Высоковольтный источник питания

Высоковольтный источник питания относится к силовой высоковольтной преобразовательной технике и может найти применение в системах электропитания радиопередающей и радиолокационной аппаратуры (в частности системах питания мощных клистронов, магнетронов и т.д.), в качестве источников питания рентгеновских и лазерных установок, в технике физических экспериментов. Для обеспечения стабилизации выходного напряжения при нестабильной питающей сети в высоковольтном источнике питания, состоящем из n последовательно включенных трансформаторно-выпрямительных блоков и дополнительного блока, находящегося на потенциале земли, на выходе которого включен понижающий широтно-импульсный регулятор, емкостный фильтр которого включен последовательно с выходами остальных n трансформаторно-выпрямительных блоков, нагруженных на общий индуктивно-емкостный фильтр.

Заявляемая полезная модель относится к силовой высоковольтной преобразовательной технике и может найти применение в системах электропитания радиопередающей и радиолокационной аппаратуры (в частности системах питания мощных клистронов, магнетронов и т.д.), в качестве источников питания рентгеновских и лазерных установок, в технике физических экспериментов.

Известны высоковольтные источники питания, содержащие высоковольтные трехфазные сетевые трансформаторы, выпрямители и фильтры. Обычно стабилизация и регулирование выходного напряжения этих источников осуществляется на стороне питающей сети с помощью трехфазных тиристорных регуляторов (Ланцов В., Владимиров Е. Мощные высоковольтные источники питания. Часть 1 // Силовая электроника. 2010, 5. Стр.67, рис.1). Недостатком таких устройств является сравнительно низкое быстродействие, определяемое частотой питающей сети, низкий коэффициент мощности и генерация существенных электромагнитных помех.

Кроме этого иногда используются источники питания с регулированием на стороне высокого напряжения. В качестве регулирующего элемента используются вакуумные приборы (например, импульсные модуляторные тетроды), обеспечивающие линейную стабилизацию выходного напряжения (Ланцов В., Владимиров Е. Мощные высоковольтные источники питания. Часть 1 // Силовая электроника. 2010, 5. Стр.68, рис.2), (Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Три Л. 2000.). Существенным недостатком таких источников питания является крайне низкое значение к.п.д. и ограниченный срок службы вакуумных приборов.

В последнее время появились технические решения, в которых используются транзисторные преобразователи частоты, питающиеся непосредственно от сетевого выпрямителя и нагруженные на высокочастотный высоковольтный силовой трансформатор (Ланцов В., Владимиров Е. Мощные высоковольтные источники питания. Часть 1 // Силовая электроника. 2010, 5. Стр.68, рис.3). Напряжение вторичной обмотки трансформатора выпрямляется и фильтруется, а затем подается на нагрузку. Недостатком этого решения следует считать сравнительно низкую надежность мостовых транзисторных преобразователей, сложность гальванической развязки систем управления преобразователей, а также высокую стоимость и сложность изготовления высокочастотного высоковольтного трансформатора и высокочастотного высоковольтного выпрямителя.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является источник питания мощного пролетного клистрона, содержащий n соединенных последовательно трансформаторно-выпрямительных модулей с емкостными фильтрами и имеющих общее сетевое питание и трехфазный сетевой регулятор (R.L.Cassel and M.N.Nguyen. A Unique Power Supply for the PEP II Klystron at SLAC. Presented at the IEEE Partiele Accelerator Conference: Accelerator Science, Technology and Applications, Vancouver, B.C., Canada, 5/12/97-5/16/97).

Недостатком данной схемы также является низкое быстродействие, низкий коэффициент мощности, наличие существенных электромагнитных помех и большие массогабаритные показатели.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в нерегулируемом высоковольтном источнике питания, содержащем n трансформаторно-выпрямительных блоков, выходы которых соединены последовательно, введен дополнительный трансформаторно-выпрямительный блок, находящийся на потенциале земли. На выходе дополнительного трансформаторно-выпрямительного блока включен понижающий широтно-импульсный регулятор (ШИР), емкостный выход которого подключен последовательно с выходами остальных n трансформаторно-выпрямительных блоков.

На Фиг.1 представлена схема заявляемого высоковольтного источника питания. Источник содержит n трансформаторно-выпрямительных блоков с емкостными фильтрами 1, дополнительный трансформаторно-выпрямительный блок 2, ШИР 3 и выходной индуктивно-емкостный фильтр 4. Питание источника осуществляется от трехфазной сети, причем все первичные обмотки трансформаторов включены параллельно.

Устройство работает следующим образом.

При нестабильности питающей сети U_сети=(1±)U_{номсети}, где =±0.05 или =±0.1, источник должен обеспечивать номинальное высокое напряжение U_ном во всем диапазоне сетевой нестабильности. При напряжении сети (1-)U_{номсети} n трансформаторно-выпрямительных блоков 1 с суммарным напряжением и дополнительного блока 2 с напряжением U_доп , соединенных последовательно, должны обеспечить выходное напряжение . Напряжение U_к каждого из n блоков определяется исходя из конструктивных и изоляционных особенностей силовых трехфазных высоковольтных трансформаторов и выпрямителей. Напряжение дополнительного блока 2 равно U_доп=2U_ном при использовании понижающей схемы ШИР.

В качестве ключевых элементов ШИР могут использоваться высоковольтные транзисторы, тиристорные или тиратронные полностью управляемые ключи, вакуумные лампы и.т.п.

Список использованной литературы.

1. Ланцов В., Владимиров Е. Мощные высоковольтные источники питания. Часть 1 // Силовая электроника. 2010, 5.

2. Березин О.К., Костиков В.Г., Шахнов В.А. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. М.: Три Л. 2000.

3. R.L.Cassel and M.N.Nguyen. A Unique Power Supply for the PEP II Klystron at SLAC. Presented at the IEEE Partiele Accelerator Conference: Accelerator Science, Technology and Applications, Vancouver, B.C., Canada, 5/12/97-5/16/97.

Высоковольтный источник питания, содержащий n нерегулируемых трансформаторно-выпрямительных блоков (1), первичные обмотки трансформаторов которых подключены к питающей сети параллельно, а выходы блоков (1) соединены последовательно, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента мощности, снижения электромагнитных помех и повышения надежности источника, к выходу дополнительного нерегулируемого трансформаторно-выпрямительного блока (2), находящегося на потенциале земли, подключен понижающий широтно-импульсный регулятор (3), состоящий из полностью управляемого ключа (К1), входной зажим которого (7) подключен к зажиму (6) фильтровой емкости (С1) трансформаторно-выпрямительного блока (2), выходной зажим ключа подключен к аноду диода (VD1), катод которого подключен к общей шине, а к точке соединения ключа и анода диода (VD1) подключен один зажим индуктивности (L1), второй зажим которой подключен к зажиму (8) выходной фильтровой емкости (С1) широтно-импульсного регулятора (3), которая включена последовательно с выходами остальных трансформаторно-выпрямительных блоков (1), нагруженных на общий индуктивно-емкостный фильтр (4).