Стабилизированный импульсный источник питания

 

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к высоковольтным импульсным источникам питания с индуктивным накопителем энергии. Стабилизированный импульсный источник питания содержит две секции индуктивного накопителя, источник запитки накопителя, шесть силовых управляющих ключей, узел управления, конденсатор, индуктивность, диод, силовой конденсатор, измерительный конденсатор, два трансформатора тока. 1 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к высоковольтным импульсным источникам питания, работающим от индуктивного накопителя энергии.

Известен стабилизированный импульсный источник питания, содержащий индуктивный накопитель, подключаемый к нагрузке через управляемый силовой коммутатор в виде однополупериодного выпрямителя с П-образным фильтром, один из конденсаторов которого соединен с блоком управления силовым коммутатором, а другой связан с трансформатором, первичная обмотка которого включена в цепь тиристора, шунтирующего индуктивный накопитель [1].

Недостатком этого источника является недоиспользование энергии индуктивного накопителя, так как при уменьшении тока разряда накопителя до величины тока нагрузки дальнейшая стабилизация амплитуды импульса не обеспечивается, источник обладает завышенными массогабаритными показателями из-за больших расчетных мощностей элементов П-образного фильтра. Кроме того, этот источник не позволяет получить серию импульсов, что необходимо для многих потребителей.

В качестве прототипа выбран стабилизированный импульсный источник питания, содержащий индуктивный накопитель с двухсекционной обмоткой с отводами, источник запитки накопителя, подключенный на полное число витков секционированной обмотки накопителя, силовой управляющий ключ, связывающий накопитель с нагрузкой, пару силовых ключей на каждую секцию обмотки накопителя, узел управления силовыми ключами, имеющий два входа, блок коммутации, содержащий конденсатор, шунтированный последовательной цепочкой из индуктивности и диода, подключенный к одному из выводов обмотки накопителя и нагрузки и через силовой управляющий ключ к общей точке соседних секций обмотки накопителя [2].

При этом один из силовых ключей каждой пары включен между отводом секции и общей шиной источника, а другой - между отводом секции и силовым управляющим ключом в цепи нагрузки. Наличие наряду с ключом в цепи нагрузки общего узла коммутации ключей регулировочных секций обмотки накопителя, имеющих расчетные мощности, соизмеримые с номинальной мощностью нагрузки, приводит к увеличению массогабаритных показателей устройства. Для обеспечения высокой точности стабилизации амплитуды импульсов напряжения необходимо иметь большое количество регулировочных ответвлений в обмотке накопителя и большое число коммутирующих элементов в преобразовательной схеме, а также необходимо секционирование обмоток для обеспечения максимальной индуктивной связи между отдельными переключаемыми частями обмотки и ее основной частью, что усложняет устройство, делает его очень дорогим и громоздким при точности выше 5 - 10%.

Так при точности стабилизации U=5% необходимо иметь в пределах пятидесятипроцентной регулировочной зоны U=50% десять регулировочных ответвлений и двадцать высоковольтных полупроводниковых коммутаторов, при точности стабилизации 2% необходимо соответственно 25 регулировочных ответвлений и 50 высоковольтных сильно точных полупроводниковых коммутаторов.

Цель изобретения - повышение точности стабилизации амплитуды импульсов напряжения на нагрузке, снижение массогабаритных показателей устройства.

Сущность изобретения состоит в том, что в стабилизированный импульсный источник питания, содержащий индуктивный накопитель с двухсекционной обмоткой с отводами, источник запитки накопителя, подключенный на полное число витков двухсекционной обмотки накопителя, первый силовой управляющий ключ, выход которого соединен с первым выводом нагрузки, по два силовых ключа на каждую секцию обмотки накопителя, соответственно второй, третий и четвертый, пятый, узел управления силовыми ключами с двумя входами, блок коммутации, содержащий конденсатор, шунтированный последовательной цепочкой из индуктивности и диода, подключенный к одному из выводов обмотки накопителя и второму выводу нагрузки и через шестой силовой управляющий ключ к входу первого силового ключа, дополнительно введены силовой и измерительный конденсаторы и два трансформатора тока, при этом вторая секция обмотки накопителя четвертым силовым ключом зашунтирована, а пятым силовым ключом подсоединена к первому выводу силового конденсатора, включенного в диагональ переменного тока моста, образованного двумя парами силовых ключей, к диагонали выпрямленного тока моста подключена вся обмотка накопителя, второй вывод силового конденсатора соединен с входом первого силового ключа и общей точкой двух секций обмотки накопителя, первичная обмотка одного из трансформаторов тока включена в цепь второго силового ключа, шунтирующего первую секцию обмотки накопителя, выходная обмотка этого трансформатора тока соединена с клеммами первого входа узла управления силовыми ключами, второй трансформатор тока первичной обмоткой через силовой конденсатор включен в диагональ переменного тока моста, выходная обмотка второго трансформатора тока подключена к измерительному конденсатору и к клеммам второго входа узла управления силовыми ключами.

Такое выполнение устройства позволяет после передачи в нагрузку очередного импульса энергии от индуктивного накопителя восстанавливать с высокой степенью точности номинальное значение тока в первой секции обмотки накопителя за счет соответствующего перераспределения тока из второй секции. Перераспределение тока между первой и второй секциями обмотки накопителя и соответствующее внутреннее перераспределение энергии внутри накопителя осуществляется путем непосредственного порционного "переноса" посредством вновь введенного силового конденсатора, а также и за счет внутренней индуктивной связи между первой и второй секциями индуктивного накопителя. Передача энергии через вновь введенный конденсатор, органически объединенная с внутренним перераспределением тока между первой и второй секциями под воздействием напряжения на этом конденсаторе, исключает необходимость специального секционированного выполнения индуктивного накопителя для создания наилучшей индуктивной связи между первой и второй секциями. Оптимальное значение между полной индуктивностью накопителя и взаимной индуктивностью первой и второй секций практически очень близко соответствует "простому" естественному выполнению накопителя, когда обе секции образуются путем вывода регулировочного ответвления от части витков без нарушения простейшей последовательной структуры намотки индуктивного накопителя. Это принципиально упрощает констpукцию накопителя по сравнению с прототипом.

Дробление порций энергии, передаваемых силовым конденсатором из контура второй секции обмотки накопителя в контур первой секции, вместе с относительным увеличением емкости этого конденсатора позволяет настолько снизить максимальное значение напряжения на этом конденсаторе, что коэффициент превышения напряжения на всей обмотке накопителя по отношению к номинальному значению напряжения на нагрузке, получается практически незначительно отличающимся от единицы. Это позволяет значительно снизить класс изоляции обмотки накопителя, уменьшить вес, объем и стоимость обмотки и наряду с многократным уменьшением числа полупроводниковых коммутаторов по сравнению с прототипом значительно уменьшить также расчетное значение напряжения на коммутаторах, подсоединенных к секции второй обмотки накопителя и дополнительному силовому конденсатору.

Снижение массогабаритных показателей импульсного источника в целом достигается при одновременном повышении точности стабилизации амплитуды импульсов напряжения на нагрузке.

На чертеже показан предлагаемый источник.

Предлагаемый источник содержит индуктивный накопитель, состоящий из секций 1 и 2, источник запитки накопителя 3, первый силовой управляющий ключ 4, выход которого соединен с первым выводом нагрузки 5, второй силовой ключ 6 и третий силовой ключ 7 на секцию 1, четвертый силовой ключ 8 и пятый силовой ключ 9 на секцию 2, узел 10 управления силовыми ключами 6, 7 и 8, 9, блок коммутации, содержащий конденсатор 11, шунтированный последовательной цепочкой из индуктивности 12 и диода 13, подключенный через шестой силовой управляющий ключ 14 к общей точке 15 секций 1 и 2 и выводу 16 секции 1, силовой конденсатор 17, измерительный конденсатор 18, трансформаторы 19 и 20 тока, при этом секция 2 четвертым силовым ключом 8 зашунтирована, а пятым силовым ключом 9 через трансформатор 19 тока и силовой конденсатор 17 подключена к общей точке 15 секций 1 и 2. Вывод 21 секции 2 подключен к анодам четвертого силового ключа 8 и пятого силового ключа 9, а вывод 16 секции 1 - к катоду третьего силового ключа 7 и второму выводу нагрузки 5, а через трансформатор 20 тока к катоду второго силового ключа 6. Тем самым вся обмотка накопителя между выводами 16 и 21 включена в диагональ выпрямленного тока моста.

Предлагаемый источник работает следующим образом.

Энергия из секции 1 накопителя в высоковольтную нагрузку 5 выводится при коммутации второго силового ключа 6 первым силовым управляющим ключом 4, включенным последовательно с конденсатором 11, заряжаемым током накопителя до номинального напряжения на нагрузке 5, после чего происходит включение первого силового ключа 4 и на нагрузке 5 достаточно быстро развивается номинальное напряжение. К началу формирования импульса напряжения на нагрузке 5 при законченном процессе восстановления тока в секции 1 до номинального значения включены четвертый и второй силовые ключи 8 и 6, а конденсатор 17 имеет относительно небольшое напряжение "плюс слева". Одновременно с импульсом управления шестым силовым ключом 14, обеспечивающим выдержку времени между импульсами напряжения на нагрузке 5, формируется управляющий импульс для пятого силового ключа 9. При открытии пятого силового ключа 9 происходит выключение четвертого силового ключа 8 и конденсатор 17 во время передачи энергии нагрузке 5 заряжается до относительно небольшого напряжения на секции 2 накопителя. При уменьшении индуктивной связи между секциями 1 и 2 накопителя и увеличении емкости конденсатора 17 возможно уменьшение уровня напряжения на конденсаторе 17 и уменьшение энергии, отводимой в конденсатор в интервале вывода энергии в нагрузку 5.

Задний фронт импульса на нагрузке создается включением силового ключа 6, обеспечивающим выключение шестого и первого силовых ключей 14 и 4, а затем в зависимости от напряжения на конденсаторе 17 происходит включение четвертого и третьего силовых ключей 8 и 7, обеспечивающее выключение пятого и второго силовых ключей 9 и 6, и начинается межимпульсное восстановление тока в секции 1 накопителя.

Реализация этого принципа работы осуществляется путем косвенного измерения напряжения конденсатора 17 через трансформатор 19 тока, первичная обмотка которого включена последовательно с конденсатором 17, а вторичная обмотка замкнута на конденсаторе 18, напряжение на котором на удобном для связи с узлом 10 управления уровне повторяет напряжение конденсатора 17.

При заряде конденсаторе 17 до максимально допустимого значения током секции 2 через пятый силовой ключ 9 соответствующее напряжение на конденсаторе 18 включает транзистор 22 через стабилитрон 23, и через трансформатор 24 на четвертый и третий силовые ключи 8 и 7 подаются управляющие импульсы.

После перезаряда конденсатора 17 током секции 1 накопителя через третий силовой ключ 7 при относительно небольшом напряжении "плюс слева" соответствующим напряжением конденсатора 18 включается транзистор 25 через стабилитрон 26 и через трансформатор 27 подается управляющий импульс на второй силовой ключ 6. Напряжение на конденсаторе 17 "плюс слева", необходимое для коммутации третьего силового ключа 7 при включении второго силового ключа 6, практически не влияет на энергетику перевода тока из секции 2 в секцию 1, так как оно значительно меньше максимального значения напряжения "плюс справа", при котором включаются четвертый и третий силовые ключи 8 и 7.

Последующее включение пятого силового ключа 9 по принципу работы схемы происходит только в том случае, если ток накопителя после его перевода в контур второго силового ключа 6 меньше номинального значения. В данной схеме управления предусмотрено открытие транзистора 28 при полярности на конденсаторе 18 "плюс слева" током, проходящим через резистор 29, с некоторой задержкой по отношению к открытию второго силового ключа 6, обеспечиваемой конденсатором 30, ранее заряженным в запирающей для транзистора 28 полярности.

Если ток второго силового ключа 6 достигает номинального значения, то через трансформатор 20 тока, первичная обмотка которого включена последовательно с этим силовым ключом, а вторичная обмотка замкнута на резистор 31, закрывается транзистор 28 через стабилитрон 32, определяющий вместе с резистором 31 уровень соответствующей уставки.

Если ток второго силового ключа 6 меньше номинального значения, то после перезаряда конденсатора 30 током резистора 29 открывается транзистор 28 и на пятый силовой ключ 9 через трансформатор 33 подается открывающий импульс. При открытии пятого силового ключа 9 четвертый силовой ключ 8 закрывается благодаря полярности конденсатора 17 "плюс слева". По окончании восстановления тока в секции 1 накопителя до номинального значения в течение соответствующего времени до начала номинальной передачи энергии в нагрузку 5 остаются включенными четвертый и второй силовые ключи 8 и 6, коммутируемые затем при включении пятого и шестого силовых ключей 9 и 14.

Формула изобретения

СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, содержащий индуктивный накопитель с двухсекционной обмоткой, источник запитки накопителя, подключенный на полное число витков двухсекционной обмотки накопителя, первый силовой управляющий ключ, выход которого соединен с первым выводом нагрузки, по два силовых ключа на каждую секцию обмотки накопителя, соответственно второй, третий и четвертый, пятый узел управления силовыми ключами с двумя входами, блок коммутации, содержащий конденсатор, шунтированный последовательной цепочкой из индуктивности и диода, подключенный к одному из выводов обмотки накопителя и второму выводу нагрузки и через шестой силовой управляющий ключ к входу первого силового ключа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности стабилизации амплитуды импульсов напряжения на нагрузке, снижения массогабаритных показателей устройства, дополнительно введены силовой и измерительный конденсаторы и два трансформатора тока, при этом вторая секция обмотки накопителя четвертым силовым ключом зашунтирована, а пятым силовым ключом подсоединена к первому выводу конденсатора, заключенному в диагональ переменного тока моста, образованного двумя парами силовых ключей, к диагонали выпрямленного тока моста подключена вся обмотка накопителя, второй вывод силового конденсатора соединен выводом первого силового ключа, и общей точкой двух секций обмотки накопителя, первичная обмотка первого из трансформаторов тока заключена в цепь второго силового ключа, шунтирующего первую секцию обмотки накопителя, выходная обмотка этого трансформатора тока соединена с клеммами первого входа узла управления силовыми ключами, второй трансформатор тока первичной обмоткой через силовой конденсатор включен в диагональ переменного тока моста, выходная обмотка второго трансформатора тока подключена к измерительному конденсатору и к клеммам второго входа узла управления силовыми ключами.

РИСУНКИ

Рисунок 1