УСТРОЙСТВО ЗАПУСКА И ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОРЕАКТИВНОГО ПЛАЗМЕННОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК F03H1/00 

Изобретение относится к электрореактивной технике, а именно к электрореактивным двигательным установкам на базе плазменных ускорителей.

Известно устройство электропитания электрореактивного плазменного двигателя [1], недостатком которого являются повышенные массогабаритные показатели за счет наличия отдельных преобразователей для электропитания нагревателя катода и электрода поджига, которые включают в себя силовой инвертор, выпрямитель, согласующие трансформаторы и систему управления, а также повышенные пульсации тока потребления и помехи.

Известно устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя [2], содержащее общий преобразователь, состоящий из n нерегулируемых преобразовательных ячеек, соединенных по входу и по выходу параллельно, формирователи тока нагревателя катода и поджигающих импульсов. Недостатком [2] является повышенная потребляемая мощность из-за отсутствия токоограничений при коротком замыкании в нагрузке, а также наличие согласующих трансформаторов, что приводит к увеличению массогабаритных показателей.

Наиболее близким к заявляемому является устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя [3], содержащее один общий преобразователь, состоящий из параллельно работающих преобразовательных ячеек, каждая из которых содержит помимо высоковольтной обмотки для электропитания разряда, еще низковольтную - для электропитания нагревателя катода и электрода поджига. Ячейки по входу включены параллельно, а по выходу - последовательно. Недостатком этого устройства являются большие пульсации и помехи, обусловленные прерыванием входного тока всех ячеек одновременно, из-за чего необходимо увеличивать массу входного фильтра.

Цель изобретения - снижение максимальной потребляемой мощности, уровня электромагнитных помех и массы устройства.

Это достигается тем, что ячейки преобразователя разделены на две группы, в каждой из которых высоковольтные выходы соединены последовательно, а низковольтные выходы, имеющиеся только в ячейках второй группы, соединены параллельно, одна - стабилизирует напряжение разряда, а другая - ток нагревателя катода, причем для стабилизации тока нагревателя катода входной ток второй группы ячеек прерывается одновременно, однако в это время ток разряда отсутствует, поэтому амплитудное значение тока потребления не превышает 15% от расчетного (фиг.1) (0-t₁), а следовательно, не вызывает значительных пульсаций и помех. При появлении повышенной проводимости в канале разряда в режим регулирования переходит только одна из n ячеек, для этого пороги срабатывания ячеек по току разряда выбираются следующим образом:

где i - целое число от 1 до n (количество ячеек);

I_р.макс - максимально допустимый ток разряда в режиме ограничения.

Если ток разряда

то в режиме регулирования будет i-ая ячейка, при этом ячейки, чей номер меньше i - полностью открыты, а ячейки с номерами больше i - закрыты.

Диаграмма тока потребления в этом режиме имеет вид, показанный на фиг.1а (t₁-t₂), а тока разряда - на фиг.1б (t₁-t₂). В заявляемом устройстве максимальная мощность потребления в режиме КЗ в нагрузке меньше, чем в [3], и может быть еще более уменьшена за счет увеличения количества ячеек.

После прожига избыточного газа в разрядной камере, проводимость канала разряда снижается и регулирующее воздействие по току разряда прекращается, а пульсации тока потребления обусловлены только регулирующим воздействием по напряжению разряда (t₂...), осуществляемого на группу ячеек, количество которых определяют из соотношения:

где n - количество ячеек в группе, осуществляющей стабилизацию напряжения разряда,

m - количество ячеек в группе, осуществляющей стабилизацию тока нагревателя катода,

m+n=р - общее количество ячеек преобразователя.

Таким образом, в режиме, когда ток потребления близок к номинальному, его пульсации определяются отношением I_ном/р, т.е. в р раз меньше, чем в [3], а поскольку масса фильтра пропорциональна пульсациям тока потребления, то и она значительно уменьшится.

Устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя (фиг.2) содержит шины питания постоянного тока 1, входной фильтр 2, задающий генератор 3, сигналы с которого поступают на входы преобразовательных ячеек 4₁...4_n и 5₁...5_n, пороговые устройства 6₁...6_n+m, имеющие разные пороги срабатывания по току разряда, выходы которых соединены с входами преобразовательных ячеек. Выходы преобразовательных ячеек 4₁...4_n соединены с первичными обмотками трансформаторов 7₁...7_n, имеющих только высоковольтную вторичную обмотку для электропитания разряда, а выходы ячеек 5₁...5_m соединены с первичной обмоткой трансформаторов 8₁...8_m, имеющих кроме высоковольтной еще низковольтную обмотку для электропитания нагревателей катодов HK₁, HK₂ и электродов поджига ЭП₁, ЭП₂. Высоковольтные обмотки всех преобразовательных ячеек соединены со входами суммирующего по напряжению выпрямителя 9, выходы которого через ограничивающий дроссель 10, магнитную катушку МК и датчик тока разряда 11 соединены с анодом А и общей точкой катодов K₁, К₂ двигателя 12, а низковольтные обмотки m ячеек соединены со входами суммирующего по току выпрямителя 13, выходы которого через дозирующий дроссель 14, ключ 15 или 16, управляемый блоком управления 17, и датчик тока нагревателя катода 18 соединены с нагревателями катодов HK₁, НК₂ и общей точкой катодов. На вход блока управления 17 поступают внешние команды и сигнал с датчика тока разряда 11, по которым формируются управляющие сигналы для задающего генератора 3 и ключей 15, 16. Вторичная обмотка дозирующего дросселя 14 одним концом соединена с общей точкой катодов, а другим через диод 19 с анодом и фильтрующим конденсатором 20, параллельно которому включен датчик напряжения разряда 21, а через разделительные диоды 22 и 23 - с электродами поджига ЭП₁ и ЭП₂ соответственно. Для формирования поджигающих импульсов в режиме подхвата добавлен ключ 24, выполненный на базе полевого транзистора, который стоком подключен к выходу дозирующего дросселя 14 и ключам 15 и 16, а истоком через разделительные диоды 25, 26 - к электродам поджига, затвор соединен с блоком управления 17. Одним входом все пороговые устройства соединены с датчиком тока разряда 11, а другим - 6₁...6_n соединены с датчиком напряжения разряда 21, a 6_n+1...6_m - с датчиком тока нагревателя катода 18.

Устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя (фиг.2) работает следующим образом. При поступлении команды на включение нагревателя катода HK₁ (или НК₂) блок управления 17 замыкает цепь соответствующего нагревателя катода ключом 16 (15). Затем подается команда на включение преобразователя, при этом начинает работать задающий генератор 3, который запускает преобразовательные ячейки 4₁...4_n и 5₁...5_m, соединенные с шинами питания 1 через входной фильтр 2. При этом на обмотках трансформаторов 7, 8 появляется напряжение, которое суммируется в выпрямителе 9, за счет последовательного соединения высоковольтных обмоток 7 и 8, и через ограничивающий дроссель 10 подается на анод А, конденсатор 20 и датчик напряжения разряда 21, сигнал с которого подается на входы пороговых устройств 6₁...6_n. Одновременно появляется напряжение на низковольтных обмотках трансформаторов 8₁...8_m, которые суммируются по току в выпрямителе 13, и в цепи НК появляется ток. Пока ток нагревателя не достигнет требуемого уровня, сигнал с датчика 18 меньше порога срабатывания 6_n+1...6_n+m, и если напряжение разряда не превышает допустимого уровня, то все пороговые устройства на выходе имеют разрешающий сигнал, и все преобразовательные ячейки работают по полной петле (коэффициент заполнения выходных импульсов близок к единице). Если напряжение разряда превышает допустимое значение (за счет повышенного напряжения питания или неидеальности прямоугольных импульсов на выходе выпрямителя 9), то одна из ячеек 4₁...4_n переходит в режим регулирования, при этом ячейки 5 работают по полной петле. Если ток накала станет больше допустимого значения, то в режим регулирования переходят все ячейки 5, так как 6_n+1...6_n+m имеют один порог срабатывания по току НК. Ток разряда в этом режиме отсутствует, а проводимость канала А - К определяется только током утечки конденсатора 20 и делителя 21. По истечении некоторого времени, когда нагреватель катода разогреется, блок управления 17 формирует сигнал, размыкающий ключ 16 (15) и замыкающий 24. При этом ток нагревателя катода трансформируется во вторичную обмотку дозирующего дросселя 14, напряжение которой определяется проводимостью газового промежутка ЭП - К, а диоды 25, 26 заперты более высоким потенциалом катодов диодов 22 и 23. Если проводимость в момент возникновения импульса напряжения на вторичной обмотке дросселя 14 осталась близкой к нулю (пробой не произошел), то энергия дросселя сбрасывается через диод 19 в емкостной накопитель энергии, который также выполняет роль фильтра, при этом прикладываемое к ЭП напряжение будет равно напряжению разряда двигателя. Затем ключ 16 (15) по сигналам блока управления 17 замыкает, а через некоторое время снова разрывает цепь НК на несколько миллисекунд, этот процесс повторяется до тех пор, пока не произойдет пробой промежутка ЭП - К, тогда его проводимость становится такой, что весь ток дросселя 14 замыкается в цепи поджига, а диод 19 заперт более высоким потенциалом анода. При длительности поджигающего импульса несколько миллисекунд, энергии, накопленной в дросселе 14, не хватает, чтобы сформировать поджигающий импульс для этого режима (режим подхвата), поэтому на время закрытого состояния ключа 16 (15) блок управления 17 открывает ключ 24, через который выходное напряжение выпрямителя 13 подается на ЭП, поскольку ток нагревателя в этот момент отсутствует, а ток разряда еще не достиг требуемого значения, на выходе 13 будет постоянное напряжение, т.е. поджигающий импульс не будет иметь просечек.

Как только ток разряда достигнет некоторого значения (0,4 от номинального), по сигналу датчика 11 блок управления 17 размыкает ключи 15, 16, 24, при этом нагрев катода и подача поджигающих импульсов прекращается. За счет резкого уменьшения сопротивления канала А - К происходит просадка напряжения разряда, ее величина определяется степенью короткого замыкания в канале, которая в свою очередь пропорциональна количеству газа, находящегося в разрядной камере. В этот момент одна из ячеек 4, 5 переходят в режим ограничения тока разряда, за счет чего снижается действующее значение напряжения на выходе выпрямителя 9. По мере прожига избыточного газа, сопротивление канала А - К увеличивается, ограничение тока прекращается и система выходит в номинальный режим работы. Отключение двигателя производится внешней командой, по которой задающий генератор 3 прекращает генерацию управляющего напряжения, и ячейки преобразователя запираются.

Испытания макета предлагаемого устройства запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя показали, что по сравнению с прототипом, пульсации тока потребления в три раза меньше, а максимальная потребляемая мощность при КЗ в нагрузке в 1,3 раза меньше, чем в [3] при р=3.

ЛИТЕРАТУРА

1. Power electronics development for the SPT-100 Thruster / J.A.Hamley, J.M.Hill, J.M.Sankovic // IEPC-93-044, Proceeding of the 23^rd International Electric Propulsion Conference, September, 1993.

2. А.с. № 752664 СССР. Преобразователь напряжения / А.M.Баранов, M.M.Глибицкий и др. // БИ. 1980, № 28.

3. Пат. 2162623 РФ. Система запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя / И.M.Катасонов // Изобретения. 2001, № 3.

Устройство предназначено для использования в электрореактивных двигательных установках, плазменных ускорительных и генераторных установках. Ячейки преобразователя разъединены на две группы. Все ячейки ограничивают ток разряда в режиме короткого замыкания, кроме того ячейки одной группы стабилизируют напряжение разряда, а ячейки другой группы стабилизируют ток нагревателя катода, причем пороги срабатывания по току разряда у всех ячеек разные, такие, что в режиме ограничения может находиться только одна ячейка одновременно. Изобретение позволяет значительно снизить пульсации тока потребления и помехи, массу входного фильтра, а также максимальную потребляемую мощность устройства. 2 ил.

Устройство запуска и электропитания электрореактивного плазменного двигателя, содержащее преобразовательные ячейки, подключенные к выходу входного фильтра, входами соединенные с выходом задающего генератора и состоящие из коммутирующих транзисторов и трансформаторов, суммирующего разрядного выпрямителя, выходы которого через ограничивающий дроссель соединены с входными выводами двигателя, выпрямитель нагревателей катодов, выход которого через датчик тока нагревателей катодов, дозирующий дроссель и управляемые ключи соединен с нагревателями катодов двигателя, отличающееся тем, что преобразовательные ячейки разъединены на две группы, отношение количества ячеек в группе, осуществляющей стабилизацию напряжения разряда к количеству ячеек в группе, осуществляющей стабилизацию тока нагревателя катода, определяется отношением разницы максимального и минимального входного напряжения к минимальному входному напряжению, входы одной группы ячеек соединены с выходами пороговых устройств, входы которых соединены с датчиками тока и напряжения разряда, а входы другой группы ячеек соединены с выходами пороговых устройств, входы которых соединены с датчиками тока разряда и тока нагревателя катода, устройство содержит дополнительный управляемый ключ, соединяющий выходной вывод дозирующего дросселя с электродом поджига, а его затвор соединен с выходом блока управления, на входы которого поступают внешние команды и сигнал с датчика тока разряда.