ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР ДЛЯ ПИТАНИЯ ЁМКОСТНОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 2003 года по МПК H03K7/08 H02M7/12 

Изобретение относится к импульсным источникам питания (например, модуляторам) работающим на емкостную нагрузку с частичным разрядом емкостного накопителя и предназначено для питания электрофильтров или других устройств, имеющих большую долю емкостной составляющей в нагрузке, особенно, когда пробой в нагрузке является штатным, а также в тех случаях, когда на нагрузке постоянно присутствует высокое напряжение (подставка) от какого-либо внешнего источника высокого напряжения, а импульсное накладывается на него.

Анализ известных электрических схем модуляторов показал, что из-за большого падения напряжения на коммутаторе трудно получить импульсы высокого напряжения на емкостной нагрузке, например электрофильтре, электрической емкостью 0,15 мкФ и более, при длительности импульса 20...60 мкс, импульсном напряжении более 20 кВ, напряжении "подставки" более 20 кВ, частоте повторения до 1 кГц, со сроком службы не менее 1000 ч.

Известен источник высокого напряжения для электрического пылеуловителя, выполненный с использованием неуправляемого разрядника, который не позволяет осуществлять длительную работу устройства со сравнительно высокой частотой. Штатные пробои в пылеуловителе могут приводить к периодическому сбою в работе источника [1].

Источник формирует импульсы случайной формы, которая может произвольно изменяться при изменении параметров среды в электрофильтре, имеет сравнительно небольшой срок службы разрядника (при большой частоте повторения). Срок службы разряд - большой срок службы разрядника (при большой частоте повторения). Срок службы разрядника, как правило, оценивается не часами наработки, а количеством срабатываний. Схема не достаточно защищена от электрических пробоев пылеуловителя, имеет низкий КПД и большие потери при штатных пробоях емкостной нагрузки.

Известны также импульсные модуляторы, содержащие источник питания постоянного тока и две последовательно соединенные модуляторные лампы [2, 3, 4]. Такие модуляторы способны обеспечить устойчивую работу, однако модуляторные лампы не в состоянии пропустить токи в сотни ампер за микросекунду. К недостаткам этих модуляторов можно отнести низкий КПД при формировании фронтов, а также сравнительно большое падение напряжения на открытом приборе и пологие фронты сравнительно большой величины при работе на емкостную нагрузку.

В качестве прототипа выбран импульсный модулятор [4], содержащий источник напряжения, питающий две последовательно соединенные модуляторные лампы, зашунтированные диодами, первая из которых анодом подключена к положительной шине источника питания, катодом через индуктивность и емкость к первому вводу нагрузки, а второй ввод нагрузки соединен с общей шиной, вторая лампа присоединена анодом к катоду первой лампы, а катодом к общей шине, первый диод подключен катодом к аноду, а анодом к катоду первой модуляторной лампы, а второй диод подключен катодом к аноду, а анодом к катоду второй модуляторной лампы, второй источник питания положительной полярностью подключен через индуктивность к нагрузке, вторая клемма отрицательной полярности обоих источников питания соединена с общей шиной, генераторы управляющих импульсов подключены к управляющим электродам модуляторных ламп.

Целью настоящего изобретения является повышение КПД модулятора как в штатном режиме работы при преобразования постоянного напряжения в импульсное, так и при любом виде нештатных пробоев в нагрузке, а также повышение КПД электростатического фильтра (пылеуловителя) в целом и снижение стоимости пылеочистки.

Это достигается за счет чрезвычайно малых потерь при формировании фронтов, малого прямого падения напряжения, рекуперации электрической энергии при формировании каждого импульса и во время пробоев в нагрузке, высокой стабильности параметров электрических импульсов в нагрузке независимо от изменения параметров среды в электрофильтре (емкостной нагрузке).

Для этого в импульсный модулятор, содержащий источник питания постоянного тока с накопителем энергии и два последовательно соединенных управляемых коммутатора, анод первого из которых соединен с положительным выводом источника питания, а катод второго - с первым выводом емкостной нагрузки, вводится третий (рекуперационный) коммутатор, содержащий анод и катод, который может быть как управляемым, так и неуправляемым (например, импульсный сильноточный диод), и последовательный разрядный LC-контур, катушка индуктивности которого свободным концом соединена с анодом второго управляемого коммутатора, а свободный конец конденсатора LC-контура подключен к второму выводу нагрузки. Цепь третьего (рекуперационного) коммутатора включена встречно-параллельно цепи второго управляемого коммутатора, анодом к катоду, а катодом к аноду. Между анодом и управляющим электродом первого коммутатора включен резистор. При этом в качестве первого управляемого коммутатора использован прибор с жесткой характеристикой включения (например, электронно-лучевой вентиль или высоковольтный транзистор), от которого не требуются большие импульсные токи, а требуется только очень малое прямое падение напряжения при малых токах и жесткая управляемость. В качестве второго управляемого коммутатора использован прибор с мягкой характеристикой включения, например, импульсный водородный тиратрон или импульсный частотный тиристор, имеющий крайне малое падение прямого напряжения и большие допустимые импульсные токи /см. Справочник по радиолокации под редакцией Сколника. Нью-Йорк, 1970 г. - перевод с английского под общей редакцией К.Н. Трофимова, том 3. Радиолокационные устройства и системы - М.: Сов.Радио, 1978, 528 с./. При этом схема управления первым коммутатором выполнена в виде формирователя импульсов запирающей полярности, а схемы управления вторым и третьим коммутаторами - в виде формирователей импульсов отпирающей полярности. Причем в схему управления третьим коммутатором вводится таймер. Для повышения эффективности работы электрофильтра предложен вариант схемы с двумя катушками индуктивности разрядного LC-контура, одна из которых включена в цепь анода второго управляемого коммутатора, а вторая - в цепь анода третьего коммутатора. В том случае, если напряжение на электрофильтре имеет какое-либо отрицательное постоянное значение "подставки", т.е. параллельно емкостной нагрузке включен источник напряжения, в модулятор вводят рекуперационный диод, подключенный встречно-параллельно первому управляемому коммутатору, анодом к катоду, катодом к аноду. Предлагаемый импульсный модулятор можно назвать резонансным, так как в этом модуляторе емкость нагрузки является частью высокодобротного колебательного контура. Модулятор формирует колоколообразный импульс, состоящий из длительности фронта и среза. Процессы формирования фронта и среза являются резонансными с почти полной рекуперацией всей электроэнергии, не истраченной в емкости нагрузки, обратно в конденсатор связи LC-контура через третий коммутатор. В свою очередь диод, установленный параллельно первому коммутатору, обеспечивает рекуперацию электрической энергии конденсатора связи в накопительный конденсатор источника питания во время штатных (или не штатных) пробоев в электрофильтре (если напряжение на электрофильтре имеет какое-либо отрицательное постоянное значение "подставки"). В этом случае напряжение на конденсаторе связи равно сумме напряжений источника питания модулятора и напряжения "подставки". Дроссель в анодной цепи первого коммутатора обеспечивает формирование зарядного токового импульса конденсатора связи LC-контура. Основные потери электроэнергии происходят в зарядно-разрядной ветвях резонансного силового колебательного контура второго и третьего коммутаторов. Потери в электрофильтре незначительны.

Система управления коммутаторами содержит генератор управляющих импульсов, подключенный к управляющему входу первого и второго коммутаторов, например, через разделительные импульсные трансформаторы. Система управления выдает два начинающихся синхронно прямоугольных импульса управления, первый - малой длительности (единицы мкс) отпирающей полярности на второй коммутатор (например, силовой водородный тиратрон), а второй - значительно большей длительности (десятки, сотни мкс) запирающей полярности на первый коммутатор (например, электронно-лучевую лампу типа ЭЛВ). Включение второго коммутатора через индуктивность формирует фронт импульса на нагрузке, а включение третьего коммутатора через ту же индуктивность обеспечивает формирование среза. Первый коммутатор во время формирования импульса закрыт, а отрывается только во время пауз между импульсами, обеспечивает восстановление и удержание потенциала конденсатора связи на потенциале, предельно близком к потенциалу источника питания.

Для пояснения существа изобретения на фиг.1 приведена силовая электрическая схема импульсного модулятора с неуправляемым рекуперационным коммутатором и одной катушкой LC-контура; на фиг.2 - структурная схема системы управления этой схемой; на фиг.3 - циклограммы, поясняющие работу модулятора; на фиг. 4 - силовая схема варианта модулятора с управляемым рекуперационным коммутатором; на фиг.5 - структурная схема системы управления для этого варианта; на фиг.6 - циклограммы, поясняющие работу схемы с управляемым рекуперационным коммутатором; на фиг.7 - силовая схема варианта модулятора с управляемым рекуперационным коммутатором, позволяющим формировать импульсы с разной длительностью фронта и среза; на фиг.8 - вариант построения модулятора с использованием включаемого по аноду рекуперационного коммутатора на основе управляемого коммутатора.

Силовая электрическая схема импульсного модулятора (фиг.1) содержит коммутатор 1, соединенный катодом с анодом коммутатора 2, параллельно коммутатору 2 подключен рекуперационный коммутатор 3. К точке соединения катода коммутатора 1, катода коммутатора 3 и анода коммутатора 2 подключено начало дросселя 4, к концу которого подключена первая обкладка конденсатора связи 5, вторая обкладка которого подключена к катоду шунтирующего нагрузку выпрямителя 6 (или отрицательному полюсу силового выпрямителя источника униполярного штатного питания 7, если таковой присутствует) и к емкостной нагрузке 8. Между анодом и сеткой коммутатора 1 включен резистор 9, а между анодом и катодом того же коммутатора - рекуперационный диод 10. Диод подключен катодом к аноду, а анодом к катоду коммутатора 1. Далее точка подсоединения анода коммутатора 1, резистора 9 и катода диода 10 подключена к началу дросселя 11, конец которого подключен к первой обкладке конденсатора питания 12 и к катодам диодов выпрямителя 13. Вторая обкладка конденсатора 12 и аноды диодов 13 заземлены, а к выпрямителю 13 подводится высоковольтное питание от источника переменного напряжения 14.

Система управления 15 подключена к управляющему электроду коммутатора 2 через высоковольтный разделительный импульсный трансформатор 16, а к управляющему электроду коммутатора 1 через разделительный импульсный трансформатор 17 с разделительным конденсатором 18.

Система управления 15 (фиг. 2) состоит из задающего генератора 19 (например, на микросхеме 1006ВИ1), импульсного трансформатора 20 (например, ИТ007), силового частотного импульсного тиристора 21 (например, ТЧИ-100), таймера 22 (например, на микросхеме 1006ВИ1), зарядного транзистора 23 (например, КТ828А), источника питания постоянного тока 24 (например, на напряжения +500 В для силовых элементов и +15 В для микросхем), двух конденсаторов 25, 26 с противорезонансными формирующими цепочками 27, 28, двух повышающих импульсных трансформаторов 16 и 17.

Силовая схема модулятора работает следующим образом. Накопитель энергии источника питания 12 заряжается от источника высокого напряжения 14 через высоковольтную диодную сборку 13. Конденсатор связи 5 заряжается через дроссель 11, коммутатор 1 (открытый через резистор 9), дроссель 4, диоды выпрямителя 6 до напряжения, равного напряжению на конденсаторе питания 12. Напряжение, приложенное к коммутатору 2 в прямом направлении и коммутатору 3 в обратном направлении, также становится равным питающему, а напряжение на коммутаторе 1 приближается к нулю. При вышеприведенных потенциалах импульсный модулятор находится в исходном состоянии.

Система управления 15 задает частоту повторения импульсов модулятора, отпирая коммутатор 2 (фиг.3 в) и одновременно запирая коммутатор 1 (фиг.3 г), конденсатор связи 5 оказывается подключенным параллельно емкости нагрузки 8 через дроссель 4, и напряжение на нагрузке 8 быстро возрастает до уровня напряжения, равного или чуть больше напряжения на конденсаторе 5, и устанавливается (фиг. 3 д) - сформировался фронт. Это происходит благодаря резонансному режиму перезарядки емкостей конденсаторов связи 5 и электрофильтра 8 через дроссель 4.

Электрическая емкость конденсатора 5 по отношению к емкости электрофильтра 8 выбирается как можно больше, но из конструктивных соображений ее берут больше только в 3...4 раза.

Одновременно система управления 15 обеспечивает запертое состояние коммутатора 1 в течение всего времени формирования импульса на нагрузке 8 плюс некоторое дополнительное время, необходимое для восстановления не проводящего состояния коммутатора 2 (фиг.3 г).

Во время формирования фронта происходит переполюсовка напряжения на коммутаторах 3 и 2. Появившийся обратный потенциал принудительно запирает коммутатор 2 и отпирает коммутатор 3, обеспечивая протекание обратного тока через дроссель 4, емкость 5 и 8. Происходит формирование среза импульса на нагрузке 8. Напряжение на нагрузке 8 быстро снижается, а напряжение на конденсаторе связи 5 восстанавливается почти до первоначального значения (потеря напряжения связана с активными потерями при прохождении тока через все вышеперечисленные элементы колебательного контура). Срез сформировался.

Далее, через некоторое время определяемое временем запирания управляемого коммутатора 2 снимается запирающее напряжение с коммутатора 1 и напряжение на конденсаторе 5 быстро восстанавливается до исходного значения за счет протекания тока от конденсатора 12 через дроссель 11, коммутатор 1, дроссель 4, диодную сборку 6.

В свою очередь, потенциал конденсатора 12 восстанавливается за счет источника переменного сетевого питания 14 через диодную сборку 13 (допустимо вместо источника переменного тока 14 и диодной сборки 13 иметь источник постоянного напряжения).

Длительность импульса и скорость изменения напряжения на емкости электрофильтра 8 определяется величиной результирующей емкости соединенных последовательно емкостей 5 и 8 и индуктивностью дросселя 4.

В электрофильтре 8 при наличии напряжения "подставки" от источника 7, напряжение на конденсаторе связи 5 равно сумме напряжений подставки и питания модулятора. При любом виде пробоя электрофильтра 8, его емкость закорачивается и к коммутатору 2 и рекуперационному диоду 10 в прямом направлении со скоростью развития пробоя прикладывается быстро возрастающее напряжение. Как только оно превысит напряжение на конденсаторе 12, диод 10 откроется и через него и дроссель 11 потечет "обратный" ток от конденсатора 5 к конденсатору 12 (фиг.3 г). В результате происходит быстрое выравнивание напряжения между конденсатором питания (большой емкости) и конденсатором связи - (малой емкости). Результирующее напряжение на емкости 12 чуть-чуть повышается обратно пропорционально соотношению емкостей 12 и 5. Далее этот потенциал используется при формировании импульсов на нагрузке 8, вследствие чего первые импульсы после пробоя по амплитуде чуть больше генерируемых ранее. Однако результирующее напряжение на нагрузке 8 после пробоя ниже предшествующего, но выше, чем если бы не было пробоя. Более быстрое восстановление напряжения на нагрузке 8 способствует повышению КПД электрофильтра.

Практически при электрической емкости нагрузки электрофильтра 8, равной 0,15 мкФ, емкость конденсатора связи 5 - около 0,4 мкФ, емкость конденсатора 12 источника питания модулятора - около 1,0 мкФ.

Система управления 15 (фиг. 2) работает следующим образом. В исходном состоянии тиристор 21 и транзистор 23 закрыты. При запертом тиристоре 21 первым же пришедшим импульсом транзистор 23 открывается и заряжает накопительные конденсаторы 25, 26 от источника питания 24 через индуктивности формирующих линий 27, 28 и первичные обмотки импульсных трансформаторов 16, 17, и закрывается. При этих условиях система управления находится в исходном состоянии.

Частота повторения импульсов модулятора задается от генератора 19 (фиг.3 а). Тиристор 21 открывается и накопительные конденсаторы 25 и 26 разряжаются на первичные обмотки трансформаторов 16, 17 через противорезонансные формирующие линии 27, 28. Одновременно срабатывает таймер 22 и с выдержкой времени, равной сумме времени формирования импульсов и времени запирания тиристора, выдает импульс на открывание транзистора 23 (фиг.3 б). Длительность этого импульса определяется длительностью времени восстановления напряжения на конденсаторах 25, 26. Открываясь, транзистор 23 восстанавливает потенциалы конденсаторов 25, 26 до исходного значения, и система управления снова находится в исходном состоянии.

Длительность импульса, запирающего коммутатор 1, значительно больше длительности импульса, отпирающего коммутатор 2. Разница в длительностях импульсов, получаемых от системы управления, получается за счет разницы величины электрической емкости конденсаторов 25 и 26 и параметров противорезонансных цепей 27, 28. Чем больше емкость, тем больше длительность.

Если для более эффективной работы электрофильтра требуется увеличение длительности импульса и изменение его из колоколообразной формы в прямоугольную, то в силовую схему вместо диодного неуправляемого коммутатора 3 устанавливается управляемый коммутатор 25 (например, такой же водородный тиратрон как в коммутаторе 2) (фиг.4), а в систему управления (фиг.5) вводится дополнительный таймер 27, разделительный импульсный трансформатор 28, 2-й частотный тиристор 29, зарядный диод 30, конденсатор 31, формирующая линия 32, разделительный трансформатор 33.

Принцип работы варианта модулятора с управляемым рекуперационным коммутатором (фиг.4) от рассмотренного ранее (фиг.1) отличается тем, что при прикладывании обратного напряжения после формирования фронта импульса, коммутатор обратного напряжения 25 включается не сразу (как диодный коммутатор 4), а с выдержкой времени от таймера 27 системы управления 34 (фиг.5). Далее силовая схема и система управления работают аналогично рассмотренной выше, но с некоторыми изменениями, представленными на циклограмме (фиг.6).

Если для еще большего повышения эффективности работы электрофильтра требуется разная длительность фронта и среза, то задача решается путем введения вместо одного - двух дросселей: первого 35, включенного в цепь анода второго управляемого коммутатора 2 и формирующего длительность фронта, и второго 36, включенного в цепь анода рекуперационного коммутатора 25 и формирующего длительность среза (фиг.7). На рассмотренной ранее циклограмме (фиг.6 ж) указана отдельно длительность фронта и среза определяемая дросселями 35, 36 соответственно.

Вместо сильноточного высоковольтного высокочастотного диода используемого в качестве рекуперационного коммутатора 3, возможно использование сильноточного водородного тиратрона, имеющего очень малое прямое падение напряжения. Для этого можно использовать схему с анодным запуском управляемого коммутатора (например, тиратрона ТГИ2500/35) (фиг.8). Для этого используется резистор 37, диод 38, резистор 39, конденсатор 40.

Схема работает следующим образом. При появлении отрицательного напряжения на катоде коммутатора 25, через резистор 37 и диод 38 заряжается конденсатор 40 до амплитуды, равной напряжению включения коммутатора 25. Когда на управляющем электроде коммутатора 25 напряжение достигнет напряжения зажигания, коммутатор включается и с помощью конденсатора 40, формируется штатный ток по управляющему электроду для надежного включения коммутатора 25 (тиратрона) при штатной длительности импульса управления. Включение коммутатора 25 формирует срез импульса модулятора. Резистор 39 обеспечивает равенство потенциалов управляющего электрода и катода коммутатора 25 во время пауз между импульсами.

Источники информации
1. Патент Япония 2-3395, 02.03.83.

2. Патент США 3435378, кл. 332-41, 25.03.1969.

3. А.с. 932610, БИ 20, 30.05.82.

4. Артым А.Д., Бахмутский А.Е., Козин Е.В., Кондратьев М.В., Николаев В. В., Пустовойтовский А.С., Садыков Э.К., Соколов Э.П. Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств; под ред. А.Д. Артымова. - М.: Радио и связь, 1987. - 176 с.: ил.

Изобретение относится к импульсным источникам питания (ИП) с частичным разрядом емкостного накопителя, работающего на емкостную нагрузку (Н), для питания пылеулавливающих электрофильтров. Технический результат заключается в повышении КПД модулятора в штатном и нештатных режимах работы. Импульсный модулятор для питания Н (8) содержит ИП (11-14) последовательно соединенные первый с жесткой и второй с мягкой характеристиками включения управляемые коммутаторы (УК) (1,2) и систему управления (15) с контурами управления (17, 16). Анод (А) УК (1) соединен с положительным, а катод (К) УК (2) - с отрицательным выводами ИП и вторым выводом Н (8), а также рекуперационный коммутатор (РК) (25), включенный встречно-параллельно УК (2). Начало катушки индуктивности (КИ) (35) разрядного LC-контура подключено к А УК (2), к концу КИ (35) подключена первая обкладка конденсатора связи (5), вторая обкладка которого подключена к Н (8). Между А и управляющим электродом УК (1) включен резистор (9). Н (8) зашунтирована диодом (6). 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Импульсный модулятор для питания емкостной нагрузки, содержащий источник питания постоянного тока с накопителем энергии, последовательно соединенные первый и второй управляемые коммутаторы и систему управления с задающим генератором управляющих импульсов, включающую контуры управления первым и вторым управляемыми коммутаторами, причем анод первого управляемого коммутатора соединен с положительным выводом источника питания постоянного тока, катод второго управляемого коммутатора соединен с отрицательным выводом источника питания постоянного тока и вторым выводом емкостной нагрузки, а также рекуперационный коммутатор, включенный встречно-параллельно второму управляемому коммутатору, последовательный разрядный LC-контур, начало катушки индуктивности которого подключено к аноду второго управляемого коммутатора, к концу катушки индуктивности подключена первая обкладка конденсатора связи, вторая обкладка которого подключена к емкостной нагрузке, отличающийся тем, что между анодом и управляющим электродом первого управляемого коммутатора включен резистор, емкостная нагрузка зашунтирована диодом, катод которого соединен со вторым выводом емкостной нагрузки, причем в качестве первого управляемого коммутатора использован прибор с жесткой характеристикой включения, а в качестве второго управляемого коммутатора использован прибор с мягкой характеристикой включения. 2. Импульсный модулятор по п.1, отличающийся тем, что катод первого управляемого коммутатора соединен с анодом второго управляемого коммутатора. 3. Импульсный модулятор по п.1, отличающийся тем, что в цепь анода рекуперационного коммутатора включена катушка индуктивности, формирующая длительность среза импульса, при этом катушка индуктивности последовательного разрядного LC-контура включена в цепь анода второго управляемого коммутатора и формирует длительность фронта импульса. 4. Импульсный модулятор по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что рекуперационный коммутатор выполнен управляемым, при этом в систему управления введен контур управления рекуперационным коммутатором, содержащий таймер. 5. Импульсный модулятор по п.3, отличающийся тем, что рекуперационный коммутатор выполнен управляемым, между катодом и управляемым электродом которого введены параллельно соединенные резистор и конденсатор, а между управляющим электродом рекуперационного коммутатора и катодом второго управляемого коммутатора введена последовательная цепь из диода и резистора. 6. Импульсный модулятор по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что введен рекуперационный диод, подключенный параллельно первому управляемому коммутатору, анодом - к катоду, а катодом - к аноду.