Высоковольтный импульсный источник питания для рентгенолюминесцентного сепаратора
Полезная модель относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно, к источникам импульсного рентгеновского излучения, применяемых в сепараторах для разделения минерального, например, алмазосодержащего сырья на обогащаемый и хвостовой продукты, Такие сепараторы могут быть использованы на всех стадиях обогащения минералов. Технический результат - обеспечение надежного и достоверного контроля и регулирования параметров высоковольтного импульсного источника питания независимо от режима работы сепаратора за счет измерения амплитуд напряжения и тока синхронно с импульсами возбуждения. Высоковольтный импульсный источник питания для рентгенолюминесцентного сепаратора содержит рентгеновскую трубку, средства измерения напряжения и тока рентгеновской трубки, блок накала рентгеновской трубки, включающий преобразователь и трансформатор, и блок высоковольтный, включающий импульсный трансформатор с первичной и вторичной высоковольтной обмотками, устройство запуска и источник питания, при этом один вывод первичной обмотки импульсного трансформатора соединен с коллектором силового IGВТ-ключа, управляющий электрод которого подключен к выходу устройства запуска, а другой ее вывод соединен с положительным выводом источника питания, к которому подключена одним выводом накопительная емкость, второй вывод которой подключен к отрицательному выводу источника питания, высоковольтный вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом рентгеновской трубки. В отличие от известного, в предлагаемый источник введены соединенные шиной данных аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микропроцессорный контроллер (МК), причем первый и второй входы АЦП соответственно соединены с выходами средств измерения импульсного тока и импульсного напряжения рентгеновской трубки, первый вход МК предназначен для подачи управляющих импульсов возбуждения источника, первый выход МК соединен со входом устройства запуска силового ключа, второй выход МК соединен со входом управления напряжением источника питания, а третий выход МК соединен со входом управления преобразователя напряжения накала.
Предлагаемая полезная модель относится к области обогащения полезных ископаемых, а именно к источникам импульсного рентгеновского излучения, применяемым в сепараторах для разделения минерального сырья на обогащаемый и хвостовой продукты. Такие сепараторы могут быть использованы на всех стадиях обогащения минералов, например, алмазосодержащего сырья.
Известен источник импульсного рентгеновского излучения, содержащий рентгеновскую трубку, блок накала рентгеновской трубки, включающий преобразователь и трансформатор, и блок высоковольтный, включающий импульсный трансформатор с первичной и вторичной высоковольтной обмотками, устройство запуска и источник питания, причем один вывод первичной обмотки импульсного трансформатора соединен с коллектором силового IGBT-ключа, управляющий электрод которого подключен к выходу устройства запуска, вход которого служит входом источника, а другой ее вывод соединен с положительным выводом источника питания, к которому подключена одним выводом накопительная емкость, второй вывод которой подключен к отрицательному выводу источника питания, высоковольтный вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом рентгеновской трубки [RU, 49407 U1 H 05 G 1/06, В 03 В 13/06, 10.11.2005.].
Такой источник может генерировать импульсы различной длительности и с различной частотой следования, при этом как длительность импульсов, так и частота их следования являются постоянными величинами для заданного режима работы. Однако переход сепаратора в другой (тестовый) режим работы, требующий изменения частоты следования импульсов на несколько порядков может вызвать перегрузки по току и напряжению при переключении режимов.
Наиболее близким аналогом предлагаемому высоковольтному импульсному источнику питания для рентгенолюминесцентного сепаратора является источник, содержащий рентгеновскую трубку, средства измерения напряжения и тока
рентгеновской трубки, блок накала рентгеновской трубки, включающий преобразователь и трансформатор, и блок высоковольтный, включающий импульсный трансформатор с первичной и вторичной высоковольтной обмотками, устройство запуска и источник питания, при этом один вывод первичной обмотки импульсного трансформатора соединен с коллектором силового IGВТ-ключа, управляющий электрод которого подключен к выходу устройства запуска, вход которого служит входом источника, а другой ее вывод соединен с положительным выводом источника питания, к которому подключена одним выводом накопительная емкость, второй вывод которой подключен к отрицательному выводу источника питания, высоковольтный вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом рентгеновской трубки [Рентгенолюминесцентный сепаратор ЛС-Д-4-03Н. Технические условия ТУ 4276-052-00227703-2003.].
В этом источнике, также как и в аналоге, длительность импульсов и частота их следования являются постоянными величинами для заданного режима работы сепаратора. Предусмотрен также контроль параметров источника (импульсное напряжение и ток).
Однако при переходе сепаратора из рабочего режима в тестовый в источнике могут возникнуть перегрузки по току и напряжению. Поскольку используемая для контроля параметров схема измерения импульсного напряжения и тока источника основана на интегрировании амплитуды импульсов и настроена при этом на одну частоту их следования (250 Гц), то при изменении частоты следования импульсов возникает погрешность измерительной схемы. В тестовом режиме работы сепаратора частота следования импульсов 1 Гц, что делает измерение напряжения и тока практически невозможным.
Предлагаемая полезная модель решает задачу обеспечения надежного и достоверного контроля и регулирования параметров высоковольтного импульсного источника питания для рентгенолюминесцентного сепаратора независимо от режима работы сепаратора.
Поставленную задачу решает высоковольтный импульсный источник питания для рентгенолюминесцентного сепаратора, содержащий рентгеновскую трубку, средства измерения напряжения и тока рентгеновской трубки, блок накала рентгеновской трубки, включающий преобразователь и трансформатор, и блок высоковольтный, включающий импульсный трансформатор с первичной и вторичной высоковольтной обмотками, устройство запуска и источник питания, при этом один вывод первичной обмотки импульсного трансформатора соединен с
коллектором силового IGBT-ключа, управляющий электрод которого подключен к выходу устройства запуска, а другой ее вывод соединен с положительным выводом источника питания, к которому подключена одним выводом накопительная емкость, второй вывод которой подключен к отрицательному выводу источника питания, высоковольтный вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом рентгеновской трубки, в который введены соединенные шиной данных аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микропроцессорный контроллер (МК), причем первый и второй входы АЦП соответственно соединены с выходами средств измерения импульсного тока и импульсного напряжения рентгеновской трубки, первый вход МК предназначен для подачи управляющих импульсов возбуждения источника, первый выход МК соединен со входом устройства запуска силового ключа, второй выход МК соединен со входом управления напряжением источника питания, а третий выход МК соединен со входом управления преобразователя напряжения накала.
В отличие от известного, в предлагаемый высоковольтный импульсный источник питания введены соединенные шиной данных аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микропроцессорный контроллер (МК), причем первый и второй входы АЦП соответственно соединены с выходами средств измерения импульсного тока и импульсного напряжения рентгеновской трубки, первый вход МК предназначен для подачи управляющих импульсов возбуждения источника, первый выход МК соединен со входом устройства запуска силового ключа, второй выход МК соединен со входом управления напряжением источника питания, а третий выход МК соединен со входом управления преобразователя напряжения накала.
На фиг.1 представлен один из вариантов структурной схемы предлагаемого высоковольтного импульсного источника питания для рентгенолюминесцентного сепаратора.
На фиг.2 представлены временные диаграммы функционирования предлагаемого источника:
а - последовательность импульсов возбуждения;
б - последовательность импульсов напряжения;
в - последовательность импульсов тока рентгеновской трубки.
Представленный на фиг.1 источник содержит рентгеновскую трубку 1, средства 2 и 3 измерения, соответственно, напряжения и тока трубки 1, блок 4 накала трубки 1, высоковольтный блок 5, АЦП 6 и МК 7. Блок 4 содержит преобразователь 8 напряжения накала и трансформатор 9 накала. Высоковольтный блок 5
содержит импульсный трансформатор (ИТ) 10, устройство 11 запуска, источник питания 12, силовой IGBT-ключ 13 и накопительную емкость (С) 14. ИТ 10 имеет первичную обмотку W1 и вторичную высоковольтную обмотку W2, причем высоковольтный вывод вторичной обмотки W2 соединен с катодом рентгеновской трубки 1. Первичная обмотка W1 трансформатора ИТ 10 соединена одним выводом с коллектором силового IGВТ-ключа 13, а другим выводом - с положительным выводом источника 12 питания, к которому подключена одним выводом также накопительная емкость 14, второй вывод которой подключен к отрицательному выводу источника питания 12. Управляющий электрод IGВТ-ключа 13 соединен с выходом устройства 11 запуска. Вход устройства 11 запуска соединен с первым выходом МК 7, второй выход которого соединен со входом управления напряжением источника 12 питания, а третий выход - со входом управления преобразователя 8 напряжения накала, при этом первый вход МК 7 предназначен для подачи управляющих импульсов возбуждения, а второй вход МК 7 соединен с шиной данных с АЦП 6. Первый и второй входы АЦП 6 соединены, соответственно, со средствами 3 и 2, измерения импульсного тока и напряжения рентгеновской трубки 1.
Средство 2 измерения напряжения может быть выполнено, например, в виде делителя из цепочки высоковольтных резисторов, включенной между катодом рентгеновской трубки 1 и общим проводом источника, при этом вывод «нижнего» резистора цепочки служит выходом средства 2. Средство 3 измерения импульсного тока трубки 1 может быть выполнено, например, в виде низкоомного резистора Rи, включенного между анодом рентгеновской трубки 1 и низковольтным выводом вторичной обмотки W2 ИТ 10. Источник питания 12 и преобразователь 8 напряжения накала подключены к сети переменного тока 220 В.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом. Предполагается, что на входы преобразователя 8 напряжения накала и источника 12 питания подано 220 В, а на первый вход МК 7 поданы импульсы возбуждения (фиг.2а), при этом напряжения на выходах, соответственно, источника 12 питания (накопительном конденсаторе 14) и преобразователя 8, равны нулю.
При поступлении, например, через порт RS-232 (цепи для упрощения чертежа не показаны) на вход МК 7 сигнала начальной уставки тока и напряжения рентгеновской трубки 1, снимаемый с третьего выхода МК 7 сигнал (момент t 0, фиг.2) устанавливает на выходе преобразователя 8 напряжение (фиг.2в - пунктирная линия), которое через трансформатор 9 накала обеспечивает «дежурное» значение тока накала трубки 1. Затем МК 7 с выхода 2 подает импульсы возбуждения
на устройство запуска 11 и далее на вход силового IGBT-ключа 13. Изменяя сигнал на втором выходе, МК 7 постепенно повышает напряжение (фиг.2б - пунктирная линия) на выходе источника 12 питания, на конденсаторе 14 и, следовательно, на коллекторе силового IGВТ-ключа 13. При открытии ключа 13 на обмотке W1 ИТ 10 формируются отрицательные импульсы, которые повышаются по напряжению на высоковольтной вторичной обмотке W2 и поступают на катод трубки 1 (фиг.2б). Через рентгеновскую трубку 1 протекают импульсы тока (фиг.2в). Импульсы напряжения и тока через средства 2 и 3 измерения поступают на второй и первый входы АЦП 6, который измеряет (оцифровывает) амплитуды импульсов напряжения и тока и по шине 2 данных передает их на второй вход МК 7.
После того, как амплитуда импульсов напряжения достигнет заданного значения (например, 10 кВ - определяется вольтамперной характеристикой рентгеновской трубки 1), МК 7 сигналом управления с третьего выхода начинает постепенно повышать напряжение преобразователя 8, до установления заданного (из порта RS-232) рабочего значения тока рентгеновской трубки 1. Процесс установления амплитуды тока контролируется МК 7, как было описано выше, через средство 3 измерения тока и АЦП 6. Одновременно осуществляется контроль амплитуды импульса напряжения по цепи от средства 2 измерения напряжения на второй вход АЦП 6 и через цифровые выходы АЦП 6 на второй вход МК 7. При этом сигнал управления источником 12 питания на втором выходе МК 7 повышается до тех пор, пока напряжение на его выходе и, одновременно, напряжение на накопительном конденсаторе 14 не достигнет значения, при котором амплитуда импульсов напряжения на рентгеновской трубке 1 соответствует заданной извне уставке. Таким образом, как измерение, так и регулировка напряжения и тока рентгеновской трубки 1 осуществляется АЦП 6 и МК 7 непосредственно в амплитудных значениях (измерительное табло и его цепи для упрощения чертежа не показаны) и синхронизируется с импульсами возбуждения (см. фиг.2а - моменты t 1...tn). Это обеспечивает как независимость измерения и регулирования напряжения и тока трубки 1 от частоты следования импульсов, так и плавность их изменения при переходе с одного режима работы сепаратора на другой.
МК 7 и многоканальный АЦП 6 могут быть выполнены, например, на микропроцессоре PIC16F877 (www.microchip.com) со встроенным АЦП, силовой IGBT-ключ 13 на основе модуля SKM300GAL128D (www.semikron.com), источник питания 12 - в виде блока GEN 300-5 (www.lambda.com), преобразователь 8 - в виде
AC-DC-конвертера LMN 1801-GR (www.electronicstalk.com), устройство запуска 11 - в виде драйвера IR21531D (www.irf.com).
Таким образом, предлагаемая полезная модель обеспечивает надежные и достоверные контроль и регулирование параметров высоковольтного импульсного источника питания для рентгенолюминесцентного сепаратора независимо от режима работы сепаратора за счет непосредственного измерения амплитуд импульсов напряжения и тока в широком диапазоне частот следования импульсов, начиная от 1 Гц. Кроме того, предложенное решение обеспечивает не только автоматическое управление напряжением и током рентгеновской трубки в зависимости от задаваемых параметров работы сепаратора в соответствии с выбранным режимом, но и плавное изменение напряжения и тока трубки, что исключает перегрузки при переключении режимов работы.
Высоковольтный импульсный источник питания для рентгенолюминесцентного сепаратора, содержащий рентгеновскую трубку, средства измерения напряжения и тока рентгеновской трубки, блок накала рентгеновской трубки, включающий преобразователь и трансформатор, и блок высоковольтный, включающий импульсный трансформатор с первичной и вторичной высоковольтной обмотками, устройство запуска и источник питания, при этом один вывод первичной обмотки импульсного трансформатора соединен с коллектором силового IGBT-ключа, управляющий электрод которого подключен к выходу устройства запуска, а другой ее вывод соединен с положительным выводом источника питания, к которому подключена одним выводом накопительная емкость, второй вывод которой подключен к отрицательному выводу источника питания, высоковольтный вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединен с катодом рентгеновской трубки, отличающийся тем, что в него введены соединенные шиной данных аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и микропроцессорный контроллер (МК), причем первый и второй входы АЦП соответственно соединены с выходами средств измерения импульсного тока и импульсного напряжения рентгеновской трубки, первый вход МК предназначен для подачи управляющих импульсов возбуждения источника, первый выход МК соединен со входом устройства запуска силового ключа, второй выход МК соединен со входом управления напряжением источника питания, а третий выход МК соединен со входом управления преобразователя напряжения накала.
