Високовольтне джерело живлення для електронно-променевого обладнання

1. Високовольтне джерело живлення для електронно-променевого обладнання, що містить трифазний високовольтний трансформатор з N вторинними обмотками, N трифазних випрямляючих вузлів з ємнісним фільтром, причому кожна із вторинних обмоток трансформатора підключена до входу одного з N трифазних випрямляючих вузлів, а по ви ходу всі випрямляючі вузли з'єднані послідовно, яке відрізняється тим, що в нього введено N регуляторів понижувального типу і додатково до кожного з них приєднані один транзистор, перший і другий діоди, причому позитивна й негативна вихідні клеми випрямляючого вузла підключені відповідно до позитивної і негативної вхідних клем регулятора, катод першого діода підключений до позитивної вхідної клеми регулятора, анод першого діода підключений до позитивної вихідної клеми регулятора, колектор першого транзистора й катод другого діода підключені до позитивної вихідної клеми регулятора, емітер першого транзистора й анод другого діода підключені до негативної вихідної клеми регулятора, вихідні клеми всіх N регуляторів з'єднані послідовно. 2. Високовольтне джерело живлення для електронно-променевого обладнання за п. 1, яке відрізняється тим, що в нього до кожного з N регуляторів приєднані один резистор і третій діод у розрив ланцюга між позитивною вихідною клемою регулятора й точкою з'єднання колектора першого транзистора і катода другого діода, причому перший вивід резистора і анод третього діода підключені 2 (19) 1 3 85316 Винахід належить до області електротехніки і може бути використаний для живлення електронно-променевого обладнання та в інши х областях промисловості, де потрібні потужні джерела живлення з високою напругою. Електронно-променева гармата стосовно джерела електроживлення є нестаціонарним навантаженням з характерними періодичними пробоями, деякі з яких здатні переходити в тривалий дуговий розряд. Використання стандартних джерел, що не враховують специфіку такого навантаження, викликає значне зниження ресурсу роботи електронно-променевої гармати. Відомі високовольтні джерела електроживлення для електротехнічного обладнання. Так, для електронно-променевої зварювальної установки використовується джерело живлення [А.С. СРСР №1433693, БВ №22, 1990г.], що містить високовольтний трансформатор, випрямляч із ємнісним фільтром і дросель, включений у ланцюг високої напруги між виходом джерела живлення та зварювальною гарматою, у якому з метою подавления повторних пробоїв при загасанні розряду в гарматі, паралельно дроселю включений високовольтний діод, анод якого з'єднаний із джерелом живлення, а катод - з високовольтним кабелем, що з'єднує джерело живлення з гарматою. Однак дане технічне рішення при малій індуктивності дроселя приводить до небажаної появи сплесків вихідного струму джерела, а при великій індуктивності - до тривалого розряду дроселя, закороченого діодом. Крім того, наявність індуктивності дроселя в ланцюзі живлення електронно-променевої гармати сприяє переходу електричних розрядів у тривалий дуговий розряд, що вимагає додаткових заходів для його руйнування. Відомий також пристрій для одержання високої напруги, виконаний у вигляді послідовно з'єднаних декількох джерел постійного струму, який містить джерело змінної напруги та живить декілька одно- або трифазних випрямлячів, виходи яких з'єднані між собою послідовно [Патент США №3363165, 1965]. Однак таке технічне рішення не можна використовувати для живлення електроннопроменевого обладнання, оскільки в даному пристрої відсутня можливість зменшення впливу пробоїв у навантаженні. Найбільш близьким технічним рішенням є джерело постійної напруги [А.С. СРСР №752684, БВ №28, 1980]. Даний пристрій (Фіг.1) містить високовольтний трансформатор 1, що має первинну обмотку W0 і N вторинних обмоток (W1,...,WN). До кожної з N вторинних обмоток трансформатора підключений вхід випрямляючого вузла з ємнісним фільтром 2, 3, 4,...,Ν, причому по виходу всі випрямляючі вузли з'єднані послідовно. Випрямляючий вузол являє собою діодний міст, у ви хідний ланцюг якого включений фільтруючий конденсатор. Високовольтне джерело постійної напруги працює в такий спосіб. Змінна напруга живильної мережі надходить на первинну обмотку трансформатора. Трансформатор перетворює рівень напруги на первинній обмотці в заданий рівень на 4 пруги на кожній із вторинних обмоток. Змінна напруга на кожній із вторинних обмоток надходить на вхід відповідного випрямляючого вузла. На виході кожного випрямляючого вузла формується постійна напруга U. З ура хуванням послідовного з'єднання всіх випрямляючих вузлів по виходу, на виході джерела живлення формується сумарне значення постійної напруги, що надходить на навантаження і дорівнює N·U. Однак дане технічне рішення не має засобів для зменшення впливу пробоїв у навантаженні, отже не забезпечує надійної роботи електронно-променевого обладнання. Задачею винаходу є виключення впливу пробоїв на величину струму електронного променя в електронно-променевому обладнанні за рахунок введення регуляторів понижувального типу і додаткових елементів з функцією шунтування ланцюга навантаження по виходу регуляторів, які дозволяють у момент виникнення пробою обмежити струм і потім, при необхідності, розривати на заданий час паузи ланцюг протікання струму в навантаження та обнуляти напругу на виході джерела. В результаті такого рішення величина струму електронного променя в електронно-променевому обладнанні не перевищує номінального робочого значення під час пробоїв у навантаженні. Більше того, н ульові значення вихідного струму джерела під час дугових розрядів (примусові паузи вихідного струму) сприяють їхньому руйнуванню. Це приводить до підвищення ефективності і надійності роботи джерела живлення. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що у високовольтне джерело живлення для електронно-променевого обладнання, що містить трифазний високовольтний трансформатор з N вторинними обмотками, N трифазних випрямляючих вузлів з ємнісним фільтром, причому кожна із вторинних обмоток трансформатора підключена до входу одного з N трифазних випрямляючих вузлів, а по виходу всі випрямляючі вузли з'єднані послідовно, введено N регуляторів понижувального типу й додатково до кожного з N регуляторів введені один транзистор, перший і другий діоди, причому позитивна і негативна вихідні клеми випрямляючого вузла підключені відповідно до позитивної і негативної вхідних клем регулятора, катод першого діода підключений до позитивної вхідної клеми регулятора, анод першого діода підключений до позитивної вихідної клеми регулятора, колектор першого транзистора й катод другого діода підключені до позитивної вихідної клеми регулятора, емітер першого транзистора і анод другого діода підключені до негативної вихідної клеми регулятора, ви хідні клеми всіх N регуляторів з'єднані послідовно. Для зменшення впливу паразитних параметрів кабелю підключення джерела до електроннопроменевого обладнання у високовольтне джерело живлення для електронно-променевого обладнання в кожний з N регуляторів введені один резистор і третій діод у розрив ланцюга між позитивною вихідною клемою регулятора й точкою з'єднання колектора першого транзистора і катода 5 85316 другого діода, причому перший вивід резистора й анод третього діода підключені до позитивної вихідної клеми регулятора, а другий вивід резистора й катод третього діода підключені до точки з'єднання колектора першого транзистора і катода другого діода. Крім того, для можливості використання елементної бази з більш низькою допустимою напругою у високовольтному джерелі живлення для електронно-променевого обладнання кожний з N регуляторів понижувального типу містить перший і другий транзистори, перший і другий діоди, двохобмотувальний дросель, перший і другий конденсатори, до кожного регулятора додатково введений один діод, причому, колектор першого транзистора й позитивний вивід першого конденсатора підключені до позитивної вхідної клеми регулятора і катоду третього діода, емітер другого транзистора й негативний вивід другого конденсатора підключені до негативної вхідної клеми регулятора і аноду четвертого діода, емітер першого транзистора підключений до катоду першого діода і першого виводу першої обмотки дроселя, колектор другого транзистора підключений до анода другого діода і другого виводу др угої обмотки дроселя, анод першого діода і катод другого діода підключені до негативного виводу першого конденсатора і позитивного виводу другого конденсатора, другий вивід першої обмотки дроселя підключений до позитивної вихідної клеми регулятора, до якої також підключені анод третього діода, колектор третього транзистора й катод п'ятого діода, перший вивід другої обмотки дроселя підключений до негативної вихідної клеми регулятора, до якої також підключені катод четвертого діода, емітер третього транзистору і анод п'ятого діода, вихідні клеми всіх N регуляторів з'єднані послідовно. Також для підвищення коефіцієнта потужності на вході джерела живлення та зниження пульсацій вихідної напруги у високовольтному джерелі живлення одна половина загального числа вторинних обмоток високовольтного трансформатора включена за схемою "зірка", друга половина загального числа вторинних обмоток включена за схемою "трикутник", причому, кількість витків в обмотках "зіркою" повинна бути в 3 раз менше кількості витків в обмотках "трикутником". Порівняльний аналіз із прототипом показує, що пропоноване технічне рішення відрізняється наявністю нових елементів і нових зв'язків між елементами високовольтного джерела живлення для електронно-променевого обладнання, що підвищує ефективність і надійність роботи пристрою. На підставі цього можна зробити висновок про те, що сукупність істотних ознак, викладена у формулі винаходу, є необхідною й достатньою для досягнення забезпечуваного винаходом нового технічного результату - підвищення ефективності й надійності роботи джерела живлення. Сутність винаходу пояснюється за допомогою креслень, де: на Фіг.1 зображена структурна схема прототипу; 6 на Фіг.2 зображена структурна схема технічного рішення, що заявляється; на Фіг.3 зображена структурна схема підключення додатково введених елементів для одного з N каналів по вторинній стороні джерела живлення у те хнічному рішенні, що заявляється; на Фіг.4 наведені діаграми вихідного струму для технічного рішення, що заявляється, у процесі його роботи; на Фіг.5 зображена електрична схема реалізації одного з N регуляторів понижувального типу в технічному рішенні, що заявляється; на Фіг.6 зображена структурна схема технічного рішення, що заявляється, де показаний принцип підключення вторинних обмоток високовольтного трансформатора джерела живлення. Пропонований пристрій (Фіг.2) містить трифазний високовольтний трансформатор 1, що має первинну обмотку W0 і N вторинних обмоток (W1,...,WN). До кожної з N вторинних обмоток трансформатора підключений вхід випрямляючго вузла з ємнісним фільтром 2, 3, 4,...,К. Пристрій також містить N регуляторів понижувального типу 5, 6, 7,...,М. До кожного з регуляторів підключений транзистор 8 і діоди 9 і 10. Вихідні клеми всіх N регуляторів з'єднані послідовно. Додатково введені елементи до кожного з регуляторів пропонованого технічного рішення містять у собі (Фіг.3) паралельно з'єднані діод 11 і резистор12, включені між позитивною вихідною клемою регулятора 5 і точкою з'єднання транзистора 8 і діода 10. Пропонована реалізація регулятора понижувального типу в технічному рішенні, що заявляється (Фіг.5), містить у собі два силових транзистори 13, 14, силові діоди 15, 16, двохобмотувальний дросель 17 і ємнісній дільник 18, 19. Обмотки дроселя даного регулятора виконані магнітопов'язаними на одному феромагнітному осерді у вигляді двохобмотувального дроселя. До регулятора 5 підключено транзистор 8, що шун тує ви хід пристрою, а також зворотні діоди 9, 10, 20. По виходу всі регулятори джерела з'єднані послідовно. Особливості підключення вторинних обмоток (Фіг.6) високовольтного трансформатора 1 в технічному рішенні, що заявляється, полягає в тім, що вторинні обмотки попарно з'єднані в "зірку" і "трикутник". Причому, кількість витків в обмотках "зіркою" повинна бути в 3 раз менше кількості витків в обмотках "трикутником". До кожної з N вторинних обмоток трансформатора підключений вхід комірок 2, 3,...,М-1, М. Кожна з комірок містить випрямляючий вузол з ємнісним фільтром і регулятор понижувального типу з додатковими елементами. Виходи всіх комірок з'єднані послідовно. Пристрій працює в такий спосіб. Вхідна живляча напруга подається на первинну обмотку трансформатора 1. На вторинних обмотках при цьому з'являється напруга величиною, що відповідає коефіцієнту трансформації даного трансформатора. За допомогою випрямляючих вузлів з ємнісним фільтром 2, 3, 4,...,К змінна напруга на вторинних обмотках перетворюється в постійну напругу величиною, рівної амплітудному значенню напруги на вторинних обмотках. Випрямлена постійна на 7 85316 пруга з випрямляючих вузлів надходить на відповідні регулятори понижувального типу 5, 6, 7,...,М. У такий спосіб у джерелі на вторинній стороні трансформатора утворюється N каналів передачі енергії в навантаження. Дані регулятори в номінальному режимі роботи джерела перебувають у повністю провідному стані, при якому регулюючий вентиль повністю відкритий. Напруга із входу регулятора практично без втрат передається на його вихід. При цьому транзистор 8 у кожному каналі перебуває в замкненому стані. По виходу всі регулятори з'єднані послідовно, тому на виході джерела живлення утворюється сумарна напруга всіх каналів передачі енергії. При виникненні пробою в навантаженні (в електронно-променевій гарматі) вихідний струм джерела починає зростати і при деякому заданому значенні всі регулятори переходять у релейний режим струмообмеження. Тривалість такого режиму роботи може бути регульованою для визначення стійкості виниклого пробою й відсікання пробоїв, що саморуйнуються. Через деякий заданий час (так званий час селекції) після початку стійкого дугового розряду, у кожному каналі регулюючий вентиль регулятора замикається, а транзистор 8 відмикається по зовнішній команді на заданий час паузи достатній для руйнування пробою в навантаженні. При цьому на виході джерела формується нульове значення напруги й нульовий вихідний струм. У момент часу, коли закінчується інтервал паузи (вентилі в регуляторах окрилися, транзистори 8 замкнулися), а пробій у навантаженні вже самозруйнувався, вихідний струм кожного регулятора здобуває номінальне значення. При цьому, якщо сталий стр ум навантаження виявився менше того значення, що було до пробою, то частина струму, рівна різниці струму дроселя регулятора й струму навантаження замикається через діод 9. У цьому випадку ви хідна напруга регулятора не може перевищувати напругу конденсатора ємнісного фільтра у випрямляючому вузлі кожного каналу і загальна напруга джерела обмежена. Діод 10 усуває негативні сплески напруг на виході кожного регулятора. Також діод 10 створює ланцюг протікання струму навантаження джерела у випадку, коли даний канал джерела виключений з алгоритму роботи (вентиль регулятора замкнений, транзистор 9 - відкритий). Таким чином, у даній схемі, на відміну від прототипу, у момент утворення пробою в навантаженні вихідний струм обмежений, а при виникненні дугового розряду вихідна напруга джерела обмежуються на нульовому рівні. Це дозволяє руйнувати розвиток дугового розряду в навантаженні, а значить - виключити вплив пробоїв на величину струму електронного променя в електроннопроменевому обладнанні, що приводить до підвищення якості технологічного процесу. У момент виникнення пробою в навантаженні, у ви хідному ланцюзі джерела живлення виникає сплеск вихідного струму. Цей сплеск струму обумовлений впливом розподілених паразитних параметрів кабелю між джерелом живлення і електронно-променевою установкою. Завдяки прийнятому рішенню цей сплеск струму протікає 8 по ланцюзі через діод 10 і резистор 12 у кожному регуляторі джерела. Вибором величини опору резистора 12 можна впливати на зменшення сплеску цього струму у два-три рази. Діаграма зворотної хвилі струм у при відсутності опору у ви хідному ланцюзі (резистора 12) показана на верхній епюрі фігури 4, при його наявності - на нижній епюрі фігури 4. Протягом формування паузи вихідної напруги шляхом відмикання транзистора 8 і запирання регулюючого вентиля в регуляторі 5, залишковий струм дроселя регулятора замикається по ланцюзі через відкритий транзистор 8 і діод 11, минаючи резистор 12. Таким чином, при даному технічному рішенні сплеск струму, обумовлений впливом розподілених параметрів кабелю, обмежується активним опором у ви хідному ланцюзі джерела живлення. З іншого боку, наявність такого активного опору у вихідному ланцюзі не створює додаткових падінь напруги у ви хідному ланцюзі джерела в момент формування пауз вихідної напруги і струму під час примусового руйнування пробоїв у навантаженні завдяки наявності діода, включеним паралельно з введеним резистором. Ці фактори поліпшують ефективність і надійність джерела живлення. При використанні схеми з ємнісним дільником і двохобмотувальним дроселем в якості регулятора понижувального типу джерело живлення працює в такий спосіб. У стаціонарному режимі роботи навантаження джерела живлення регулюючі транзистори 13, 14 у кожному з N регуляторів відкриті, транзистор 8 - закритий. При виникненні пробою в навантаженні (електронно-променевій установці) вихідний струм джерела починає зростати. При заданому значенні вихідного стр уму кожний регулятор переходить у релейний режим струмообмеження і, відповідно, транзистори 13, 14 працюють в імпульсному режимі. По закінченні часу селекції після виникнення пробою відкривається транзистор 8, а транзистори 13, 14 закриваються на заданий час паузи. При цьому у ви хідному струмі й напрузі джерела формується нульова пауза, необхідна для руйнування пробою в навантаженні. Струм дроселя 17 замикається через діоди 15, 16 і транзистор 8. По закінченні часу паузи транзистори 13, 14 відкриваються, а транзистор 8, - закривається. При цьому залишковий струм дроселя 17, рівний різниці між величиною струмообмеження і сталим струмом навантаження, замикається через діоди 9, 20 і конденсатори ємнісного дільника 18, 19 на вході регулятора. Таким чином, у використаному технічному рішенні за рахунок особливостей виконання регулятора понижувального типу в кожному каналі джерела живлення в порівнянні із традиційним регулятором вдається знизити у два рази робочі напруги на силових елементах схеми. Це дає можливість використання елементної бази в джерелі живлення з більш низькою допустимою напругою, що зменшує встановлену потужність напівпровідникових приладів. З іншого боку, наявність напівпровідникових приладів з високими допустимими значеннями напруги дозволяє зменшувати кількість N використовуваних каналів передачі енергії в джерелі для досягнення необхідної сумарної 9 85316 вихідної напруги. Названі фактори підвищують ефективність джерела електроживлення. При з'єднанні вторинних обмоток трансформатора в джерелі живлення в "зірку" і "трикутник" пристрій працює в такий спосіб. У номінальному режимі роботи джерела вхідна живляча напруга подається на первинну обмотку трансформатора 1. На вторинних обмотках при цьому з'являється напруга величиною, що відповідає коефіцієнту трансформації даного трансформатора. Причому, напруга на обмотках "зіркою" у 3 раз менше напруги на обмотках в "трикутник". За допомогою випрямляючих вузлів з ємнісним фільтром у кожній з комірок 2, 3,...,М-1, Μ змінна напруга на вторинних обмотках перетворюється в постійну пульсуючу напругу з однаковою величиною на виході всіх випрямляючих вузлів і рівною амплітудному значенню лінійної напруги на вторинних обмотках. Через те, що в номінальному режимі роботи джерела регулюючий транзистор регуляторів у всіх комірках відкритий, то на виході джерела є сумарна напруга всіх каналів. Причому, через те, що фазовий зсув між пульсаціями напруг на виходах випрямляючих вузлів, у яких обмотки з'єднані в "зірку" і "трикутник", становить 30 електричних 10 градусів напруги мережі, у сумарній вихідній напрузі джерела має місце 12-пульсна система напруги. Амплітуда пульсацій у такій напрузі по відношенню до постійної складової у два рази менше, ніж пульсації в окремих каналах випрямляючих вузлів. Крім того, випрямлення струмів вторинних обмоток, з'єднаних "зіркою" і "трикутником" викликає різний характер струму через обмотки, що при їхньому підсумовуванні в струмах первинної обмотки викликає значне ослаблення 5 і 7 гармонік і, тим самим, підвищує коефіцієнт потужності на вході джерела. З наведеного випливає, що використане технічне рішення за рахунок зазначеного типу з'єднання вторинних обмоток дозволяє поліпшити ефективність пропонованого джерела живлення. Таким чином, у порівнянні із прототипом, використання описаного технічного рішення усуває вплив пробоїв на величину струм у електронного променя в електронно-променевому обладнанні і поліпшує параметри джерела живлення, що дозволяє досягти нового технічного результату - підвищити ефективність і надійність роботи електронно-променевого обладнання з указаним джерелом живлення. 11 85316 12 13 85316 14 15 Комп’ютерна в ерстка О. Рябко 85316 Підписне 16 Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601