Источник питания цепи накала усилительного клистрона
Источник предназначен для питания цепи накала усилительного клистрона в радиотехническом комплексе, размещенном на борту летательного аппарата с сетью трехфазного переменного напряжения 200 В, 400 Гц.
Технический результат - формирование от сети трехфазного переменного напряжения 200 В, 400 Гц напряжения частотой 50 Гц с возможностью регулировки и плавного увеличения амплитуды при подаче питания и уровнем ослабления высших гармоник, с частотами в диапазоне от 100 Гц до 2000 Гц, не более 25% от амплитуды напряжения 50 Гц, а также осуществление защиты от аварийных токов.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные инвертор и выходной фильтр, а также схему управления, соединенную со вторым входом инвертора, введены последовательно соединенные выпрямитель и фильтр, выход которого соединен с первым входом инвертора, а также датчик тока, через который первый выход инвертора соединен с входом схемы управления, которая для формирования алгоритма регулирования напряжения и защиты от аварийных токов выполнена на основе цифрового сигнального процессора, при этом функцию выходного фильтра выполняет трансформатор.
Полезная модель предназначена для питания цепи накала клистрона в радиотехническом комплексе, размещенном на борту летательного аппарата с сетью трехфазного переменного напряжения 200 В, 400 Гц.
Опыт показывает, что при применении клистрона в радиолокационной станции, характеристики напряжения накала могут оказать влияние на качество радиолокационной информации. При питании накала напряжением с частотой 400 Гц в спектре выходного сигнала клистрона появляется гармоника соответствующей частоты, что неблагоприятно сказывается на работе всего комплекса.
Для правильной работы устройства на основе усилительного клистрона цепь накала необходимо питать переменным синусоидальным напряжением 4-15 В, частотой не более 100 Гц. При этом для надежной работы клистрона, необходимо в момент подачи питания ограничить ток через нить накала.
Известно устройство для питания цепи накала клистрона, состоящее из трансформатора и схемы ограничения пускового тока накала [1]. Трансформатор понижает напряжение сети до уровня 4-15 В (в зависимости от типа клистрона). Схема ограничения пускового тока обеспечивает подключение цепи накала к выходу трансформатора через резистор на время, требуемое для ее прогрева. Недостаток данного устройства в том, что оно не позволяет уменьшить частоту выходного напряжения при питании от сети 400 Гц.
Наиболее близким устройством (прототипом) заявленной полезной модели по совокупности общих признаков является "Однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией переменного тока" (патент RU 2420854 С1 от 11.05.2010), который содержит мостовую схему инвертора, выходной Г-образный LC-фильтр и схему управления, состоящую из задающего генератора, генератора типа кривой, измерителя отклонения напряжения, сумматора, выпрямителя, генератора треугольного напряжения, формирователя импульсов. Структурная схема прототипа изображена на фигуре 1. Недостатками прототипа, препятствующими его использованию для питания цепи накала клистрона, являются: питание только от источника постоянного тока, отсутствие возможности регулирования выходного напряжения, отсутствие защиты устройства от аварийных токов.
Для корректной работы клистрона необходимо обеспечить питание цепи накала напряжением с регулируемой амплитудой, постоянной частотой, например 50 Гц, и уровнем высших гармоник, с частотами в диапазоне от 100 Гц до 2000 Гц, не более 25% от амплитуды напряжения 50 Гц. С целью ограничения тока в цепи накала при подаче питания должно осуществляться плавное увеличение напряжения до установленного уровня за время (3±1)с.
Техническим результатом является формирование от сети трехфазного переменного напряжения 200 В, 400 Гц напряжения частотой 50 Гц с возможностью регулировки и плавного увеличения амплитуды при подаче питания и уровнем ослабления высших гармоник, с частотами в диапазоне от 100 Гц до 2000 Гц, не более 25% от амплитуды напряжения 50 Гц, а также осуществление защиты от аварийных токов.
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные инвертор и выходной фильтр, а также схему управления, соединенную со вторым входом инвертора, введены последовательно соединенные выпрямитель и фильтр, который соединен с первым входом инвертора, и датчик тока, через который первый выход инвертора соединен с входом схемы управления. Кроме того, схема управления транзисторами инвертора, для формирования алгоритма регулирования напряжения и защиты от аварийных токов, построена на основе цифрового сигнального процессора (например, 1867ВЦ5Т [2]), а функцию выходного фильтра выполняет трансформатор.
На фигуре 1 изображена структурная схема прототипа, где приняты следующие обозначения:
1 - однофазный мостовой инвертор (И),
2 - схема управления (СУ),
3 - выходной фильтр (ВФ).
На фигуре 2 изображена функциональная схема источника питания цепи накала усилительного клистрона, где приняты следующие обозначения:
1 - однофазный мостовой инвертор (И),
2 - схема управления (СУ),
3 - трансформатор (ТР),
4 - выпрямитель (В),
5 - фильтр (Ф),
6 - датчик тока (ДТ).
На фигуре 3 приведена осциллограмма выходного напряжения после накального трансформатора 3.
Источник питания цепи накала усилительного клистрона состоит из последовательно соединенных выпрямителя 4, фильтра 5, однофазного мостового инвертора 1 и трансформатора 3 (см. фиг.2). Первый выход инвертора 1 через датчик тока 6 соединен с входом схемы управления 2, выход которой соединен со вторым входом инвертора 1. Датчик тока 6 состоит из шунта и порогового элемента. Второй выход инвертора соединен с входом трансформатора 3, выход которого Uвых является выходом устройства. Схема управления выполнена на базе цифрового сигнального процессора, алгоритмы управления реализованы программно [3].
Принцип работы источника следующий. На вход источника подается переменное трехфазное напряжение 200 В, 400 Гц. После выпрямителя 4 напряжение Uвыпр сглаживается фильтром 5 и в виде Ud поступает на вход однофазного мостового инвертора 1. Схема управления 2 вырабатывает импульсы переключения транзисторов инвертора 1 с использованием широтно-импульсной модуляции [3] таким образом, что на выходе инвертора 1 формируется модулированное частотой >2000 Гц напряжение Uи с действующим значением 100 В и частотой огибающей 50 Гц. Применение широтно-импульсной модуляции при управлении ключами инвертора обусловлено требованием к гармоническому составу выходного напряжения. При включении питания, амплитуда выходного напряжения Uвых плавно увеличивается от 0 до 10 В за время (3±1) с за счет алгоритма, реализованного в схеме управления, использующего принцип геометрического сложения напряжений [4], что обеспечивает ограничение тока накальной цепи в момент пуска. Встроенный в цифровой сигнальный процессор модуль ШИМ формирует «мертвое время» между импульсами управления транзисторами каждого плеча инвертора для его надежной работы [5]. При прохождении через инвертор тока, превышающего допустимый, с датчика тока 6 в схему управления 2 поступает сигнал, по которому снимаются импульсы управления со всех транзисторов, что обеспечивает защиту инвертора от сквозных токов и токов короткого замыкания. Напряжение с инвертора 1 U и поступает на трансформатор 3, который уменьшает выходное напряжение инвертора до требуемой величины и выполняет функцию выходного фильтра благодаря индуктивности обмоток. Кроме того накальный трансформатор обеспечивает гальваническую развязку между источником и цепью накала.
Таким образом, введение в устройство, содержащее последовательно соединенные инвертор и выходной фильтр, а также схему управления соединенную с инвертором, выпрямителя и фильтра, соединенного с первым входом инвертора, и датчика тока, через который первый выход инвертора соединен с входом схемы управления, выполненной на основе цифрового сигнального процессора, привел к указанному техническому результату.
Список литературы:
1. П.Р.Калиш, Н.И.Ярочкин «Усилительные клистроны», Серия "Элементы радиоэлектронной аппаратуры", выпуск 7 Издательство: Советское радио Год: 1967; стр.30-33.
2. Валерий Крюков, Владимир Горохов, Николай Данильченко «Микроконтроллер 1867ВЦ5Т с 16-разрядным процессором ЦОС и флэш-памятью для систем цифрового управления электродвигателями» СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 
22008 стр.16-19.
3. Creating a Sine Modulated PWM Signal Using the TMS320F240 EVM, APPLICATION REPORT: SPRA411, David Figoli, Copyright © 1999, Texas Instruments Incorporated, стр.9-26;
4. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 296 с.: ил., стр.131, 161.
5. Configuring PWM Outputs of TMS320F240 with Dead Band for Different Power Devices, APPLICATION REPORT: SPRA289, Mohammed S Arefeen, Copyright © 1997, Texas Instruments Incorporated, стр.9-12.
Источник питания цепи накала усилительного клистрона, содержащий последовательно соединенные инвертор и выходной фильтр, а также схему управления, соединенную со вторым входом инвертора, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные выпрямитель и фильтр, выход которого соединен с первым входом инвертора, а также датчик тока, через который первый выход инвертора соединен с входом схемы управления, которая для формирования алгоритма регулирования напряжения и защиты от аварийных токов выполнена на основе цифрового сигнального процессора, при этом функцию выходного фильтра выполняет трансформатор.
