СИСТЕМА ЗАПУСКА И ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК H05H1/54 F03H1/00 

Изобретение относится к электрореактивной технике, а именно к электрореактивным двигательным установкам на базе плазменных ускорителей, и может быть использовано в технологических генераторах плазмы.

Известны системы запуска и электропитания электрореактивных плазменных двигателей [1,2], содержащие источник питания нагревателя катода с датчиком тока нагревателя, источник поджигающих импульсов, общей точкой которых является катод двигателя (ускорителя), источник электропитания разряда, подключенный к аноду и катоду двигателя, с датчиком тока разряда. Все источники входами подключены к общим шинам электроснабжения.

Недостатком системы, состоящей из раздельных источников запуска и электропитания плазменного ускорителя (двигателя), является повышенные масса и габариты, так как каждый источник питания содержит свой отдельный преобразователь напряжения с согласующими трансформаторами и силовыми транзисторными ключами.

Наиболее близкой к заявляемой является система запуска и электропитания электрореактивных плазменных двигателей (плазменных генераторов) [3], содержащая один общий преобразователь, состоящий из параллельно работающих преобразовательных ячеек, от которых через разделительные диоды и дополнительные согласующие трансформаторы (38, 39) формируется напряжение питания разряда (9), нагревателей катодов (42, 43) и источника питания генератора поджигающих импульсов (33).

Недостатком этой системы является наличие дополнительных согласующих трансформаторов и отдельного источника питания генератора поджигающих импульсов, а также большое количество разделительных диодов, которые требуют точной фазировки напряжений первичных обмоток согласующих трансформаторов для исключения токов перекрытия в разделительных цепях, что не позволяет повышать частоту преобразования для снижения массы и габаритов трансформаторов системы. В силу указанных причин габариты и масса системы в целом также велики. Несмотря на избыточность преобразовательных ячеек и их перекрестные связи с помощью разделительных диодов, надежность этой системы низкая из-за ничем не ограничиваемых токов перекрытия в разделительных диодах, кроме того, в системе нет никакой защиты от короткого замыкания в цепях нагрузок, для которых характерны режимы аномальной (повышенной, близкой к бесконечности) проводимости как в цепи разряда (плазмы), так и в цепях нагревателей катодов.

Задача изобретения заключается в создании системы с рациональным использованием ее элементов, минимизированной по количеству массообразующих элементов структурой, уменьшенными в целом массой и габаритами и повышенной надежностью.

Указанная задача решается следующим образом. В системе запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, содержащей шины питания постоянного тока, задающий генератор, n преобразовательных ячеек, подключенных к шинам питания, входами соединенных с выходом задающего генератора, состоящих из коммутирующих транзисторов и трансформаторов, суммирующих разрядный выпрямитель, выходы которого через ограничивающий дроссель подсоединены к выходным выводам двигателя, выпрямитель нагревателей катодов, выход которого через датчик тока нагревателей катодов, дозирующий дроссель и управляемые ключи подсоединен к нагревателям катодов, датчик напряжения разряда, подключенный к общей точке катодов и аноду двигателя, в трансформаторы преобразовательных ячеек введены дополнительные обмотки, выводами подключенные к выпрямителю нагревателей, который выполнен по схеме суммирования токов обмоток, в дозирующий дроссель цепи питания нагревателей катодов введена дополнительная обмотка, подключенная одним выводом к общей точке катодов двигателя, а вторым - к общей точке разделительных диодов, соединенных с выходными выводами электродов поджига и анода двигателя, датчики тока и напряжения разряда и датчик тока нагревателей катодов имеют общую точку, соединенную с общей точкой катодов двигателя и со схемой управления, к входам которой подключены выходы датчиков и выходы внешних команд управления, а выходы схемы управления подключены к управляющему входу задающего генератора и к управляемым ключам нагревателей катодов.

Введение дополнительных обмоток в трансформаторы преобразовательных ячеек позволяет рационально использовать преобразовательные ячейки для запуска двигателя и для электропитания разряда, а для поджига используется энергия, накопленная в дозирующем дросселе нагревателя катодов, направляемая с помощью управляемых ключей к электродам поджига. Благодаря двойному использованию элементов системы: преобразовательных ячеек - для запуска двигателя (питания нагревателей катодов) и для электропитания разряда, дозирующего дросселя нагревателей катодов - для дозирования (стабилизации) тока нагревателей и для поджига двигателя; управляемых ключей - для подключения нагревателей и для направления энергии дозирующего дросселя нагревателей катодов к электродам поджига, и отсутствию разделительных диодов между преобразовательными ячейками масса и габариты системы снижаются не менее чем на 10%, а надежность системы повышается.

На чертеже показана структурно-функциональная схема системы запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя.

Система содержит шины питания постоянного тока 1, управляемый задающий генератор 2, преобразовательные ячейки 3₁...3_n, каждая из которых состоит из коммутирующих транзисторов 4 и трансформаторов 5, содержащих первичные обмотки 6, обмотки 7, формирующие напряжение разряда, и обмотки 8, формирующие ток нагревателей катода. Выводы обмоток 7 (7₁...7_n) подключены к входам суммирующего разрядного выпрямителя 9, а выводы обмоток 8 (8₁...8_n) - к входам выпрямителя 10 нагревателей катодов. Выходные выводы разрядного выпрямителя через ограничивающий дроссель 11 подключены к анодному выводу и одному из выводов магнитной катушки двигателя Д. Выходные выводы выпрямителя нагревателя через дозирующий дроссель 12, управляемые ключи 13, 14 и датчик тока нагревателей 15 подключены к выводам нагревателей катодов (НК1, НК2) двигателя. Дополнительная обмотка дозирующего дросселя нагревателей катодов одним выводом соединена с общей точкой катодов двигателя, а вторым - с общей точкой разделительных диодов, один из которых (16) соединен с анодом двигателя, а два других - с первым (диод 17) и со вторым (диод 18) поджигными электродами двигателя. Между общей точкой цепи нагревателей катодов и цепи анода двигателя включены датчик напряжения 19 разряда и емкостный накопитель энергии - фильтр 20, а между общей точкой цепи нагревателей катодов и вторым выводом магнитной катушки двигателя включен датчик тока разряда 21. Таким образом, все три датчика имеют общую точку, которая соединена с устройством управления 22, раздельные выходы датчиков напряжения разряда, тока разряда и тока нагревателей катодов подключены к входным выводам устройства управления, к трем отдельным входным выводам которого подключаются цепи команд внешнего управления: команды включения и выключения двигателя (K_вкл), команды включения и выключения нагревателей катодов НК1 или НК2 (К_нк), команды поджига (К_п). Один выходной вывод устройства управления соединен с управляющим входом задающего генератора, а два других - с управляемыми ключами нагревателей катодов (13, 14).

Система запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя работает следующим образом. При поступлении команды К_нк на вход устройства управления 22 замыкается цепь одного из нагревателей катодов, например НК1, ключом 13. После подачи команды включения К_вкл начинает работать задающий генератор 2, управляющий транзисторами 4₁...4_n преобразовательных ячеек 3₁. . . 3_n, подключенных к шинам питания постоянного тока 1, на выходных обмотках трансформаторов 5₁. ..5_n появляется переменное прямоугольное напряжение. Обмотки 7₁...7_n могут соединяться в выпрямителе 9 последовательно или параллельно в зависимости от количества витков в обмотках 7 и соответственно суммируются в выпрямителе напряжения или токи обмоток. Низковольтные обмотки 8₁. ..8_n соединяются в выпрямителе только параллельно и токи их суммируются. В цепи нагревателя катода двигателя НК1 и датчика тока нагревателя 15 возникает ток, при достижении которым определенного максимального значения по сигналу с датчика 15 устройство управления 22 воздействием на задающий генератор 1 и через него на транзисторные ключи 4₁...4_n ячеек снимает напряжение со всех обмоток, но ток в цепи нагревателя катода сохраняется за счет энергии, накопленной в дозирующем дросселе. При спадании тока дозирующего дросселя до определенного минимального значения напряжение на обмотках трансформаторов преобразовательных ячеек вновь появляется и ток в цепи нагревателя начинает нарастать. Далее процессы в цепи нагревателя катода НК1 повторяются и ток нагревателя поддерживается стабильным с помощью обычной широтно-импульсной модуляции напряжения на выходе преобразовательных ячеек устройством управления 22. Напряжение в цепи разряда устанавливается равным напряжению обмоток 7₁...7_n, а ток на выходе выпрямителя определяется проводимостью только датчика напряжения 19.

При подаче внешней команды "Поджиг" К_п на вход управляющего устройства 22 ключ 13 размыкается и ток нагревателя катода трансформируется во вторичную обмотку дозирующего дросселя 12, напряжение которой определяется проводимостью газового промежутка между поджигным электродом ПЭ1 и катодом К1. Если проводимость в момент возникновения импульса напряжения на вторичной обмотке осталась близкой к нулю (пробой не произошел), то энергия дросселя сбрасывается через диод 16 в емкостный накопитель энергии 20, включаемый между анодом и общей точкой катодов и выполняющий также функцию фильтра, при этом прикладываемое к электроду поджига ПЭ1 напряжение будет равно напряжению разряда двигателя, что соответствует требованиям, предъявляемым к параметрам запуска двигателя. Через несколько десятков микросекунд ключ 13 замыкает снова цепь питания нагревателя катода НК1. Процесс замыкания и размыкания ключа 13 повторяется с частотой несколько десятков Гц. Когда происходит пробой газового промежутка ПЭ1 - К1, проводимость его становится такой, что весь ток вторичной обмотки дросселя замыкается в цепи поджига, диод 16 заперт более высоким потенциалом анода двигателя. При пробое поджигного промежутка возникает ток разряда двигателя, поскольку в процессе нагрева катода и подачи поджигающих импульсов к промежутку анод - катод (А-К) двигателя, заполненного газом, приложено напряжение.

Как только ток разряда достигнет определенного минимального значения (0,4 от номинального тока разряда), по сигналу с датчика 21 разрядного тока в устройстве управления 22 срабатывает пороговое устройство, размыкающее ключ 13, нагрев катода и подача поджигающих импульсов прекращаются, прекращается и широтно-импульсное регулирование выходного напряжения на входе выпрямителя, если напряжение разряда не превышает номинального. На выходе выпрямителей напряжение будет соответствовать выходному напряжению вторичных обмоток трансформаторов, ток разряда двигателя устанавливается пропорционально расходу газа в промежутке разряда (А-К), ток в цепях нагревателей и электродов поджига двигателя отсутствует, так как ключи 13 и 14 разомкнуты. Если напряжение разряда начнет увеличиваться, то по сигналу с датчика напряжения 19 устройство управления возобновляет широтно-импульсное регулирование выходного напряжения преобразовательных ячеек и, следовательно, напряжение разряда двигателя. Отключение двигателя производится внешней командой К_вкл, которая прекращает генерацию управляющего напряжения задающего генератора и транзисторные ключи 4₁...4_n запираются.

Размыкание цепи нагревателя катода ключом 13 (14) на время несколько десятков микросекунд с частотой 20-40 Гц практически не сказывается на действующее значение тока нагревателя, который за время разомкнутого состояния ключа полностью не прерывается, благодаря индуктивности самого нагревателя, выполненного в виде спирали, индуктивности соединительных проводов и диодов, шунтирующих цепь нагревателей после ключей (не показаны). В случае короткого замыкания в цепях разряда, поджигного промежутка или нагревателей катодов по сигналам с датчиков тока разряда 21 и тока нагревателя 15 устройство управления 22 с помощью обычного широтно-импульсного модулятора и дросселей 11 и 12 ограничивает токи короткого замыкания в указанных цепях на допустимом уровне.

Литература
1. Пат. РФ 2025256. Система электропитания ускорителя с замкнутым дрейфом электронов и протяженной зоной ускорения /Нестеренко А.Н., Корякин А.И.// Изобретения. 1994. N 23.

2. Hemley J. A. , et al. Power Electronics Development for the SPT-100 Thruster, IEPC-93-044, Proceeding of the 23 rd International Electric Propulsion Conference, September, 1993.

3. А. с. 752664 СССР. Преобразователь напряжения / А.М. Баранов и др./ БИ. 1980. N 28.

Система предназначена для использования в электрореактивных двигательных установках космических аппаратов и в наземных плазменных технологических установках. Работа системы заключается в формировании электрических режимов запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя (ускорителя) от одного общего преобразователя, состоящего из преобразовательных ячеек, в трансформаторы которых введены дополнительные обмотки, токи которых суммируются в выпрямителе и обеспечивают разогрев катодов суммарным током, стабилизованным с помощью дозирующего дросселя, включенного в цепь нагревателей катодов. При размыкании цепи нагревателей ток трансформируется во вновь введенную обмотку дозирующего дросселя, в котором наводится напряжение, обеспечивающее пробой газового промежутка и запуск двигателя. Благодаря совмещению функций массообразующих элементов системы и минимизации их количества габариты и масса системы снижаются, а надежность повышается. 1 ил.

Система запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, содержащая шины питания постоянного тока, задающий генератор, n преобразовательных ячеек, подключенных к шинам питания, входами соединенных с выходом задающего генератора и состоящих из коммутирующих транзисторов и трансформаторов, суммирующий разрядный выпрямитель, выходы которого через ограничивающий дроссель подсоединены к выходным выводам двигателя, выпрямитель нагревателей катодов, выход которого через датчик тока нагревателей катодов, дозирующий дроссель и управляемые ключи подсоединен к нагревателям катодов двигателя, отличающаяся тем, что в трансформаторы ячеек введены дополнительные обмотки, выводами подключенные к выпрямителю нагревателей катодов, который выполнен по схеме суммирования токов обмоток, в дозирующий дроссель цепи питания катодов введена дополнительная обмотка, подключенная одним выводом к общей точке катодов делителя, а вторым - к общей точке разделительных диодов, соединенных по отдельности с выходными выводами электродов поджига и анода двигателя, датчики тока и напряжения разряда и датчик тока нагревателей катодов имеют общую точку, соединенную с общей точкой катодов двигателя и со схемой управления, к входам которой подключены выходы датчиков и выходы внешних команд управления, а выходы схемы управления подключены к управляющему входу задающего генератора и к управляемым ключам нагревателей катодов.