КОММУТАТОР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ НА ЕГО ОСНОВЕ Российский патент 2003 года по МПК H01J21/14 B03C3/38 

Группа изобретений относится к электронным высоковольтным коммутирующим устройствам на основе электронно-лучевых вакуумных приборов и устройствам питания с использованием указанных коммутаторов, предназначенных для использования в электростатических фильтрах (ЭФ), например, тепловых электростанций (ТЭС) или других предприятий для повышения степени пылеочистки отходящих газов, а также в импульсных модуляторах, преобразователях, источниках вторичного электропитания мощных электро- и радиотехнических устройств.

Широко известны электронно-лучевые вентили (ЭЛВ) с однополярной коммутацией [1], которые могут быть использованы в качестве коммутаторов в устройствах питания различных нагрузок (например, ЭФ, разрядные камеры) знакопеременным напряжением, при этом для создания двуполярной коммутации используется система двух коммутаторов на основе однополярных ЭЛВ, включенных встречно [2], каждый из которых соединен с соответствующим источником питания однополярным напряжением определенной полярности и попеременно пропускает ток своей полярности, формируя напряжение знакопеременного питания (ЗПП).

Указанный выше ЭЛВ [1] содержит корпус, в котором размещена электронно-оптическая система (ЭОС) с системой токовводов. При этом ЭОС состоит из расположенных соосно термокатода с нагревателем, устройства формирования электронного потока, выполненного в виде системы ускоряющих и тормозящих электродов, управляющего и/или дополнительных электродов, анода.

Недостатком такого ЭЛВ являются однополярность коммутации, а также необходимость постоянного питания нагревателей термокатодов используемой при двуполярной коммутации пары ЭЛВ. В процессе такой коммутации открыт только один из используемых двух ЭЛВ. Потребление мощности в это время нагревателями другого (закрытого) ЭЛВ делает использование такой системы коммутаторов не экономичным.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому коммутатору и выбранной в качестве прототипа является конструкция ЭЛВ [3], радиальная щелевая ЭОС которого содержит катодный узел, выполненный из термокатодов ленточного типа с нагревателями, и охватывающий его многокамерный цилиндрический анод, а также соответствующее количеству термокатодов количество прикатодных формирующих, управляющих (ускоряющих) и корректирующих (защитных) электродов. При этом формирующие, управляющие и корректирующие электроды размещены между катодным узлом и анодом осесимметрично относительно соответствующего ленточного катода катодного узла ЭОС. Кроме того, каждый формирующий электрод ЭОС выполнен в виде трубки с продольным вырезом и размещен вокруг ленточного катода. Анод в такой конструкции является частью вакуумной оболочки (корпуса) ЭЛВ.

Недостатком выбранного за прототип ЭЛВ являются также его однополярная проводимость и необходимость для обеспечения двуполярной коммутации в устройствах ЗПП использовать два ЭЛВ с постоянным питанием нагревателей всех термокатодов двух ЭЛВ. При этом значительное потребление мощности нагревателями термокатодов ЭЛВ и одновременное наличие тепловых потерь на анодах делают использование ЭЛВ такой конструкции для обеспечения двуполярной коммутации не экономичным. Кроме того, в процессе работы системы двух однополярных ЭЛВ работает только один из используемых в системе ЭЛВ. Потребление мощности в это время нагревателями другого (закрытого) вентиля также снижает экономичность такой системы коммутаторов, а наличие в конструкции каждого из вентилей дорогостоящего медного анодного электрода отражается на себестоимости как самих коммутаторов и их системы, так и на использующего такую систему устройства питания. Кроме того, постоянный не контролируемый нагрев катодов снижает надежность ЭЛВ за счет отказов по нагревателям и катодам.

Из опубликованных устройств для ЗПП нагрузки наиболее близким по технической сущности и выбранным в качестве прототипа является устройство для питания ЭФ [2], содержащее включенные встречно и подсоединенные к нагрузке (ЭФ) два высоковольтных коммутатора, выполненных в виде однополярных ЭЛВ, а также соответствующие им два блока питания управляющих электродов, выполненных в виде формирователей импульсов управления управляющих электродов, два регулируемых разнополярных источника однополярного напряжения и общий внешний блок управления. При этом один из ЭЛВ анодом подключен к положительной шине соответствующего источника питания и катодом - к ЭФ, а другой ЭЛВ катодом подключен к отрицательной шине соответствующего источника питания и анодом - к ЭФ. Оба регулируемых источника постоянного напряжения имеют общую нулевую точку с нагрузкой (ЭФ). Кроме того, задающий генератор блока управления подключен к выходным формирователям импульсов, а те к управляющим электродам соответствующих ЭЛВ. Поочередное подключение ЭЛВ формирует на нагрузке ЗПП.

Недостатком такого устройства для ЗПП нагрузки является наличие двух однополярных коммутаторов, выполненных в виде ЭЛВ, и двух разнополярных источников напряжения питания, что удорожает конструкцию устройства, делая его использование не экономичным, и снижает надежность.

Предлагаемая группа изобретений включает в себя оригинальную конструкцию коммутатора, выполненного в виде двуполярного ЭЛВ, и схемотехническое решение устройства для питания нагрузки знакопеременным напряжением с использованием указанного коммутатора.

Задачей предлагаемой группы изобретений является создание коммутатора, выполненного в виде ЭЛВ и способного осуществлять двуполярную проводимость, и использующего такой ЭЛВ устройства для ЗПП нагрузки, способного кроме формирования импульсов знакопеременной полярности автоматически управлять тепловым режимом ЭЛВ с целью обеспечения его минимальных тепловых потерь и повышения надежности.

Техническим эффектом от использования предлагаемых решений является повышение экономичности устройств за счет снижения или полного исключения потребляемой мощности нагревателей катодов ЭЛВ, а также путем снижения себестоимости устройств за счет исключения из конструкции ЭЛВ дорогостоящего анодного электрода и использования только одного источника однополярного напряжения питания. Кроме того, повышается надежность как коммутатора, так и устройства ЗПП за счет автоматического отслеживания температуры катодов.

Поставленная задача решается тем, что коммутатор, выполненный в виде электронно-лучевого вентиля и содержащий корпус, размещенную в нем первую группу электродов, которая состоит, по меньшей мере, из одного снабженного нагревателем катода и соответствующего количеству катодов количества формирующих, управляющих и корректирующих электродов, размещенных осесимметрично относительно соответствующего катода группы, и соответствующую систему токовводов, при этом управляющие электроды выполнены полыми, снабжен второй группой электродов и соответствующей ей системой токовводов, при этом вторая группа электродов выполнена идентично первой группе электродов, а соответствующие катодам первой и второй групп электродов формирующие, управляющие и корректирующие электроды размещены между катодами обеих групп, кроме того, по крайней мере, один катод в каждой из групп электродов снабжен термодатчиком.

Предусмотрено, что катоды первой группы электродов попарно с катодами второй группы электродов и соответствующими им формирующими, управляющими и корректирующими электродами размещены по взаимно параллельным осям.

Дополнительно к указанному выше предусмотрено размещение корректирующих электродов второй группы электродов между управляющими и корректирующими электродами первой группы электродов.

Кроме того, предусмотрено, что катоды первой и второй групп электродов попеременно размещены по образующим цилиндрической поверхности, при этом катоды и соответствующие им формирующие, управляющие и корректирующие электроды в каждой из групп размещены по радиальным осям.

Для достижения того же технического эффекта в предлагаемом устройстве для питания нагрузки знакопеременным напряжением, содержащем источник однополярного напряжения питания, электрически связанный общей нулевой точкой с одним из концов нагрузки, коммутатор, выполненный в виде электронно-лучевого вентиля с токовводами и электрически соединенный с другим концом нагрузки, первый и второй блоки питания управляющих электродов электронно-лучевого вентиля, а также блок управления, при этом первый и второй блоки питания управляющих электродов на входах запуска связаны с соответствующими выходами блока управления, а на выходах через соответствующие токовводы вентиля - с его управляющими электродами, введены первый и второй усилители термоЭДС, первый и второй автоматически регулируемые блоки питания нагревателей, первый и второй автоматически регулируемые блоки питания корректирующих электродов, зарядная и разрядная индуктивности, а также электростатический накопитель, кроме того, электронно-лучевой вентиль состоит из первой и второй идентичных групп электродов, которые размещены в корпусе, а каждая из групп электродов содержит, по крайней мере, один катод с нагревателем и соответствующее количество осесимметричных относительно соответствующего катода формирующих, управляющих, корректирующих электродов и снабжена соответствующей системой токовводов, при этом соответствующие катодам первой и второй групп электродов формирующие, управляющие и корректирующие электроды размещены между катодами обеих групп, кроме того, по меньшей мере, один из катодов в каждой группе электродов снабжен термодатчиком, который связан с соответствующим усилителем термоЭДС, а выходы усилителей термоЭДС подключены к управляющим входам соответствующих блоков питания нагревателей и корректирующих электродов, которые соединены через соответствующие токовводы с нагревателями и корректирующими электродами первой и второй групп электродов вентиля, при этом первый и второй усилители термоЭДС, первый и второй блоки питания нагревателей, первый и второй блоки питания корректирующих электродов, первый и второй блоки питания управляющих электродов электрически связаны в соответствующих общих точках с катодами первой и второй групп электродов, кроме того, общая точка первой группы электродов также связана с потенциальной клеммой источника однополярного напряжения питания через зарядную индуктивность и с одним из вводов электростатического накопителя, второй ввод которого соединен с общей нулевой точкой, а общая точка второй группы электродов соединена с началом разрядной индуктивности, конец которой соединен с общей нулевой точкой.

Заявленная группа изобретений в сравнении с уровнем технического решения в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию "новизна".

Заявленная группа изобретений характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 схематически изображен в поперечном сечении двуполярный коммутатор на основе плоскопараллельной конструкции двуполярного многолучевого ЭЛВ с ленточными термокатодами.

На фиг.2 схематически изображен в продольном сечении вариант двуполярного однолучевого коммутатора на основе плоскопараллельной конструкция двуполярного ЭЛВ с ленточными термокатодами.

На фиг.3 схематически изображен в поперечном сечении вариант двуполярного коммутатора на основе цилиндрической конструкции двуполярного многолучевого ЭЛВ с шестью ленточными термокатодами.

На фиг.4 схематически изображен в поперечном сечении вариант двуполярного коммутатора на основе цилиндрической конструкции двуполярного многолучевого ЭЛВ с восемью ленточными термокатодами.

На фиг. 5 представлена блочная электрическая схема устройства для ЗПП нагрузки с коммутатором на основе двуполярного ЭЛВ.

На фиг. 6 приведены циклограммы, поясняющие принцип автоматического регулирования температуры термокатодов двуполярного многолучевого ЭЛВ.

На фиг.7 представлен вариант развернутой электрической схемы устройства для ЗПП нагрузки (например, реакторной камеры) с коммутатором на основе двуполярного многолучевого ЭЛВ.

Представленный на фиг. 1 коммутатор, выполненный в виде плоскопараллельной конструкции двуполярного ЭЛВ, состоит из размещенных в общем корпусе первой и второй групп электродов и соответствующих им систем токовводов. Первая группа электродов с соответствующей ей системой токовводов содержит: катодный узел, состоящий, по меньшей мере, из одного ленточного термокатода 1, при этом каждый катод 1 узла снабжен нагревателем 2, кроме того, катоды 1 и нагреватели 2 группы электрически соединены и связаны с общим для всех катодов 1 и нагревателей 2 токовводом 3, при этом нагреватели 2 группы электрически соединены также с токовводом 4; прикатодные формирующие электроды 5, которые выполнены в виде трубок с сегментными вырезами, электрически связаны между собой и имеют общий токоввод 6, при этом каждый формирующий электрод 5 размещен вокруг соответствующего ленточного катода 1; управляющие электроды 7, выполненные полыми и электрически связанные между собой и общим токовводом 8, при этом могут иметь сеточное заполнение, которое не является предметом изобретения и на фигурах не показано; корректирующие электроды 9, которые электрически связаны и имеют общий токоввод 10; по крайней мере, один термодатчик 11 с токовводом 12, размещенный на одном из катодов 1 первой группы электродов.

Вторая группа электродов с соответствующей системой токовводов выполнена идентично первой ЭОС и содержит: катодный узел, состоящий, по меньшей мере, из одного ленточного термокатода 13, при этом каждый катод 13 снабжен нагревателем 14, кроме того, катоды 13 и нагреватели 14 группы электрически соединены и связаны с общим для всех катодов 13 и нагревателей 14 токовводом 15, при этом нагреватели 14 группы электрически соединены также с токовводом 16; прикатодные формирующие электроды 17, которые выполнены в виде трубок с сегментными вырезами, электрически связаны между собой и имеют общий токоввод 18, при этом каждый формирующий электрод 17 размещен вокруг соответствующего ленточного катода 13; управляющие электроды 19, выполненные полыми и электрически связанные между собой и общим токовводом 20; корректирующие электроды 21, которые электрически связаны и имеют общий токоввод 22; по крайней мере, один термодатчик 23 с токовводом 24, размещенный на одном из катодов 13 второй группы электродов.

При этом количество формирующих 5, 17, управляющих 7, 19 и корректирующих 9, 21 электродов в обеих группах соответствует количеству катодов 1, 13 и они размещены осесимметрично относительно соответствующего им катода.

Кроме того, плоскопараллельный вариант конструкции двуполярного ЭЛВ предусматривает размещение катодов 1 первой группы электродов попарно с катодами 13 второй группы электродов и соответствующими им формирующими 5 и 17, управляющими 7 и 19, корректирующими 9 и 21 осесимметрично по взаимно параллельным осям.

Все электроды удерживаются посредством опорного изолятора 25 внутри общего корпуса 26, в котором поддерживается вакуум посредством нескольких, например, титановых газопоглотителей (не показано) и магнитного электроразрядного насоса 27. Электрическое управление электродами двуполярного ЭЛВ осуществляется через токовводы двух систем. Управляющие, формирующие, если они выполнены как показано на фиг.2, и корректирующие электроды выполняются из полых металлических, например из нержавеющей стали, трубок, через которые циркулирует хладагент.

Применение термокатодов, работающих в режиме пространственного заряда, является основным путем решения задачи по созданию долговечного импульсного ЭЛВ. Известно, что для повышения отбора тока с катода необходимо иметь электронную оптику с высоким первеансом, например щелевую с ленточными термокатодами.

Сильноточная конструкция двуполярного ЭЛВ, показанная на фиг.1, предполагает соединение нескольких высокопервеансных блоков, каждый из которых включает в себя по одному ленточному катоду 1 и 13, взятых из первой и второй групп электродов, и размещенные между ними соответствующие им формирующие 5, 17, управляющие 7, 19, корректирующие 9, 21 электроды, расположенные осесимметрично вдоль прямолинейной оси. При этом состоящие из элементов двух групп электродов блоки размещены по взаимно параллельным осям, что позволяет повысить амплитуду протекающих токов и снизить внутреннее сопротивление вентиля. На фигуре условно изображены ленточные термокатоды с вогнутой поверхность, однако практически катоды могут иметь любую форму, например плоскую или выпуклую (на фиг. не показано).

Плоскопараллельная конструкция вентиля допускает также вариант расположения корректирующих электродов второй группы электродов между управляющими и корректирующими электродами первой группы электродов (на фиг. не показано), что снижает напряжение на корректирующем электроде, соответственно повышается надежность работы устройства питания корректирующего электрода, однако несколько снижает максимальное значение коммутируемого тока.

На фиг. 2 для лучшего понимания работы коммутатора на основе плоскопараллельной конструкции ЭЛВ показаны траектории формирующихся в процессе эксплуатации вентиля сфокусированного 28 и расфокусированного 29 электронных пучков.

Возможен вариант конструкции ЭЛВ (фиг.3 и фиг.4), когда ленточные катоды 1 и 13 соответственно первой и второй групп электродов попеременно расположены по образующим цилиндра и равноудалены друг от друга, что позволяет уменьшить габариты прибора при сохранении всех его электрических характеристик. При этом катоды и соответствующие им формирующие, управляющие и корректирующие электроды каждой группы размещены по радиальным осям. На фиг.3 представлено поперечное сечение коммутатора, где показаны траектории формируемых в процессе работы цилиндрического двуполярного многолучевого ЭЛВ с шестью ленточными катодами электронных пучков 28, которые проходят в области центральной оси вентиля без расщепления. На фиг.4 представлено поперечное сечение коммутатора, где показаны траектории сформированных в процессе работы цилиндрического двуполярного многолучевого ЭЛВ с восемью ленточными катодами электронных пучков 28, которые проходят в области центральной оси вентиля с расщеплением.

Использование варианта цилиндрической конструкции ЭЛВ с числом катодов, равным шести, снижает требование к точности установки элементов первой и второй групп электродов для получения повторяющейся для всех пар катодов схемы транспортировки электронных пучков 28 по сравнению с вариантом цилиндрической конструкции ЭЛВ с числом катодов, равным восьми. Однако на оси цилиндрической конструкции, показанной на фиг.3, при очень большой плотности электронного пучка 28 из-за пространственного заряда может возникнуть существенная неуправляемая расфокусировка, что ограничивает количество катодов, расположенных по периметру такой конструкции. ЭЛВ (фиг.4) с расщеплением пучка не имеет этого недостатка, так как образующийся пространственный заряд на оси такой цилиндрической конструкции способствует расщеплению пучка. Токовводы первой и второй групп электродов в любой цилиндрической конструкции расположены соответственно с противоположных торцов цилиндра, что повышает электрическую прочность прибора.

Магниторазрядный насос 27 может быть выведен на один из торцов, а его электроды желательно не соединять ни с одним из электродов двуполярного ЭЛВ, чтобы не усложнять работу устройства питания насоса 27.

Все описанные выше варианты конструкций двуполярного ЭЛВ предусматривают наличие двух групп электродов, которые имеют определенную последовательность электродов, обращены навстречу друг другу так, что формирующие, управляющие и корректирующие электроды обеих групп размещены между их катодами, помещены в общий корпус и формируют ЭОС указанного ЭЛВ с пролетными каналами для транспортировки пучков электронов от катодов одной группы электродов к катодам другой группы.

Представленное на фиг. 5 устройство для ЗПП нагрузки 30 (например, реакторной камеры) содержит: коммутатор 31, выполненный на основе двуполярного ЭЛВ, с первой системой токовводов 3, 4, 6, 8, 10, 12 и второй системой токовводов 15, 16, 18, 20, 22, 24 для управления электродами соответственно первой и второй групп электродов ЭОС вентиля; источник однополярного напряжения питания 32 с потенциальной К1 и нулевой К2 выходными клеммами; блок управления 33 с выходами "ЗАПУСК 1" и "ЗАПУСК 2" для первой и второй группы электродов соответственно; блоки питания 34 и 35 управляющих электродов для первой и второй группы электродов соответственно, выполненные, по крайней мере, с входами запуска; усилители термоЭДС 36 и 37 для первой и второй группы электродов ЭОС соответственно; автоматически регулируемые по управляющим входам блоки питания 38 и 39 нагревателей для первой и второй группы электродов ЭОС соответственно; автоматически регулируемые по управляющим входам блоки питания 40 и 41 корректирующих электродов для первой и второй групп электродов ЭОС соответственно; зарядная индуктивность 42; разрядная индуктивность 43; электростатический накопитель 44, который может быть выполнен в виде накопительного конденсатора, что предусмотрено на фиг.5, или линии задержки.

При этом блок управления 33 своими выходами "ЗАПУСК 1" и "ЗАПУСК 2" связан через соответствующие блоки питания 34 и 35 управляющих электродов с токовводами 8 и 20 коммутатора 31 соответственно. Кроме того, каждый из двух усилителей термоЭДС 36 и 37 на входе связан соответственно с токовводами 12 и 24 коммутатора 31, а на соответствующих выходах - с управляющими входами соответственно блоков питания 38, 39 нагревателей и блоками питания 40, 41 корректирующих электродов, которые на выходе присоединены соответственно к токовводам 4, 10 первой группы электродов и к токовводам 16, 22 второй группы электродов коммутатора 31. Причем блок питания 34 управляющих электродов, усилитель термоЭДС 36, блок питания 38 нагревателей, блок питания 40 корректирующих электродов, токовводы 3 и 6 коммутатора 31 связаны через общую точку К3 для первой группы электродов с накопительной емкостью 44 и через зарядную индуктивность 42 с потенциальной клеммой К1 источника 32. Аналогично для второй группы электродов блок питания 35 управляющих электродов, усилитель термоЭДС 37, блок питания 39 нагревателей, блок питания 41 корректирующих электродов, токовводы 15, 18 коммутатора 31 связаны через общую точку К4 (которая является первой выходной клеммой для подсоединения нагрузки 30) с одним концом разрядной индуктивности 43. Кроме того, источник однополярного напряжения питания 32 через нулевую клемму К2 (которая является второй выходной клеммой для подсоединения нагрузки 30) связан с включенным параллельно ему накопительным конденсатором 44 и другим концом разрядной индуктивности 43.

На фиг.7 представлено устройство для ЗПП нагрузки с конкретным вариантом выполнения его узлов, который предусматривает применение элементов оптической связи, не являющихся предметом изобретения.

Блоки питания 34 и 35 управляющих электродов, на выходе связанные соответственно с токовводами 8 и 20 управляющих электродов 7 и 19 первой и второй групп электродов общей ЭОС вентиля 31, выполнены аналогично и содержат соответственно: формирователь световых импульсов 45, 46; формирователь импульсов отпирания ЭЛВ 47, 48 (с входами запуска и блокировки по предельному значению температуры хладагента); источник напряжения запирания 49, 50 (с оптическими входами управления и блокировки); силовой оптосимистор 51, 52; резистор утечки 53, 54; конденсатор связи 55, 56.

Блоки питания 38 и 39 нагревателей, связанные соответственно токовводами 4 и 16 с нагревателями 2 и 14 первой и второй групп электродов ЭОС вентиля 31, выполнены идентично и содержат соответственно: трансформатор питания 57, 58; силовой оптосимистор 59, 60; реактор 61, 62; формирователь световых импульсов 63, 64; блок изменения фазы импульсов управления оптосимисторами 65, 66 (с электрическим управляющим и оптическим блокирующим входами); усилитель рассогласования 67, 68; источник опорного напряжения 69, 70 (с возможностью плавной установки напряжения).

Блоки питания 40 и 41 корректирующих электродов, связанные соответственно токовводами 10 и 22 с корректирующими электродами 9 и 21 первой и второй групп электродов вентиля 31, выполнены также идентично и содержат соответственно: усилитель рассогласования 71, 72; источник опорного напряжения фокусировки 73, 74 (с возможностью плавной установки напряжения); регулятор изменения потенциала фокусировки 75, 76; источник питания корректирующего электрода 77, 78 (с электрическим управляющим и оптическим блокирующим входами); конденсатор фильтра низких частот 79, 80.

При этом коммутатор 31 выполнен в виде двуполярного ЭЛВ, снабжен электрическим магниторазрядным насосом 27, который связан с источником питания 81. Причем источник питания 81 насоса 27, соединенный с нулевой клеммой К2, при превышении рабочего тока предельно заданного значения выдает сигнал на формирователь световых импульсов 82 (выполненный, например, с шестью оптическими выходами).

Также предусмотрено наличие в устройстве блока контроля 83 температуры хладагента с выходами "БЛОКИРОВКА 1" и "БЛОКИРОВКА 2", соединенного с нулевой клеммой К2 и предназначенного для блокировки формирователей импульсов запирания 47, 48 при превышении предельного значения температуры хладагента.

Причем в блоке 34 формирователь импульсов отпирания 47 связан входом запуска с выходом "ЗАПУСК 1" блока управления 33, а выходом - с входом формирователя световых импульсов 45. При этом оптосимистор 51, шунтирующий резистор утечки 53 и связанный одним из силовых концов с общей для первой группы электродов ЭОС вентиля 31 точкой К3, другим силовым концом через конденсатор 55 подсоединен к токовводу 8. Кроме того, источник напряжения запирания 49, связанный с общей для первой группы электродов ЭОС точкой К3, на выходе также соединен с токовводом 8.

Аналогично в блоке 35 формирователь импульсов отпирания 48 связан входом запуска с выходом "ЗАПУСК 2" блока управления 33, а выходом - с входом формирователя световых импульсов 46. При этом оптосимистор 52, шунтирующий резистор утечки 54 и связанный одним из силовых концов с общей для второй группы ЭОС вентиля 31 точкой К4, другим силовым концом через конденсатор 56 подсоединен к токовводу 20. Кроме того, источник напряжения запирания 50, связанный с общей для второй группы электродов ЭОС точкой К4, на выходе также соединен с токовводом 20.

В блоке питания 38 нагревателей для первой группы электродов ЭОС вентиля 31 сигнал от усилителя термоЭДС 36 поступает на один из входов усилителя рассогласования 67, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 69. При этом выход указанного выше усилителя 67 связан с электрическим входом блока изменения фазы 65, выход которого соединен с формирователем световых импульсов 63. Кроме того, трансформатор 57, связанный одним концом вторичной обмотки с общей для первой группы электродов ЭОС точкой К3, вторым концом вторичной обмотки соединен с одним из силовых вводов оптосимистора 59, который другим своим силовым вводом через реактор 61 подсоединен к токовводу 4 нагревателей 2 вентиля 31.

Аналогично в блоке питания 39 нагревателей для второй группы электродов ЭОС вентиля 31 сигнал от усилителя термоЭДС 37 поступает на один из входов усилителя рассогласования 68, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения 70. При этом выход указанного выше усилителя 68 связан с электрическим входом блока изменения фазы 66, выход которого соединен с формирователем световых импульсов 64. Кроме того, трансформатор 58, связанный одним концом вторичной обмотки с общей для второй группы электродов точкой К4, вторым концом вторичной обмотки соединен с одним из силовых вводов оптосимистора 60, который другим своим силовым вводом через реактор 62 подсоединен к токовводу 16 нагревателей 14 вентиля 31.

Дополнительно введенный в устройство (фиг.7) блок контроля температуры 83 хладагента выходом "БЛОКИРОВКА 1" соединен с входом блокировки формирователя импульсов отпирания 47, а выходом "БЛОКИРОВКА 2" - с входом блокировки формирователя импульсов отпирания 48.

В блоке питания 40 корректирующих электродов для первой группы электродов ЭОС вентиля 31 сигнал от усилителя термоЭДС 36 поступает на вход усилителя рассогласования 71, опорный вход которого связан с источником опорного напряжения фокусировки 73. При этом выход усилителя рассогласования 71 через регулятор потенциала фокусировки 75 соединен с регулирующим входом источника питания 77 корректирующих электродов, выход которого связан с токовводом 10 вентиля 31 и с одним из вводов конденсатора фильтра нижних частот 79, связанного другим своим вводом с общей для первой группы электродов точкой К3.

Аналогично в блоке питания 41 корректирующих электродов для второй группы электродов ЭОС вентиля 31 сигнал от усилителя термоЭДС 37 поступает на вход усилителя рассогласования 72, опорный вход которого связан с источником опорного напряжения фокусировки 74. При этом выход усилителя рассогласования 72 через регулятор потенциала фокусировки 76 соединен с регулирующим входом источника питания 78 корректирующих электродов, выход которого связан с токовводом 22 вентиля 31 и с одним из вводов конденсатора фильтра нижних частот 80, связанного другим своим вводом с общей для второй группы электродов точкой К4.

Наряду с электрическими связями в представленном варианте устройства используются волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) 84 и 85, 86 и 87, 88 и 89 между формирователем световых импульсов 82 и блокирующими входами соответственно источников питания 77 и 78 корректирующих электродов, блоков изменения фазы импульсов управления 65 и 66, а также источников напряжения запирания 49 и 50.

Кроме того, ВОЛС 90 соединяет формирователь световых импульсов 45 блока 34 с оптосимистором 52 блока 35, а ВОЛС 91 соединяет указанный формирователь 45 с управляющим входом источника напряжения запирания 49 того же блока. Аналогично ВОЛС 92 соединяет формирователь световых импульсов 46 блока 35 с оптосимистором 51 блока 34, а ВОЛС 93 соединяет указанный формирователь 46 с управляющим входом источника напряжения запирания 50 того же блока.

В блоке 38 ВОЛС 94 соединяет формирователь световых импульсов 63 с оптосимистором 59. Аналогично в блоке 39 ВОЛС 95 соединяет формирователь световых импульсов 64 с оптосимистором 60.

Работу двуполярного ЭЛВ удобнее рассмотреть на примере конструкции, показанной на фиг.2, где используются две группы электродов, выполненные идентично с одним термокатодом, размещенные в корпусе навстречу друг другу и формирующие общую ЭОС. При включении вентиля к токовводам 3, 4 и токовводам 15, 16 нагревателей 2 и 14 катодов 1 и 13 соответственно из первой и второй групп электродов ЭОС прикладываются необходимые потенциалы. Оксидные поверхности катодов 1 и 13, запертых отрицательными потенциалами по управляющим электродам 7 и 19 соответственно, при достижении рабочей температуры начинают излучать электроны. Под действием электрического поля, созданного внешними источниками, например, положительным потенциалом, приложенным к катоду 13, система из формирующего 5, управляющего 7, корректирующих 9, 21 электродов, начинает формировать сфокусированный 28 или расфокусированный 29 электронный пучок, транспортируемый от катода 1 через пролетное пространство между катодами 1 и 13 к катоду 13, который выполняет для приложенной в данный момент полярности роль анода. Таким образом, электрическая цепь от катода 1 до катода 13 замыкается. Если температура катода 13 не превышает допустимого значения, то пучок следует по траектории сфокусированного пучка 28, а если мощность падающего пучка электронов начинает перегревать катод 13, то пучок расфокусируется с помощью корректирующих электродов 9, 21 и направится по траектории расфокусированного пучка 29. При этом температура катодов 1, 13 отслеживается с помощью термодатчиков 11, 23 (например, термопарных), которыми снабжены катоды 1, 13. При изменении полярности напряжения, приложенного между катодами 1 и 13, направленность пучка электронов инвертируется, так как теперь система электродов, состоящая из формирующего 17, управляющего 19 и корректирующих 21, 9 электродов, начинает формировать и транспортировать пучок электронов от катода 13 в обратном направлении через пролетное пространство между катодами 13 и 1. Изменение температуры катода 1, отслеживаемое термодатчиком 11, с помощью средств автоматического управления влияет на степень фокусировки электронного пучка.

Таким образом, двуполярность проводимости предлагаемого ЭЛВ достигается тем, что в одной вакуумной колбе (корпусе) располагаются две группы электродов, управляемые независимо, расположенные навстречу друг другу (например, напротив друг друга) и формирующие при перемене полярности напряжения между катодами 1, 13 встречные электронные пучки 28 или 29. Эти группы электродов содержат катоды 1, 13 с термодатчиками 11, 23 (например, термопарами), а также формирующие 5, 17, управляющие 7, 19 и корректирующие 9, 21 электроды, которые образуют ЭОС вентиля.

При этом в качестве анода поочередно используется тот из катодов 1, 13, к которому приложен положительный потенциал, например катод 13. В этом случае мощность, выделяющаяся при торможении электронного пучка на этом катоде 13, используется как мощность электронного подогрева его оксидной поверхности. При переполюсовке в качестве анода выступает оксидная поверхность катода 1, расположенного напротив, а катод 13, нагретый ранее, является источником электронов.

В зависимости от мощности электронного подогрева, выделяющейся при торможении пучка, возможно полное или частичное отключение нагревателей 2 и 14. С помощью автоматического управления, осуществленного в предлагаемом устройстве (фиг.5), непрерывно поддерживается оптимальный температурный режим катодов 1, 13. Их температура измеряется с помощью термодатчиков 11, 23, например термопар. Температура катодов 1, 13 может изменяться либо путем изменения мощности, выделяемой нагревателями 2, 14, либо путем изменения плотности среднего тока тормозящегося электронного пучка. В свою очередь плотность среднего тока тормозящегося электронного пучка изменяется путем изменения степени его фокусировки на оксидной поверхности того катода, который выполняет при данной полярности роль анода.

Для поддержания температуры, например, катода 13 (фиг.2), к которому приложен положительный потенциал, по нижнему пределу (например, в дежурном режиме) используется нагреватель 14. При дополнительном нагреве катода 13 за счет торможения электронного пучка мощность, выделяемая нагревателем 14, постепенно уменьшается вплоть до полного отключения последнего. Если даже после отключения нагревателя 14 температура катода 13 продолжает повышаться (при большой частоте повторения), то для ее дальнейшего снижения осуществляется расфокусировка тормозящегося электронного пучка на управляющий электрод 19 соответствующей группы электродов.

При снижении мощности падающего пучка (например, из-за снижения частоты коммутируемых импульсов) температура катода 13 начинает снижаться. В этом случае сначала повышается степень фокусировки пучка на катоде 13, выполняющем в данный момент времени функции анода. Если и в этом случае мощности тормозящегося пучка при оптимальной фокусировке оказывается не достаточно для поддержания рабочей температуры катода 13, то постепенно начинает повышаться мощность нагревателя 14 до тех пор, пока температура катода 13 вновь не достигнет рабочей величины. Т.е. с помощью соответствующей системы управления осуществляется автоматическое удержание оптимальной температуры катода 13 во всем диапазоне рабочих частот коммутации, от дежурного режима до максимальной.

При перемене полярности напряжения, приложенного между катодами 1, 13, функцию анода начинает выполнять катод 1 и процесс поддержания его температуры (при изменении коммутируемой мощности) аналогичен рассмотренному выше. При этом расфокусировка электронного пучка осуществляется на управляющем электроде 7 соответствующей группы электродов.

Использование попеременно катодов 1, 13 в качестве анода позволяет воспользоваться мощностью, выделяющейся при торможении электронных пучков, в качестве мощности подогрева катодов предлагаемого коммутатора на основе двуполярного ЭЛВ, что повышает его экономичность. Возможность осуществлять не зависимую от полярности приложенного напряжения управляемую коммутацию расширяет область применения прибора. Отказ от дорогостоящих материалов анодных электродов снижает себестоимость вентиля.

Повышение надежности вентиля достигается тем, что используется автоматическое отслеживание температуры катодов в зависимости от величины среднего тока через вентиль, при этом изменяется мощность, подводимая к нагревателям, что повышает надежность нагревателей и катодов.

Для подтверждения достижения указанного технического результата рассмотрим пример конкретной реализации вентиля, например, на хорошо известных ленточных термокатодах типа "Тираж" (0,5 см•20 см), которые имеют поверхность 10 см².

При плотности отбираемого с катода тока, равной 2 А/см², при длительности импульса 50 мкс и среднем токе до 0,1 А/см² можно получить срок службы до 10000 ч [4, 5]. Для получения импульсного тока амплитудой 200 А необходимо иметь площадь катода не менее 200 см², соответственно для этого должно быть десять таких катодов, включенных параллельно на каждую полярность, а вся ЭОС потребует двадцать катодов.

Например, для ориентировочного расчета мощности анода Р_а, выделяемой на катоде при использовании его в режиме анода, зададимся ниже следующими исходными данными. При коммутации напряжения U=20 кВ, токе в импульсе I=200 А, длительности импульса t=30 мкс, частоте повторения F=300 Гц, минимально возможном падении напряжения на открытом приборе dU=1000 В определим среднюю мощность потерь Р_а на аноде при 100% использовании падающего электронного пучка:
P_a=dU•I•F•t=300•200•300•0,00003=1800 Вт.

Однако из-за потерь тока при рассеянии электронов или др. мощность будет ниже. Тем не менее мощность накала можно существенно снизить. Например, для катодов типа "Тираж" напряжение накала U=24 B, ток накала I=4,4 А, мощность накала одного блока Р=24•4,4=105 Вт. Чтобы в этом режиме нагреть 10 таких катода, необходима мощность P_Σ=1050 Вт.

Следовательно, полная мощность, падающая на два анода, будет составлять 5700 Вт (3600 Вт на анодах и 2100 Вт на нагревателях). Если использовать два вентиля с двуполярной проводимостью, то мощность потерь будет представлять собой разницу между мощностями, то есть 1500 Вт (вместо 5700). Избыток мощности (1500 Вт) можно отводить посредством циркуляции хладагента внутри полых электродов при расфокусировке пучка. Т.е. в предложенном примере нагреватели можно вообще отключить.

Конструкция ЭОС предложенного вентиля, состоящая из двух групп электродов, расположенных по образующим цилиндра Фарадея, обеспечит хорошее формирование электронных пучков и их транспортировку без существенных потерь энергии на управляющих и корректирующих электродах в пролетных каналах при малом проценте торможения.

В вентиле кроме не распыляемых (например, титановых) газопоглотителей используется магнитный электроразрядный насос, способствующий поддержанию необходимого вакуума и одновременно являющийся датчиком глубины вакуума. Применение магнитного электроразрядного насоса уменьшает количество ионов, образующихся в результате взаимодействия электронного пучка с газами, уменьшает интенсивность ионной бомбардировки эмиссионного слоя катодов, их распыление, что также способствует увеличению длительности работы прибора.

Таким образом, совокупность отличительных признаков предлагаемого коммутатора на основе двуполярного ЭЛВ в сравнении с вентилем-прототипом обеспечивает:
- более высокую экономичность в потреблении энергии нагревателями за счет использования энергии тормозящегося электронного пучка на катоде, выполняющего функции анода;
- более широкую область применения по сравнению с однополярными ЭЛВ, например, при выборочной коммутации знакопеременного напряжения после инвертора;
- снижение себестоимости вентиля за счет отказа от использования дорогостоящих медных анодов.

Для пояснения принципа работы источника ЗПП нагрузки, например РК, рассмотрим блочную электрическую схему устройства питания, показанную на фиг.5. Первоначально с помощью блоков 38, 39 включаются нагреватели 2, 14 ЭЛВ 31 через токовводы 3, 4 и 15, 16 соответственно и температура катодов 1, 13 достигает рабочего значения. Далее, при отсутствии отпирающих напряжений на управляющих электродах ЭЛВ 31 закрыт и напряжение от источника униполярного питания 32 через зарядную индуктивность 42 обеспечивает заряд накопительного конденсатора 44 (условно предполагаем, что источник питания 32 выдает положительный потенциал). В исходном состоянии вентиль 31 находится в ждущем режиме.

При подаче, например, на блок 35 сигнала от блока управления 33 вентиль 31 открывается и положительный потенциал конденсатора 44 прикладывается к разрядной индуктивности 43, включенной параллельно нагрузке 30 (например, РК). На нагрузке 30 формируется положительный импульс напряжения. Разряд конденсатора 44 осуществляется по резонансной кривой и через полпериода происходит перезаряд конденсатора 44. Далее к вентилю 31 приложено уже отрицательное, по отношению к первоначальному, напряжение конденсатора 44. На блок 34 от блока 33 также поступает отпирающий импульс, и вентиль 31 снова восстанавливает свою проводимость, но при этой полярности напряжения анодом является катод 13, а на нагрузке 30 формируется отрицательный импульс напряжения. Разряд переполюсованного конденсатора 44 также происходит по резонансной кривой и через полпериода снова переполюсовка. Так, процесс колебательного перезаряда продолжается до те пор, пока вентиль 31 не закроется. На нагрузке 30 при этом будет формироваться напряжение ЗПП. Величина зарядной индуктивности 42 выбирается настолько большой величины, чтобы ее ток не оказывал влияния на процесс формирования знакопеременных импульсов на нагрузке 30. Во время паузы между пачками знакопеременных импульсов потенциал конденсатора 44 восстанавливает первоначальное значение через зарядную индуктивность 42.

Автоматическое отслеживание температуры катодов и необходимое изменение мощности нагревателей, а также степени фокусировки электронного пучка на катоде с функцией анода осуществляются в устройстве для ЗПП нагрузки за счет введения в него для каждой группы электродов из ЭОС вентиля соответствующих усилителей термоЭДС 36, 37, автоматически регулируемых блоков питания 38, 39 нагревателей и автоматически регулируемых блоков питания 40, 41 корректирующих электродов. Снабжение катодов каждой из групп электродов ЭОС вентиля, по крайней мере, одним электрически связанным с соответствующим усилителем термоЭДС в устройстве для питания нагрузки термодатчиком, а также наличие автоматически управляемых с помощью указанных выше усилителей термоЭДС блоков питания нагревателей и корректирующих электродов независимо для каждой группы электродов ЭОС делают возможным обеспечить экономичный (энергетически выгодный) режим эксплуатации двуполярного ЭЛВ.

Для пояснения принципа автоматического регулирования температуры катодов вентиля 31 с помощью устройства для питания нагрузки рассмотрим циклограмму на фиг. 6 при коммутации симметричного знакопеременного напряжения. На циклограмме приведены четыре временные зависимости, отражающие режим работы основных узлов: а) изменение температуры катодов; б) изменение напряжения на нагревателях; в) изменение напряжения на корректирующих электродах; г) изменение мощности, коммутируемой вентилем.

Рассматриваются 10 точек изменения режимов работы вентиля 31. От точки 0 до точки 2 вентиль входит в исходный температурный режим. От точки 2 до точки 4 вентиль 31 работает в режиме коммутации повышенной мощности. От точки 4 до точки 5 вентиль переходит в режим коммутации пониженной мощности. От точки 5 до точки 6 вентиль работает в режиме коммутации пониженной мощности. От точки 6 до точки 9 вентиль находится в ждущем режиме без коммутации. В точке 9 вентиль отключается от питания. От точки 9 до точки 10 вентиль остывает до температуры окружающей среды (ниже исходного температурного режима).

Значение точек следующее:
точка 0 - включение нагревателей 2, 14 катодов 1, 13 вентиля 31;
точка 1 - напряжение нагревателей 2, 14 катодов 1, 13 достигает номинального значения (фиг. 6б) и одновременно начинается подъем напряжения на корректирующих электродах 9, 21 соответственно до своего номинального значения (фиг.6в);
точка 2 - температура катодов 1, 13 достигла минимально допустимого значения, при котором катоды начинают работать в режиме пространственного заряда (фиг.6а), и одновременно напряжение на корректирующих электродах 9, 21 достигло своей номинальной величины (фиг.6в), включается блок управления 33, формирующий знакопеременное напряжение на нагрузке 30, и вентиль 31 начинает пропускать через себя ток (фиг.6г), осуществляя, например, коммутацию максимальной мощности Р_макс, начинается снижение напряжения питания нагревателей 2, 14 пропорционально повышению температуры катодов 1, 13 (фиг.6б);
точка 3 - при температуре катодов 1, 13, равной среднему значению, напряжение на нагревателях 2, 14 становится равным нулю (фиг.6б) и одновременно начинается повышение напряжения на корректирующих электродах 9, 21 (фиг.6в) пропорционально повышению температуры катодов 1, 13 (начинается расфокусировка пучка), однако температура катодов 1, 13 продолжает повышаться (фиг. 6а);
точка 4 - температура катодов 1, 13 достигла своей максимальной величины (фиг.6а), и если не снизится мощность коммутации, то вентиль отключится, при этом напряжение на корректирующих электродах (фиг.6в) достигнет своего максимального значения (обеспечивая максимальную степень расфокусировки пучка), а далее немного снижается мощность коммутации (фиг.6г), что соответственно вызывает снижение температуры катодов 1, 13 (фиг.6а), и дополнительно начинает снижаться напряжение (фиг.6в) на корректирующих электродах 9, 21 (пучок начинает сжиматься, фокусируясь на катоде);
точка 5 - мощность коммутации Р_ном достигла номинального значения (фиг. 6г) и одновременно стабилизировался потенциал на корректирующих электродах 9, 21 (фиг. 6в), а также стабилизировалась температура катодов 1, 13 (фиг. 6а);
точка 6 - блок управления 33 отключил вентиль 31 (фиг.6г) и перевел его в ждущий режим, одновременно напряжение на корректирующих электродах 9, 21 (фиг. 6в) начало снижаться, стремясь установить напряжение, соответствующее наилучшей фокусировке пучка, но так как тока нет, то температура катодов 1, 13 продолжает снижаться (фиг.6а);
точка 7 - температура катодов 1, 13 достигла половинного значения внутри допустимого диапазона (фиг.6а) и одновременно начало подниматься напряжение на нагревателях 2, 14 (фиг. 6б), при этом напряжение на корректирующих электродах 9, 21 (фиг.6в) достигло номинального значения (обеспечивающего наилучшую фокусировку пучка);
точка 8 - температура катодов 1, 13 достигла минимально допустимого значения (фиг. 6а) и одновременно напряжение на нагревателях 2, 14 достигло максимального значения (фиг.6б);
точка 9 - отражает одновременное отключение вентиля 31 и его нагревателей 2, 14 от сети (фиг.6б), при этом температура катодов 1, 13 снижается, стремясь к температуре окружающей среды (фиг.6а), а напряжение на корректирующих электродах 9, 21 (фиг.6в) также снижается, стремясь к нулю;
точка 10 - потенциалы всех электродов вентиля 31 стали равными нулю, а температура катодов 1, 13 достигла температуры окружающей среды.

Управление двуполярным ЭЛВ 31 должно обеспечивать ключевой режим работы вентиля и автоматическое регулирование мощности нагревателей 2, 14 и напряжений на корректирующих электродах 9, 21 в зависимости от температуры катодов 1, 13.

Вариант рабочей схемы предлагаемого устройства для питания нагрузки 30 с применением двуполярного ЭЛВ 31 показан на фиг.7. Включение двуполярного ЭЛВ 31 в работу осуществляется автоматически по алгоритму, обеспечивающему надежность включения, поддержание оптимальной рабочей температуры катодов во всем рабочем диапазоне частоты, защиту от перегрева и устойчивую работу в течение всего срока службы.

Алгоритм управления включает в себя следующий порядок включений:
1 - включаются трансформаторы 57, 58 питания нагревателей 2, 14 катодов 1, 13 соответственно с U₁ и U₂ на их вторичной обмотке, где U₁=U₂, а также источники электропитания всех блоков;
2 - логикой, установленной в блоке питания 81 магниторазрядного насоса 27 через формирователь световых импульсов 82 и ВОЛС 84, 85, 86, 87, 88, 89 осуществляется выдача постоянных сигналов разрешения на включение:
2.1 - оптосимисторов 59, 60 (для подачи питания на нагреватели катодов) по ВОЛС 94, 95 от формирователей 63, 64 соответственно при получении по ВОЛС 86, 87 разрешения на включение от блоков 65, 66;
2.2 - источников напряжения запирания 49, 50, создающих запирающие напряжения управляющих электродов 7, 19 соответственно первой и второй групп электродов, по ВОЛС 88, 89;
2.3 - источников питания 77, 78, создающих напряжения питания корректирующих электродов 9, 21 соответственно первой и второй групп электродов, по ВОЛС 84, 85;
3 - через время, достаточное для достижения температуры катодов 1, 13 оптимального значения (до 3 мин в зависимости от мощности катодов), блок управления 33 может начать выдачу сигналов на снятие напряжений запирания с управляющих электродов 7, 19 (манипуляцию).

После включения источника питания 81 магниторазрядного насоса 27 по величине тока насоса определяется уровень начального вакуума в корпусе 26. Если вакуум в норме (ток магниторазрядного насоса в норме или ниже), то формирователь световых импульсов 82 выдает световые сигналы по ВОЛС 84, 86, 88, 85, 87, 89 на разрешение включения соответственно напряжений накалов U₁, U₂ (через блоки 65, 66), источников напряжений запирания 49, 50 и источников питания 77, 78 корректирующих электродов 9, 21.

Если вакуум ниже нормы (ток магниторазрядного насоса 27 выше нормы), то источник 81 выдаст только сигнал неисправности. Далее будет продолжаться обеспечение питания магниторазрядного насоса с целью восстановления рабочего уровня вакуума. После достижения допустимого уровня вакуума логика источника 81 выдаст сигнал на формирователь световых импульсов 82. Если уровень вакуума длительное время не улучшается, а остается ниже допустимого уровня, то прекращение или продолжение работы устройства определяет оператор.

Источники напряжений запирания 49, 50 выдают отрицательные относительно соответствующих им катодов 1, 13 напряжения на управляющие электроды 7, 19 посредством токовводов 8, 20 вентиля 31.

В первый момент после включения двуполярного ЭЛВ 31 температура его катодов ниже нормы и сигналы с усилителей рассогласования 71, 72 отсутствуют. Регуляторы изменения потенциала фокусировки 75, 76 задают такие напряжения питания источникам 77, 78 через токовводы 10, 22 соответствующим корректирующим электродам 9, 21, при которых осуществляется оптимальная фокусировка электронных пучков, падающих на тот катод, к которому приложено положительное напряжения от конденсатора 44. Конденсаторы фильтров 79, 80 в процессе работы обеспечивают снижение пульсаций напряжения на корректирующих электродах 9, 21 соответственно первой и второй групп электродов вентиля 31 при пульсациях, возникающих во время коммутации знакопеременного напряжения.

Одновременно с термодатчиков 11, 23 по токовводам 12, 24 выдаются напряжения, которые после усиления усилителями 36, 37 сравниваются в усилителях рассогласования 71, 72 с заданными опорными значениями напряжений, соответствующих минимально допустимой температуре катодов, фокусировки источников 73, 74. Сигналы рассогласования с усилителей рассогласования 67, 68 (температуры катодов меньше рабочей) поступают на блоки изменения фаз импульсов управления 65, 66, которые выдают сигналы соответственно на генерирование световых импульсов формирователями 63, 64 синхронно с частотой 100 Гц для возможности изменения фазы импульсов ψ от 0 до 180 угловых градусов за полпериода напряжения с частотой сети (например, 50 Гц), обеспечивающих изменение напряжения (мощности) нагревателей 2, 14 вентиля 31 от нуля до максимального значения.

Под воздействием световых импульсов от формирователей 63, 64 по ВОЛС 94, 95 соответственно оптосимисторы 59, 60 открываются и напряжения U₁, U₂ от трансформаторов 57, 58 через реакторы 61, 62 поступают по соответствующим токовводам 3, 4 и 15, 16 на нагреватели 2 и 14 катодов 1 и 13 вентиля 31.

Фазы световых импульсов управления ψ напряжения питания нагревателей постепенно увеличиваются от ψ₁ до ψ₂, что способствует постепенному увеличению напряжения нагревателей 2, 14 от U_мин до U_макс для обеих групп электродов. Через время, измеряемое 0,5...1 мин, от блоков 65, 66 через формирователи 63, 64 по соответствующим ВОЛС 94, 95 подаются новые значения фаз ψ₃ для включения напряжения накалов U_ном, которые соответствуют номинальным мощностям нагревателей 2, 14. Через некоторое время работы катодов 1, 13 (например, 1. . .3 мин) при номинальных мощностях нагревателей 2, 14, соответствующих напряжениям U_ном, температура катодов достигает минимально допустимого рабочего значения (например, 700^oС).

Значения сигналов с усилителей термоЭДС 36, 37 сравниваются со значениями источников опорного напряжения 73, 74 на усилителях рассогласования 71, 72, и если температуры катодов 1, 13 не превышают среднего значения (например, 750^oС), то усилители 71, 72 выдают сигналы, поступающие на регуляторы 75, 76, и через источники 77, 78 и токовводы 10, 22 разрешают формирование оптимальных напряжений на корректирующих электродах 9, 21, обеспечивая наилучшую фокусировку электронных пучков двуполярного ЭЛВ 31.

Двуполярный ЭЛВ 31 готов к работе и находится в ждущем режиме. При отсутствии импульсов запуска "ЗАПУСК 1", "ЗАПУСК 2" на отпирающих входах формирователей 47, 48 вентиль 31 закрыт и напряжение на нагрузке 30 отсутствует.

При подаче, например, одновременно импульсов управления с выходов "ЗАПУСК 1" и "ЗАПУСК 2" блока управления 33 на отпирающие входы формирователей импульсов 47, 48 последние выдают сигналы на формирователи световых импульсов 45, 46, которые по ВОЛС 91, 93 отпирают источники 49, 50, формируя импульсы отпирания на управляющих электродах 7, 19 (с токовводами 8, 20) соответственно. Одновременно по ВОЛС 90, 92 подают постоянные оптические сигналы, способствующие полному открытию оптосимисторов 52, 51 соответственно, шунтирующих резисторы утечки 54, 53. Т.о. на управляющие электроды 7, 19 (с токовводами 8, 20) обеих групп электродов ЭОС ЭЛВ подан отпирающий потенциал. Двуполярный ЭЛВ 31 открыт для коммутации знакопеременного напряжения.

Под воздействием электрического напряжения, приложенного от конденсатора 44 плюсом к клемме К3, которая является общей точкой для первой группы электродов, катоды 13 (с токовводом 15) второй группы электродов начинают эмитировать электронные пучки, транспортируемые через соответствующие пролетные каналы к катодам 1 (с токовводом 3) первой группы электродов, исполняющим роль анодов.

Торможение электронных пучков на катодах 1 вызывает их дополнительный электронный нагрев. Температура, измеряемая термодатчиком 11 (с токовводом 12) на катодах 1, повышается, что вызывает увеличение напряжения на выходе усилителя термоЭДС 36. Усилитель рассогласования 67 вырабатывает сигнал, который способствует уменьшению напряжения на нагревателях 2 катодов 1. При еще большем нагреве катодов 1 первой группы электродов током пучков с катодов 13 второй группы электродов напряжение термодатчика 11 (с токовводом 12) еще больше возрастет и может дойти до такого уровня, при котором усилитель рассогласования 67 через блок 65, формирователь 63 и оптосимистор 59 вообще практически отключит цепь нагревателей 2 с токовводами 3, 4 от вторичной обмотки с напряжением U₁ трансформатора 57. При этом температура катодов 1 будет равна среднему рабочему значению (например, 750^oС).

Если величина среднего тока катодов 13 второй группы электродов (с токовводом 15) будет продолжать увеличиваться, то температура катодов 1 (с токовводом 3) первой группы электродов будет нарастать и далее. В этом случае сработает усилитель рассогласования 71 согласно источнику опорного напряжения фокусировки 73, напряжение которого пропорционально среднему значению температуры катодов 1, что вызовет начало работы регулятора 75, который изменит потенциал источника питания 77 корректирующих электродов 9 (с токовводом 10) таким образом, чтобы произошла расфокусировка (расширение) пучков на катодах 1 первой группы электродов. В результате пучки будут дополнительно тормозиться поверхностями управляющих электродов 7 (с токовводом 8), а электрическая цепь параллельно основной замкнется еще через конденсатор связи 55 и оптосимистор 53 на катоды 1, выполняющие при данной (положительной) полярности роль анодов.

При еще большем увеличении среднего тока степень расфокусировки возрастет еще больше и постепенно часть этого тока будет протекать через корректирующие электроды 9 (с токовводом 10) и конденсатор фильтра 79. Температура хладагента будет повышаться, и блок контроля температуры 83 хладагента выдаст соответствующий контрольный световой и звуковой сигналы для оператора, что будет соответствовать максимально допустимой температуре катодов 1 (например, 800^oС). Если величина максимального значения среднего тока, превышающего предельно допустимое значение, не снизится, то блок контроля 83 заблокирует входы блокировки формирователей 47, 48 и запретит коммутацию до понижения температуры хладагента до величины, соответствующей верхнему пороговому значению.

Если произойдет уменьшение среднего тока, протекающего через коммутатор 31, то это приведет к уменьшению температуры катодов 1 первой группы электродов. ТермоЭДС термодатчика 11 первой группы электродов начнет уменьшаться, напряжение на выходе усилителя термоЭДС 36 также начнет уменьшаться, и усилитель рассогласования 71 уменьшит сигнал, выдаваемый на регулятор 75, что вызовет такое изменение напряжения источника питания 77, которое способствует улучшению степени фокусировки пучков, падающих на катоды 1. Напряжения фокусировки корректирующих электродов 9 (с токовводом 10) будут изменяться до тех пор, пока степень фокусировки ни вернется к исходному состоянию.

При дальнейшем снижении температуры катодов 1 до порогового уровня, задаваемого источником опорного напряжения 69 нагревателей 2, срабатывает усилитель рассогласования 67. Через блок изменения фазы 65 и формирователь 63 по ВОЛС 94 начнется уменьшение фазы включения импульса управления оптосимистором 59 для повышения амплитуды напряжения нагревателей 2. Если температура будет продолжать уменьшаться, то фаза уменьшиться до такого уровня, при котором напряжение на нагревателях 2 первой группы электродов вернется к исходному значению U_макс.

Известно, что температура оксидных катодов должна находиться в диапазоне 700...800^oС при его работе в импульсном режиме [6].

Изменяется полярность знакопеременного напряжения на накопительном конденсаторе 44 на отрицательное относительно общей нулевой точки значения потенциала, совершенно аналогично осуществляется поддержание в рабочем диапазоне температуры катодов 13 второй группы электродов (с токовводом 15), к которым приложится напряжение положительной полярности.

Практически в процессе реальной работы двуполярного ЭЛВ 31 в составе устройства для ЗПП нагрузки за время одного импульса температура катодов повышается незначительно. Процесс подъема температуры катодов в обеих группах электродов ЭОС осуществляется постепенно и зависит от частоты повторения пачек знакопеременных импульсов.

Следовательно, чем больше частота повторения, тем выше выделяемая падающими пучками мощность, а соответственно и температура катодов. Если амплитуды знакопеременных импульсов и конструкции первой и второй групп электродов идентичны, то мощности нагревателей 2 и 14 изменяются практически одинаково и одновременно. Также практически одновременно происходит изменение степени фокусировки встречных электронных пучков при изменении температур катодов обеих групп электродов ЭОС.

Работа обеих групп электродов ЭОС двуполярного ЭЛВ осуществляется совершенно автономно. Т.е. вентиль может избирательно коммутировать на нагрузку импульсы знакопеременного напряжения путем подачи импульсов управления по выходам "ЗАПУСК 1" и "ЗАПУСК 2" от блока управления 33 на соответствующие входы запуска формирователей 47, 48, т.е. осуществлять ограничение количества коммутируемых импульсов.

Таким образом, совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства для питания нагрузки знакопеременным напряжением с использованием двуполярного ЭЛВ по сравнению с устройством-прототипом даст следующие технические преимущества:
- повышение экономичности за счет снижения потребляемой мощности, исключение второго высоковольтного источника питания и снижение стоимости используемого коммутатора;
- уменьшение габаритов и массы устройства, а также себестоимости эксплуатации теплообменных устройств.

Предлагаемая группа изобретений может быть использована в системах пылегазоочистки тепловых электростанций, котельных, цементных заводов и др. объектах повышенного загрязнения окружающей среды продуктами выбросов в атмосферу.

Литература
1. А.С. СССР 367482, кл. Н 01 J 21/10; 1/46, опубл. 23.01.73. Бюл. 8.

2. А.С. СССР 1382493, кл. В 03 С 3/38, опубл. 23.03.88. Бюл. 11.

3. А. С. СССР 947930, кл. Н 01 J 21/10, опубл. 30.07.82 г. Бюл. 28 (Патент, Франция, 2499311, кл. Н 01 J 19/00, 21/14, опубл. 06.08.82 г., 30; Патент, Швейцария, 658749, Н 01 J 21/10, опубл. 28.11.86 г., 22; WO 82/00734, кл. Н 01 J 21/10, опубл. 04.03.82 г.).

4. Срок службы от плотности тока при выбранной температуре оксида. Смирнов В.А., Росковская Л.А., Кондрашов Н.И. Справочник католог по катодам. - М.: Институт "Электроника", 1970 (73).

5. Срок службы от среднего тока при заданном импульсном: Predicting reliability of high-power. Klystrons "E,DN", September, 1965, p. 110, BELL Telephone labs.(91).

6. Кацман Ю. А. Электронные лампы: Теория, основы расчета и проектирования. - М.: Высш. Школа, 1979. - 301 с.

Группа изобретений относится к электронным высоковольтным коммутирующим устройствам на основе электронно-лучевого вентиля (ЭЛВ) и устройствам знакопеременного питания (ЗПП) нагрузки с использованием указанных коммутаторов и может быть использована, например, на тепловых электростанциях для питания пылегазоочистного оборудования, применяемого для очистки отходящих газов. Техническим результатом является создание ЭЛВ с двуполярной коммутацией, который дает возможность отслеживать температурный режим катодов, а также устройства для ЗПП нагрузки, использующего указанный ЭЛВ и способного автоматически управлять тепловым режимом ЭЛВ, что позволит повысить экономичность и надежность устройств. В коммутаторе, выполненном в виде ЭЛВ и содержащем электронно-оптическую систему (ЭОС), состоящую из первой группы электродов, включающей в себя, по меньшей мере, один катод с нагревателями и соответствующее количеству катодов количество полых формирующих, управляющих и корректирующих электродов, размещенных осесимметрично относительно соответствующего катода группы, и соответствующую систему токовводов, ЭОС снабжена второй группой электродов и соответствующей ей системой токовводов. Вторая группа электродов выполнена идентично первой группе электродов, а соответствующие катодам первой и второй групп электродов формирующие, управляющие и корректирующие электроды размещены между катодами обеих групп, кроме того, по крайней мере, один катод в каждой из групп электродов снабжен термодатчиком. В устройстве питания нагрузки знакопеременным напряжением коммутатор выполнен в виде описанного выше ЭЛВ, кроме того, в устройстве предусмотрены первый и второй усилители термоЭДС, первый и второй автоматически регулируемые блоки питания нагревателей, первый и второй автоматически регулируемые блоки питания корректирующих электродов, зарядная и разрядная индуктивности, а также электростатический накопитель. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Коммутатор, выполненный в виде электронно-лучевого вентиля и содержащий корпус, размещенную в нем первую группу электродов, которая состоит, по меньшей мере, из одного снабженного нагревателем катода и соответствующего количеству катодов количества формирующих, управляющих и корректирующих электродов, размещенных осесимметрично относительно соответствующего катода группы, и соответствующую систему токовводов, при этом управляющие электроды выполнены полыми, отличающийся тем, что снабжен второй группой электродов и соответствующей ей системой токовводов, при этом вторая группа электродов выполнена идентично первой группе электродов, а соответствующие катодам первой и второй групп электродов формирующие, управляющие и корректирующие электроды размещены между катодами обеих групп, кроме того, по крайней мере, один катод в каждой из групп электродов снабжен термодатчиком. 2. Коммутатор по п. 1, отличающийся тем, что катоды первой группы электродов попарно с катодами второй группы электродов и соответствующими им формирующими, управляющими и корректирующими электродами размещены по взаимно параллельным осям. 3. Коммутатор по п. 2, отличающийся тем, что корректирующие электроды второй группы электродов размещены между управляющими и корректирующими электродами первой группы электродов. 4. Коммутатор по п. 1, отличающийся тем, что катоды первой и второй групп электродов попеременно размещены по образующим цилиндрической поверхности, при этом катоды и соответствующие им формирующие, управляющие и корректирующие электроды в каждой из групп размещены по радиальным осям. 5. Устройство для питания нагрузки знакопеременным напряжением, содержащее источник однополярного напряжения питания, электрически связанный общей нулевой точкой с одним из концов нагрузки, коммутатор, выполненный в виде электронно-лучевого вентиля с токовводами и электрически соединенный с другим концом нагрузки, первый и второй блоки питания управляющих электродов электронно-лучевого вентиля, а также блок управления, при этом первый и второй блоки питания управляющих электродов на входах запуска связаны с соответствующими выходами блока управления, а на выходах через соответствующие токовводы вентиля - с его управляющими электродами, отличающееся тем, что введены первый и второй усилители термоЭДС, первый и второй автоматически регулируемые блоки питания нагревателей, первый и второй автоматически регулируемые блоки питания корректирующих электродов, зарядная и разрядная индуктивности, а также электростатический накопитель, кроме того, электронно-лучевой вентиль состоит из первой и второй идентичных групп электродов, которые размещены в корпусе, а каждая из групп электродов содержит, по крайней мере, один катод с нагревателем и соответствующее количество осесимметричных относительно соответствующего катода формирующих, управляющих, корректирующих электродов, и снабжена соответствующей системой токовводов, при этом соответствующие катодам первой и второй групп электродов формирующие, управляющие и корректирующие электроды размещены между катодами обеих групп, кроме того, по меньшей мере, один из катодов в каждой группе электродов снабжен термодатчиком, который связан с соответствующим усилителем термоЭДС, а выходы усилителей термоЭДС подключены к управляющим входам соответствующих блоков питания нагревателей и корректирующих электродов, которые соединены через соответствующие токовводы с нагревателями и корректирующими электродами первой и второй групп электродов вентиля, при этом первый и второй усилители термоЭДС, первый и второй блоки питания нагревателей, первый и второй блоки питания корректирующих электродов, первый и второй блоки питания управляющих электродов электрически связаны в соответствующих общих точках с катодами из первой и второй групп электродов, кроме того, общая точка первой группы электродов также связана с потенциальной клеммой источника однополярного напряжения питания через зарядную индуктивность и с одним из вводов электростатического накопителя, второй ввод которого соединен с общей нулевой точкой, а общая точка второй группы электродов соединена с началом разрядной индуктивности, конец которой соединен с общей нулевой точкой.