтных столбах V1V12, при этом входы трансформаторов т1, т2 через соответствующие контакторы к1, к2 подключены к первичной сети.

В примере осуществления полезной модели макетирование системы выполнялось на основе разработки макетного образца высоковольтного источника электропитания на основе высокочастотных преобразователей, собранных с использованием мощных ключевых быстродействующих МДП-транзисторов, например, SPW47N60C3, а также биполярных транзисторов с изолированным затвором, например IRGP50B60PD1 и драйверов управления к ним типа: HCPL 3120, HCPL 5200, IR2113S.

Для изготовления высокочастотного, высоковольтного трансформаторно-выпрямительного модуля использовался ферритовый сердечник ПК40*25 марки 2500НМС7 и высоковольтные высокочастотные диоды типа 2Д215Д1, и конденсаторы типа К15-20В-3 кВ.

Силовая нерегулируемая. часть собиралась из отечественных комплектующих и материалов, таких как высоковольтные трансформаторы собственного изготовления из электротехнической стали марки 3424, высоковольтные столбы типа 2Ц203В и конденсатор типа К75-29Б.

Высоковольтная система электропитания работает следующим образом.

Питание всей системы осуществляется от первичной силовой сети 220 В, 400 Гц, 3 фазы, напряжение которой подается на служебный источник электропитания (СИП) и на входы силовых источников 1 и 2. При этом система управления 5 вырабатывает команду на включение блока защитных ключей 6 для подключения высоковольтной системы к нагрузке при включении первой, а за тем второй ступени через контакторы к1 и к2 (фиг.2) нерегулируемого силового источника 1, при этом на выходе высоковольтной системы появляется 2/3 U _вых выходного напряжения. В рассматриваемом варианте выходное напряжение нерегулируемого силового источника электропитания 1 составляет 2/3 U_вых, в таком же соотношении находятся и выходные мощности силовых источников. При этом выходные обмотки трансформаторов т1 и т2 фиг.2 выполнены: одна звездой, а другая треугольником для получении. 12 кратной пульсации в выходном напряжении силового нерегулируемого источника. Таким образом, частота пульсаций выходного напряжения нерегулируемого силового источника, определяемая коэффициентом схемы и входной частотой сети, составляет:

400 Гц*12=4800 Гц.

При этом коэффициент пульсаций K_по1 двенадцати фазной схемы составляет 1.4%, что имеет значение при выборе номинала фильтрующей емкости.

Далее по команде от системы управления 5 включается силовой регулируемый источник электропитания, и выходное напряжение высоковольтной системы плавно нарастает, достигая своего номинального значения U_вых, и точки своей стабилизации, поскольку вступает в действие отрицательная обратная связь от датчика напряжения 4, которая через устройство управления 5 начинает действовать на регулируемую часть схемы. При этом в случае изменения значения напряжения сети, например, на ±5% напряжение на выходе нерегулируемой части схемы также изменится и в этом случае регулируемый силовой источник скомпенсирует разницу.

Регулировка выходного напряжения системы возможна примерно на 1/3, поскольку регулируемая часть схемы рассчитана на 1/3 выходной мощности и на 1/3 выходного напряжения. Соотношение мощностей и выходных напряжений силовых источников может быть любым в зависимости от выполняемой задачи.

В случае токовой перегрузки или К.З. в нагрузке датчик тока 3 вырабатывает сигнал, который поступает в систему управления 5 и она выдает сигнал на отключение или блоку защитных ключей 6, или отключает силовые источники 1, 2.

Нестабильность выходного напряжения предложенной системы при воздействии всех дестабилизирующих факторов зафиксирована на том же уровне ±2%, как и в случае, построения ее на полную мощность на основе высокочастотных преобразователей в прототипе.

Такое построение высоковольтной системы позволяет использовать регулируемый источник на часть выходного напряжения и выходной мощности, например, на 10 кВ и 10 кВт вместо 30 кВ и 30 кВт, что значительно разгружает наиболее уязвимую часть полупроводниковой схемы, выполненную на полевых или биполярных транзисторах, соединенных в параллель и последовательно. Одновременно снижаются требования по прочности изоляции к высокочастотному, высоковольтному трансформаторно-выпрямительному модулю, который выполняется на ферритовых сердечниках и имеет минимальные размеры, что затрудняет обеспечить необходимую прочность изоляции в сочетании с отводом тепла.

Таким образом, создание предлагаемой высоковольтной системы электропитания позволяет повысить надежность и улучшить массогабаритные характеристики.

Следующий положительный момент заключается в том, что высоковольтная система электропитания на основе высокочастотных преобразователей имеет значение КПД=85-86% в то время, как нерегулируемая часть силового источника, работающего на частоте сети 400 Гц имеет КПД на уровне 95-97%. Таким образом, чем большая часть мощности будет преобразована за счет нерегулируемой части схемы, тем большее значение КПД получится у всей системы, в данном случае значение КПД составит порядка 90%.

То же самое можно сказать о габаритных показателях высоковольтной системы электропитания на основе высокочастотных преобразователей, которая имеет удельные характеристики (85 В - 100)т/дм³, в то время, как нерегулируемый силовой источник, работающий на частоте сети 400 Гц имеет удельные характеристики на уровне 614 Вт/дм³ (1), что позволяет сделать вывод о снижении габаритов системы, в случае если ее большая часть мощности будет преобразовываться при помощи нерегулируемого силового источника.

Литература: Березин O.K., Костиков В.Г., Шахнов В.А.

Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: «Три Л», 2000.-400 с.

1. Высоковольтная система электропитания, содержащая регулируемый силовой источник на основе высокочастотных преобразователей, блок защитных ключей, систему управления, датчик напряжения и датчик тока, выходы которых соединены с соответствующими входами системы управления, при этом один из ее выходов соединен с управляющим входом регулируемого силового источника, а другой - с входом блока защитных ключей, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен нерегулируемый силовой источник, работающий на частоте питающей сети, который одним из своих выходов соединен с регулируемым источником, а другим - с блоком защитных ключей и блоком датчика напряжения.

2. Высоковольтная система электропитания по п.1, отличающаяся тем, что нерегулируемый высоковольтный источник выполнен на основе одного или нескольких коммутационных устройств, одного или нескольких трансформаторов, одного или нескольких выпрямителей, одного или нескольких конденсаторов.

3. Соотношение мощностей и напряжений у регулируемого и нерегулируемого источников к выходной мощности системы может быть различным в зависимости от конкретной задачи.

4. Кроме того, блок защитных ключей может быть исключен и выход нерегулируемого источника питания будет являться выходом системы.