ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 2003 года по МПК H02M7/537 

Изобретение относится к электротехнике, к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках питания с импульсной формой выходного напряжения, работающих на нелинейную нагрузку: излучатели газовых лазеров, озонаторы и т.п.

Для питания нелинейных нагрузок, включающих газоразрядный промежуток применяются импульсные источники электропитания на основе инверторов напряжения (тока), так как они работают в широком диапазоне частот, обладают высокими динамическими характеристиками и обеспечивают регулирование мощности в широких пределах.

Известен источник питания нелинейной нагрузки (заявка 57-53283, Япония, МПК С 01 В 13/11, Н 02 М 7/00, опубл. 12.11.1982 г.), содержащий последовательно соединенные задающий генератор, инвертор напряжения и повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке.

Недостатком известного устройства является низкая помехоустойчивость, так как регулирование мощности производится аналоговой схемой управления. Кроме того, схема инвертора обеспечивает переключение при прямоугольной форме напряжения и тока в элементах силового контура. Это вызывает высокий уровень высокочастотных колебаний на фронтах напряжения и тока, ухудшает электромагнитную обстановку и снижает помехоустойчивость устройства.

Уменьшить уровень нежелательных высокочастотных колебаний позволяет применение схемы инвертора с резонансным контуром (резонансный инвертор), так как она обеспечивает в силовой цепи импульсы тока синусоидальной формы (В.В. Макаров "Электронная техника в автоматике", Сборник статей под ред. Ю. И. Конева, Москва, "Радио и связь". Вып. 16, стр. 44, 1985 г.).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является источник питания нелинейной нагрузки (С.Н. Буранов и др., "Транзисторный генератор высоковольтных импульсов чередующейся полярности", опубликованный в журнале "Приборы и техника эксперимента", 1, 1999 г., стр. 134-136). Известный источник питания нелинейной нагрузки содержит последовательно соединенные задающий генератор, формирователь импульсов, последовательный резонансный инвертор напряжения (тока) и повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке.

В прототипе задающий генератор выполнен по аналоговой схеме, формирующей последовательность импульсов, частота следования которых задается управляющим напряжением. При широкодиапазонном регулировании (более 2 порядков) из-за малых величин управляющего сигнала (<0,1 В) работа схемы очень чувствительна к электромагнитным помехам. Вследствие этого данное устройство имеет низкую помехоустойчивость. Кроме того, при переменной частоте импульсов питания не выполняются оптимальные условия работы, в том числе с точки зрения обеспечения необходимой электромагнитной совместимости, что также снижает помехоустойчивость.

При создании изобретения решалась задача обеспечения надежного электропитания нелинейных нагрузок с газоразрядным промежутком, поскольку работа подобных приборов сопровождается мощными электромагнитными помехами.

Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости при регулировании мощности нагрузки в широких пределах.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным источником питания нелинейной нагрузки, содержащим последовательно соединенные задающий генератор, формирователь импульсов, последовательный резонансный инвертор напряжения (тока) и повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, новым является то, что задающий генератор выполнен по цифровой схеме, обеспечивающей формирование периодических циклов генерации (серий), причем частота следования импульсов постоянна, а число импульсов в сериях определяется кодом числа на входе задающего генератора.

Постоянную частоту следования импульсов в сериях выбирают из условия, чтобы интервал между импульсами питания превышал время завершения переходных процессов в нагрузке и силовой цепи. При этом на нагрузке формируются импульсы напряжения со стабильной "гладкой" формой. Это позволяет получать быстрозатухающий спектр помех и ограничивать их частотный диапазон, что весьма важно для эффективной защиты от помех и повышения помехоустойчивости.

Период повторения серий образует интервал регулирования, в пределах которого число импульсов К в сериях изменяется от одного до максимальной величины N. При этом средняя мощность нагрузки составляет Р_к=(KIN)P_ном, где Р_ном - номинальная мощность, когда К=N. Количество импульсов в сериях определяется двоичным (двоично-десятичным) кодом числа на входе задающего генератора, выполненным па основе цифровой схемы код-время. По сравнению с аналоговыми схемами схема кодового (цифрового) управления имеет более высокое соотношение сигнал-шум во всем диапазоне регулирования, что повышает помехоустойчивость источника питания.

На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого источника питания нелинейной нагрузки. На фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Источник питания содержит последовательно соединенные задающий генератор 1, формирователь импульсов 2, последовательный резонансный инвертор 3 и повышающий трансформатор 4, вторичная обмотка которого подключена к нелинейной нагрузке 5.

Задающий генератор 1 выполнен по цифровой схеме. Он предназначен для формирования периодических серий импульсов с постоянным интервалом между смежными импульсами и регулирования количества импульсов в сериях согласно коду числа на входе.

Вариант выполнения задающего генератора 1 показан на фиг.1. Задающий генератор 1 содержит тактовый генератор 6, делитель частоты 7, вычитающий счетчик 8 и вентиль 9, выполненный в виде двухвходового элемента ИЛИ, причем вход разрешения записи в счетчик 8 подключен к точке соединения выхода тактового генератора 6 с первым входом вентиля 9 через делитель частоты 7, выход переноса счетчика 8 соединен со вторым входом вентиля 9, выход которого подключен к входу формирователя 2 и тактовому входу счетчика 8. Количество импульсов в сериях на выходе задающего генератора 1 определяется двоичным кодом числа К на информационном входе счетчика 8.

В схеме задающего генератора 1 использовались микросхемы КМОП серии К561: К561 ЛА7 - тактовый генератор 6, К561 ИЕ10 - делитель частоты 7, К561 ИЕ14 - вычитающий счетчик 8, К561 ЛЕ6 - вентиль 9. Делитель 7 и счетчик 8 выполнены по каскадным схемам, обеспечивающим необходимую разрядность для заданного диапазона регулирования количества импульсов в сериях от 1 до N.

Элементы 2-4 на фиг. 1 выполнены как указано в прототипе.

Формирователь импульсов 2 управляет силовыми ключами резонансного инвертора 3. Схема формирователя 2 выполнена на двух ждущих мультивибраторах (один корпус микросхемы КР1561 АГ1), включенных по кольцевой схеме и двухтактных усилителях мощности с трансформаторной развязкой.

Последовательный резонансный инвертор 3 аналогичен используемым в источниках питания различных технологических установок (электронно-лучевых, сварочных). Инвертор 3 выполнен на транзисторах КП 955А по мостовой или полумостовой схеме с обратными диодами 2Д 2990А, в диагональ которой включен последовательный колебательный контур.

Выполнение повышающего трансформатора 4 аналогично используемым в импульсных высоковольтных электроразрядных установках. Он служит для формирования импульсов напряжения на газоразрядном промежутке нелинейной нагрузки 5. Первичная обмотка трансформатора 4 включена в диагональ переменного тока инвертора 3 последовательно с колебательным контуром, а его вторичная обмотка подключена к нагрузке 5.

На фиг.2 приведены следующие диаграммы:
а - напряжение на выходе тактового генератора 6;
б - напряжение на выходе делителя частоты 7;
в - напряжение на выходе переноса счетчика 8;
г - напряжение на выходе вентиля 9;
д - ток I_к в резонансном контуре инвертора 3;
е - напряжение на нагрузке 5.

На приведенных диаграммах использованы следующие обозначения:
Т - период следования импульсов тактового генератора 6;
Т_откр - время открытого состояния вентиля 9;
Т_р - интервал регулирования.

Работает устройство следующим образом. Формирователь импульсов 2 управляет силовыми транзисторами, обеспечивая в резонансном инверторе 3 режим прерывистого тока дросселя (фиг. 2, д). При этом во время первой полуволны тока I_к на нагрузке 5 формируется импульс питания (фиг. 2, е), а в газовом промежутке происходит электрический пробой и вложение энергии. После перехода I_к через ноль на нагрузке формируется обратный выброс, амплитуда которого не достигает напряжения пробоя. Поэтому разряд обрывается, а неиспользованная в импульсе часть энергии во время второй полуволны I_к возвращается через обратные диоды в источник питания. При регулировании мощности нагрузки частота импульсов питания остается постоянной и изменяется только их количество в сериях.

Серии импульсов вырабатываются задающим генератором 1 следующим образом. При включении устройства счетчик 8 обнулен и сигналом логической единицы (лог.1) с выхода переноса удерживает вентиль 9 в закрытом состоянии. Формирователь 2 в это время не работает и нагрузка обесточена. Одновременно импульсы тактового генератора 6, следующие с периодом Т (фиг. 2, а), поступают на вход делителя частоты 7 с коэффициентом деления N, который через N периодов вырабатывает синхроимпульс (фиг. 2, б), разрешающий запись числа К, представленным в параллельном двоичном виде, в счетчик 8. Пусть К соответствует десятичному числу три. Тогда после занесения этого числа в счетчик сигнал на его выходе переноса переключается в состояние логического нуля (лог. 0) и вентиль 9 открывается, пропуская импульсы на вход формирователя 2 и тактовый вход счетчика. Последний просчитывает их до нуля, что возвращает выход переноса в состояние лог. 1 (фиг. 2, в), и вентиль закрывается. В результате в течение времени Т_откр = 3Т (фиг. 2, в) на выходе задающего генератора 1 формируется серия, состоящая из трех импульсов (фиг. 2, г). По окончании интервала регулирования Т_р = NT делитель частоты вырабатывает вновь синхроимпульс, производящий запись текущего кода в счетчик (фиг. 2, б). Пусть к этому моменту код сигнала управления изменился и соответствует десятичному числу два. Тогда согласно вышеописанному алгоритму счетчик 8 открывает вентиль 9 на время Т_откр = 2Т и формируется пачка из двух импульсов. Всего на интервале регулирования умещается серия из N импульсов. При этом источник питания развивает максимальную (номинальную) мощность.

Предложенное устройство испытывалось при нагрузке на излучатель СО₂-лазера и озонатор. В случае озонатора величина интервала регулирования T_р выбиралась с учетом допустимых колебаний выходной концентрации озона (≤10%) и составляла 1 сек. При рабочей частоте следования импульсов в сериях 10 кГц диапазон регулирования достигал четырех порядков. Были получены стабильные квазисинусоидальные импульсы питания длительностью 5 мкс, причем интервал между смежными импульсами в сериях превышал время завершения переходных процессов (~50 мкс). Это позволило по сравнению с прототипом сузить спектральный диапазон до 0,15-30 МГц и уменьшить уровни напряжений помех в цепях управления на 3-6 дБ, что объясняется некоторым "скруглением" кратковременных выбросов напряжений и токов на интервалах между импульсами питания (фиг. 2, г).

В прототипе допустимое напряжение помехи в цепях управления составляло 1% от напряжения питания (U_пит = 15 В). Испытания показали, что для бесперебойного управления цифровой схемой задающего генератора было допустимо напряжение помехи до 30% от U_пит, что по сравнению с прототипом повысило помехоустойчивость. В результате при регулировании в пределах четырех порядков экранирование узлов источника питания и нелинейной нагрузки не применялось, что упростило и удешевило конструкцию устройства.

Таким образом, можно заключить, что предлагаемое техническое решение позволяет повысить помехоустойчивость источника питания нелинейной нагрузки при широкодиапазонном регулировании мощности. Высокая помехоустойчивость обеспечивается постоянной частотой и кодовым управлением задающего генератора.

Изобретение относится к электротехнике, к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках питания с импульсной формой выходного напряжения, работающих на нелинейную нагрузку: излучатели газовых лазеров, плазмохимические реакторы и т.п. Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости при регулировании мощности нагрузки в широких пределах. Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным источником питания нелинейной нагрузки, содержащим последовательно соединенные задающий генератор, формирователь импульсов, последовательный резонансный инвертор и повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, новым является то, что задающий генератор выполнен по цифровой схеме, обеспечивающей формирование периодических циклов генерации (серий), причем частота следования импульсов постоянна, а число импульсов в сериях определяется кодом числа на входе задающего генератора. 2 ил.

Источник питания нелинейной нагрузки, содержащий последовательно соединенные задающий генератор и формирователь импульсов, управляющий силовыми ключами последовательного резонансного инвертора напряжения или тока, в диагональ переменного тока которого включена первичная обмотка повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, отличающийся тем, что задающий генератор выполнен по цифровой схеме, обеспечивающей формирование периодических серий импульсов, причем частота следования импульсов в серии постоянна, а число импульсов в каждой серии определяется кодом числа на входе задающего генератора.