Джерело електроживлення електронно-променевої установки

1 Источник электропитания электроннолучевой установки, содержащий трехфазный трансформатор, высоковольтный выпрямитель, электронно-лучевую пушку, токоограничивающий дроссель, дополнительный выпрямитель, выполненный на тиристорах, разрядный диод, делитель выходного напряжения, комбинационную схему, триггер, ждущий мультивибратор и три релейных элемента, причем выводы первичных обмоток трансформатора подключены ко входам дополнительного выпрямителя, выход которого подключен к дросселю и разрядному диоду, вторичные обмотки трансформатора через высоковольтный выпрямитель подключены к электроннолучевой пушке, управляющие электроды тиристоров подключены к выходам комбинационной схемы, первые входы которой через релейные элементы соединены с выводами фазных напряжений, а выход делителя выходного напряжения соединен с первым входом триггера, выход которого подключен ко второму входу комбинационной схемы и входу ждущего мультивибратора, выход которого подключен ко второму входу триггера, отличающийся тем, что в него дополнительно введены датчик тока дросселя, запоминающий элемент, схема сравнения и резистор, причем выход схемы сравнения соединен с третьим входом комбинационной схемы, вход записи запоминающего элемента соединен с выходом триггера, информационный вход запоминающего элемента соединен с выходом датчика тока, а резистор включен последовательно с разрядным диодом Изобретение относится к области энергоемкого технологического оборудования, а именно, к высоковольтным мощным источникам электропитания электронно-лучевых установок, используемых для сварки, плавки, нанесения покрытий и др технологических процессов Известны источники электропитания электронно-лучевых установок Авт свид СССР № 778011 А1, МКИ В 23 К 15/00, БИ № 22, 1980 Авт свид СССР № 1433693 А1, МКИ В 23 К 15/00, БИ № 40, 1988 Авт свид СССР № 778012 А1, МКИ В 23 К 15/00, БИ № 22, 1980 Авт свид СССР № 1609583 А1, МКИ В 23 К 15/00, БИ №44, 1990 Все указанные аналоги содержат трехфазный сетевой трансформатор с высоковольтными обмотками, высоковольтный выпрямитель и дополнительные узлы, предназначенные для ограничения тока при электрических пробоях, возникающих в цепи электронно-лучевой пушки В некоторых указанных аналогах для ограничения тока используются электронные регуляторы, что при большой мощности установок (300-500 кВА) приводит к значительным экономическим затратам и существенно снижает их коэффициент полезного действия В этой связи более эффективны устройства, в которых ограничение тока при пробоях достигается за счет введения дросселя в цепь ВШ 2 Источник по п 1, отличающийся тем, что в него введен селектор амлитуды и длительности импульсов, включенный между выходом высоковольтного делителя и входом триггера о 5 41942 постоянного тока после высоковольтного выпрямителя Опыт эксплуатации мощных электронно-лучевых установок, особенно при использовании пушек с холодным катодом, показывает, что в процессе работы возникают кратковременные электрические пробои, характеризующиеся резким снижением сопротивления промежутка катод-анод с восстановлением нормального сопротивления промежутка через непродолжительный промежуток времени Такие пробои могут следовать с частотой, в несколько раз превышающей частоту питающей сети (самовосстанавливающиеся пробои) Кроме того в катодной цепи возникают длительные пробои (электрический пробой переходит в дуговой), и даже при наличии дросселя развиваются значительные токи, вызывающие недопустимые перегрузки силового трансформатора и срабатывания аварийной автоматики электрической сети При увеличении индуктивности дросселя в анодной цепи повышается устойчивость дуговых разрядов, что способствует увеличению частоты длительных пробоев Указанные недостатки затрудняют эффективную эксплуатацию электроннолучевых установок Известен источник питания электронно-лучевой установки Авт свид СССР № 465844, МКИ В 23 К 15/00, БИ № 46, 1979, близкий по совокупности существенных признаков и принципу действия к предлагаемому техническому решению В данном устройстве введен дополнительный трехфазный выпрямитель, выход которого подключен ктокоограничивающему дросселю, а входы включены в разрыв первичных обмоток силового трансформатора Важным достоинством такого решения является использование дросселя в низковольтной цепи, что значительно снижает требования к изоляции и, соответственно, его стоимость При кратковременных электрических пробоях происходит резкое снижение напряжения катод-анод электронной пушки и, следовательно, напряжения на обмотках трансформатора Входное напряжение через дополнительный выпрямитель прикладывается к дросселю и вызывает повышение его тока При восстановлении сопротивления промежутка катод-анод увеличивается напряжение на пушке, а избыточный ток дросселя замыкается через последовательно соединенные диоды дополнительного выпрямителя, что исключает перенапряжения на пушке при восстановлении сопротивления промежутка Отметим, что для обеспечения такого режима работы в устройстве Авт свид СССР № 1433693 А1, МКИ В 23 К 15/00, БИ № 40, 1988, параллельно дросселю введен дополнительный высоковольтный диод Однако, существенным недостатком рассмотренного устройства является невозможность ограничения тока при длительных пробоях (дуговой разряд) и связанные с этим перегрузки по току трансформатора, дросселя, дополнительного выпрямителя и другого сетевого электрооборудования, приводящие к снижению надежности и нарушениям технологического процесса за счет срабатывания цепей противоаварийной автоматики Такая же ситуация возникает и при кратковре менных, но часто следующих пробоях Ток дросселя определяется выражением где 10 - начальное значение тока, U_ - напряжение | на дросселе При пробое резко снижается напряжение на обмотках трансформатора и входное напряжение через выпрямитель прикладывается к дросселю, а при восстановлении сопротивления промежутка катод-анод ток дросселя замыкается через вентили дополнительного выпрямителя и напряжение на дросселе, определяемое прямым падением напряжения на вентилях, близко к нулю Ток дросселя на интервалах между пробоями практически не снижается, и при последующих пробоях происходит увеличение тока дросселя Таким образом происходит накопление энергии дросселем и при частом следовании пробоев происходит нарастание амплитуды входного тока, вплоть до срабатывания устройств противоаварийной автоматики Кроме того, случайный характер следования пробоев вызывает искажение напряжений на обмотках трансформатора, что может стать причиной нарушения симметрии перемагничивания магнитопровода, вплоть до его насыщения Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и конструктивным признакам является источник электропитания электронно-лучевых установок типа ИЭ 134, описанный в работах - Электронно-лучевая сварка / Назаренко О К , Кайдалов С Н , Ковбасенко А А и др Под ред БЕ Патона, - Киев Наукова думка, 1987, стр 164179 - Системы управления лучевых технологических установок / В М Спивак, ТА Терещенко, В Д Шеляган, Г М Младенов - Киев Техника, 1988, стр 206-211, рис 5 3, рис 5 4 и использованный в качестве прототипа Данное устройство является развитием технического решения, предложенного в Авт свид СССР № 465844 Схема источника электропитания электронно-лучевых установок, принятого в качестве прототипа, показана на фиг 1 В него входят трехфазный силовой трансформатор (1), высоковольтный выпрямитель (2), электронно-лучевая пушка (3), дополнительный выпрямитель (4), выполненный на управляемых вентилях (тиристорах), и дроссель (5) В устройство дополнительно введены разрядный диод (6), комбинационная схема управления тиристорами (7), высоковольтный делитель напряжения (8), триггер (9), ждущий мультивибратор (10) и три релейных элемента (11) Устройство работает следующим образом При нормальной работе комбинационная схема (7) вырабатывает отпирающие сигналы управления для всех тиристоров дополнительного выпрямителя (4), что эквивалентно работе выпрямителя (4) в неуправляемом режиме В этом случае ток дросселя (5) достигает максимума фазного тока, а избыточный ток дросселя замыкается выпрямителем (4), т е на работу высоковольтного выпря 41942 мителя (2) дополнительный выпрямитель (4) влияния не оказывает При пробое промежутка катоданод происходит резкое снижение напряжения на выходе высоковольтного делителя (8), что приводит к срабатыванию триггера (9) и смене входного сигнала комбинационной схемы (7) В этом случае на выходе комбинационной схемы (7) формируются запирающие сигналы на всех тиристорах дополнительного выпрямителя (4) На интервале времени менее 1/3 периода запираются все тиристоры и ток дросселя (5) замыкается через диод (6) Таким образом ток пушки снижается до нуля, что приводит к разрушению дугового разряда При срабатывании ждущего мультивибратора (10), формирующего длительность паузы, необходимой для восстановления нормального сопротивления промежутка катод-анод, триггер (9) возвращается в исходное состояние, тиристоры отпираются и восстанавливается нормальный режим работы Таким образом осуществляется ограничение фазных токов и исключаются перегрузки как при кратковременных, так и при длительных пробоях промежутка катод-анод электронной пушки (3) Кроме того, наличие ждущего мультивибратора (10) позволяет управлять длительностью паузы и, выбирая время паузы кратным периоду сетевого напряжения, удается снизить несимметрию напряжений на обмотках трансформатора и устранить возможность насыщения магнитопровода Однако, при частом следовании пробоев в данном устройстве, как и в предыдущем, возникает накопление тока дросселем со всеми вытекающими негативными последствиями Кроме того, низкое напряжение на дросселе при его разряде вызывает необходимость формирования длительной паузы, иногда достигающей нескольких секунд Наличие паузы в энергопотреблении приводит к снижению выходной мощности при неизменной установленной мощности источника, т е чем чаще следуют пробои и чем больше длительность паузы, тем ниже производительность установки Задачей изобретения являются повышение эксплуатационной надежности устройства за счет исключения перегрузок по току при часто следующих пробоях промежутка катод-анод и повышение производительности установки за счет сокращения длительности паузы в энергопотреблении и за счет сокращения числа срабатываний цепей токоограничения Поставленная задача решается тем, что в устройство дополнительно введены датчик тока дросселя, запоминающий элемент, схема сравнения и резистор, причем выход схемы сравнения соединен со входом комбинационной схемы, вход записи запоминающего элемента соединен с выходом триггера, информационный вход запоминающего элемента соединен с выходом датчика тока, а резистор включен последовательно с разрядным диодом, а также тем, что введен селектор амплитуды и длительности импульсов, включенный между выходом высоковольтного делителя и входом триггера На фиг 1 изображена электрическая схема источника, принятого в качестве прототипа, на фиг 2 изображена электрическая схема источника по п 1, на фиг 3 изображена электрическая схема источника по п 1,2, на фиг 4 изображена электрическая схема цепи токоограничения, а на фиг 5 приведены эпюры сигналов, поясняющие ее работу На фиг 6 показаны эпюры сигналов, поясняющие работу источника по п 1 На фиг 7 приведен пример конкретного выполнения селектора амплитуды и длительности импульсов, а на фиг 8 - эпюры сигналов, поясняющие его работу Предлагаемое по п 1 устройство (фиг 2) состоит из трехфазного силового трансформатора (1), высоковольтного выпрямителя (2), электронно-лучевой пушки (3), дополнительного трехфазного выпрямителя (4), токоограничивающего дросселя (5), разрядного диода (6), комбинационной схемы (7), высоковольтного делителя напряжения (8), триггера (9) и ждущего мультивибратора (10), трех релейных элементов (11), дополнительного резистора (12), датчика тока дросселя (13), аналогового запоминающего элемента (14) и схемы сравнения (15) Рассмотрим принцип действия предлагаемого устройства, воспользовавшись эквивалентной схемой цепи токоограничения (фиг 4) и диаграммами, приведенными на фиг 5 При использовании многофазного высоковольтного выпрямителя фазные токи на рабочем участке близки к синусоидальным, следовательно, цепь силового трансформатора, высоковольтного выпрямителя и электронной пушки может быть сведена к трем эквивалентным сопротивлениям (г), включенным между питающей сетью и дополнительным выпрямителем Первая особенность предлагаемого устройства состоит в том, что на рабочем участке формируются сигналы отпирания вентилей в зависимости от полярности фазных напряжений (Ua.Ub.Uc) Номера вентилей, на которые поступают отпирающие сигналы, приведены на диаграмме фазных напряжений (фиг 5), Так как форма фазных токов близка к форме фазных напряжений, из приведенных диаграмм следует, что, например, на первом и втором интервалах открыты вентили V1, V4 и V5, т е через дроссель протекает сумма токов la, Ic, равная току Ib Это соотношение определяет некоторое отличие формы токов от синусоидальной за счет падения напряжения на дросселе (линеаризация токов la, Ic и уплощение вершины тока Ib на первом и втором интервалах) При таком алгоритме управления и наличии сопротивления R в цепи разряда дросселя исключается возможность накопления тока дросселем, т к на интервале между кратковременными пробоями избыточный ток протекает через разрядный диод VD (фиг 4) и резистор R, что создает падение напряжения на дросселе и обуславливает спад его тока При возникновении пробоя фазные сопротивления г становятся близкими к нулю и в соответствии с алгоритмом работы комбинационной схемы снимаются отпирающие сигналы со всех вентилей дополнительного выпрямителя В зависимости от временного интервала, на котором произошел пробой, отключается один из трех вентилей и к дросселю прикладывается в прямой или обратной полярности одно из линейных напряжений Так, при возникновении пробоя на первом 41942 интервале к вентилю V1 через вентиль V5 прикладывается запирающее напряжение Uac и в проводящем состоянии остаются вентили V4 и V5, а к дросселю прикладывается напряжение -Ubc Аналогично, если пробой произошел на втором интервале (отмечен *), то за счет запирающего напряжения Uac, приложенного к вентилю V5, в проводящем состоянии остаются вентили V1 и V4, а к дросселю прикладывается напряжение Uab На интервале времени, от пробоя до равенства нулю напряжения на дросселе, происходит накопление тока дросселем от начального значения lo до амплитудного Im Из диаграммы (фиг 5) видно, что длительность интервала накопления тока (Ф1) дросселем в зависимости от момента возникновения пробоя может находиться в пределах ті/3І0 можно считать Ф1>Ф2 Преобразуем полученное выражение [ R sin ФІ-arctg — coL 1 1,2 R coL откуда ^^ Ф2 = агс5іп Um coL m arctg |2+МІ2 R coL coL или, воспользовавшись условием Ф1>Ф2, получим sin ФІ-arctg U coL coL А2МЇ2 R coL Преобразуем левую часть полученного неравенства с помощью правил тригонометрии R I ( R sin I Ф І - a r c t g — = sin Ф1 cos arctg — coL j { coL 1 Э1ПФ1 - c o s Ф 1 sin arctg coL coL coL СОЭФ1 coL или после подстановки получаем 1 1 — эшФ1 соэФ1 R coL СОЭФ1 coL откуда Так как т і / 3 < Ф 1 < 2 т і / 3 условие, при котором в момент запирания вентилей ток дросселя не дос 41942 тиг начального значения lo, найдем при минимальном значении sin Ф1, т е R In 1 + 2Lcol_ 4л Таким образом, необходимые для реализации предлагаемого алгоритма условия выполняются, если сопротивление резистора выбрано в пределах V3U 2л 2Lcol_ а где UM - амплитуда линейного напряжения, 10 значение тока дросселя перед возникновением пробоя, L - индуктивность дросселя, со - круговая частота питающей сети В этом случае выключение вентилей дополнительного выпрямителя происходит при токе дросселя превышающем начальное значение lo, a начальное значение тока 1о достигается за время паузы не превышающее одного периода питающего напряжения (20 мС) Например при со = 314 сек 1 , L = 2мГн, Um=536 В, lo = 1000 А сопротивление резистора выбирается из условия 0,12 Ом