СПОСОБ ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ В ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК H02H7/00 

Область техники

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам преобразования электрического тока, и предназначено для ограничения перенапряжений в преобразовательных установках, например в высоковольтных выпрямительных установках, в высоковольтных преобразовательных установках для СВЧ-генераторов и т.п.

Предшествующий уровень техники

Преобразовательные установки являются сложными электрическими системами, которые обладают паразитными индуктивностями и емкостями, образующими колебательные контуры, которые обычно называются паразитными контурами. Возникающие в преобразовательных установках перенапряжения обычно вызываются ударным воздействием и, как правило, связаны с работой коммутационной аппаратуры, в частности, со скачкообразным изменением напряжения, например, при срабатывании тиристоров.

Наиболее распространенным способом ограничения перенапряжений в преобразовательных установках является введение в состав преобразовательной установки различных защитных устройств.

Известен способ ограничения перенапряжений в преобразовательной установке с использованием устройства для ограничения перенапряжений, в качестве которого используется нелинейный резистор. При достижении на преобразовательной установке максимально допустимого напряжения нелинейный резистор переходит в проводящее состояние, обеспечивая защиту установки (см. патент РФ на полезную модель №14694, H01F 27/00, 2000.08.10).

Известен способ ограничения перенапряжений в преобразовательной установке с использованием устройства для ограничения перенапряжений, в качестве которого используются последовательно соединенные резистор R и емкость С - RC цепочка (см. «Полупроводниковые выпрямители». / Под редакцией Ф.И.Ковалева и Г.П.Мостиковой. М.: Энергия, 1978, стр.366-375). В известном способе параметры резистора R и емкости С для конкретной установки определяют расчетом, используя эквивалентную схему установки. При выполнении расчетов для определения индуктивности контура суммируют индуктивности отдельных элементов установки. Далее, используя эту расчетную индуктивность, определяют значения R и С для RC цепочки.

Однако при расчете индуктивности контура установки не учитывается взаимовлияние и не идеальный характер элементов преобразовательной установки, которое приводит к образованию, так называемых, паразитных контуров, что может существенно изменить ее реальные частотные характеристики от расчетных. В результате эффективность данного способа существенно падает и, как правило, не удается свести перенапряжения в установке к минимуму, что приводит к выходу из строя не только полупроводниковых элементов установки, но даже силовых трансформаторов и нагрузки.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является предложить способ ограничения перенапряжений в преобразовательной установке с использованием защитного устройства, содержащего последовательно соединенные резистор R и емкость С, позволяющего свести перенапряжения к минимуму. Это достигается путем выделения паразитного контура, имеющего наивысшую добротность и потому дающего при возбуждении максимальную амплитуду колебаний, и расчета значений R и С в RC цепочке для максимального снижения перенапряжения в данной преобразовательной установке с учетом особенностей этой конкретной преобразовательной установки.

Для решения указанной задачи и достижения иных преимуществ предлагается способ ограничения перенапряжений в преобразовательной установке, заключающийся в том, что

переводят паразитный колебательный контур преобразовательной установки в апериодический режим путем подключения к преобразовательной установке соответствующей RC цепочки, для чего

возбуждают в преобразовательной установке собственные колебания, выделяют из них колебания с максимальной амплитудой и определяют период этих выделенных колебаний Т₀ преобразовательной установки;

подключают к преобразовательной установке емкость C₁, повторно возбуждают в преобразовательной установке собственные колебания, выделяют из них колебания с максимальной амплитудой и определяют для преобразовательной установки с подключенной емкостью C₁ период колебаний T₁ с максимальной амплитудой колебаний;

используя замеренные периоды колебаний Т₀ и T₁, определяют значение С для емкости для перевода выявленного паразитного контура преобразовательной установки в апериодический режим в соответствии с соотношением

C=(6÷10)C₁T² ₀/(T² ₁-T² ₀)

определяют сопротивление R для резистора для перевода выделенного паразитного контура преобразовательной установки в апериодический режим в соответствии с соотношением

R=(0,08÷0,12)(T² ₁-T₀ ²)/C₁T₀

последовательно соединяют указанные резистор R и емкость С в RC цепочку и подключают указанную RC цепочку к преобразовательной установке для перевода выделенного паразитного контура в апериодический режим.

Предпочтительно для возбуждения в преобразовательной установке собственных колебаний создают в преобразовательной установке, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом.

При этом, указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют при напряжении питания меньшем, чем рабочее напряжение питания преобразовательной установки.

При этом, указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют при напряжении питания, равном 0,05÷0,15 от рабочего напряжения питания преобразовательной установки.

Кроме того, указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют на нисходящем или восходящем участке синусоидальных колебаний напряжения электрического тока.

Для решения указанной задачи и достижения иных преимуществ предлагается также способ ограничения перенапряжения в преобразовательной установке, заключающийся в том, что

переводят паразитный колебательный контур преобразовательной установки в апериодический режим путем подключения к преобразовательной установке соответствующей RC цепочки, для чего

возбуждают в преобразовательной установке собственные колебания, выделяют из них колебания с максимальной амплитудой и определяют частоту этих выделенных колебаний F₀ преобразовательной установки;

подключают к преобразовательной установке емкость C₁, повторно возбуждают в преобразовательной установке собственные колебания, выделяют из них колебания с максимальной амплитудой и определяют для преобразовательной установки с подключенной емкостью C₁ частоту собственных колебаний F₁ преобразовательной установки с подключенной емкостью C₁;

используя замеренные частоты собственных колебаний F₀ и F₁, определяют значение С для емкости для перевода выделенного паразитного контура преобразовательной установки в апериодический режим в соответствии с соотношением

определяют значение R для резистора для RC цепочки для перевода выделенного паразитного контура преобразовательной установки в апериодический режим в соответствии с соотношением

последовательно соединяют указанные резистор R и емкость С в RC цепочку и подключают указанную RC цепочку к преобразовательной установке для перевода выделенного паразитного контура в апериодический режим.

Предпочтительно для возбуждения в контуре преобразовательной установки собственных колебаний создают в контуре преобразовательной установки, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом.

При этом, указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют из входного переменного электрического тока, поступающего из сети или из иного агрегата питания.

При этом, указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют при напряжении питания меньшем, чем рабочее напряжение питания преобразовательной установки.

При этом, указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют при напряжении питания, равном 0,05÷0,15 от рабочего напряжения питания преобразовательной установки.

Кроме того, указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют на нисходящем или восходящем участке синусоидальных колебаний напряжения электрического тока.

Использование заявленного изобретения обеспечивает минимальное повышение напряжения в преобразовательной установке при срабатывании коммутационной аппаратуры и работе тиристоров, так как при подключении, например, к трансформатору преобразовательной установки RC цепочки, в которой значения R и С заданы в соответствии с настоящим изобретением с учетом реальных частотных характеристик преобразовательной установки, получаем существенное снижение перенапряжений в преобразовательной установке по сравнению с известными техническими решениями.

Изобретение поясняется на примере его реализации для преобразовательной установки, в частности для преобразовательной установки для питания магнетронов мощностью 5 кВт и выше. Описание приводится только для пояснения изобретения и ни в какой мере не ограничивает объема настоящего изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Чертежи заявки представлены в виде общей схемы, достаточной для понимания принципов изобретения специалистами в данной области техники.

На фиг.1. изображена одна из возможных схем преобразовательной установки для питания магнетрона.

На фиг.2 показана предпочтительная схема формирования скачка напряжения с крутым фронтом для возбуждения собственных колебаний в преобразовательной установке в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.3 представлена общая схема преобразовательной установки с подключенной емкостью C₁ для определения частоты или периода собственных колебаний в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.4 представлена общая схема преобразовательной установки в подключенной RC цепочкой в соответствии с настоящим изобретением.

ПРИМЕРЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для пояснения осуществления изобретения выбрана преобразовательная установка, например, для питания магнетрона, например, мощностью 5 кВт, но данное изобретение может быть применено к любым аналогичным установкам. Для упрощения предполагается, что используется преобразовательная установка, работающая от однофазной сети, но изобретение может быть использовано и в установках, работающих от трехфазной сети, используя известные схемы подключения силового трансформатора к сети и к мостовому выпрямителю.

В общем случае преобразовательная установка включает в себя силовой высоковольтный трансформатор 1, первичная обмотка 2 которого подключена к входной сети переменного тока, например, через тиристорный выключатель 3, управляемый командным блоком 4. К выводам вторичной высоковольтной обмотки 5 трансформатора с помощью шин 6 и 7 подключен мостовой выпрямитель 8. Мостовой выпрямитель может иметь средства для сглаживания пульсаций выпрямленного высокого напряжения: конденсаторы, дроссели и т.п. (не показаны). Положительный вывод выпрямителя 8 подключен к аноду магнетрона 9. Отрицательный вывод выпрямителя 8 подключен к катоду магнетрона 9.

Следует понимать, что данное описание установки служит только для иллюстрации осуществления изобретения и имеется множество схем преобразовательных установок, в которых данное изобретение может быть реализовано, например, для питания любых других СВЧ-генераторов или иных высоковольтных устройств.

По первому варианту изобретения предложенный способ реализуется следующим образом.

Преобразовательную установку в исходной компоновке подключают к входной сети и в режиме холостого хода возбуждают в ней собственные колебания. Любыми известными измерительными средствами (не показаны) регистрируют указанные собственные колебания, выделяют из них колебания, имеющие максимальную амплитуду, и определяют период Т₀ этих колебаний преобразовательной установки. При наличии нескольких частот собственных колебаний регистрируют период Т₀ собственных колебаний с максимальной амплитудой колебаний. Для того чтобы возбудить собственные колебания в преобразовательной установке, создают, по крайней мере, один скачок напряжения с крутым фронтом. При возбуждении собственных колебаний с использованием скачка напряжения с крутым фронтом в преобразовательной установке возбуждаются собственные колебания с широким спектром частот колебаний, из которых любым известным способом выделяют собственные колебания с максимальной амплитудой колебаний. Указанный скачок напряжения можно формировать из входного переменного электрического тока, поступающего из сети, как показано на фиг., или иного агрегата питания, используя тиристорный выключатель 3, но можно сформировать скачок напряжения с крутым фронтом, используя иные методы. Формирование скачка напряжения может выполняться, например, так, как показано на графике на фиг.2.

На фиг.2 пунктиром показано изменение напряжения U на входе в преобразовательную установку. Тиристорный выключатель 3 выключен. В момент времени t₁ включают тиристорный выключатель 3, через который подают питание на трансформатор 1. Учитывая, что тиристоры имеют чрезвычайно малое время срабатывания, в момент включения получаем скачкообразное увеличение напряжения на входе трансформатора 1 от 0 до текущего напряжения в сети - скачок напряжения ΔU. Для возбуждения собственных колебаний можно использовать один скачок напряжения или несколько последовательных скачков напряжения, как это показано на фиг.2. Для преобразовательной установки с высоковольтным трансформатором при возбуждении собственных колебаний могут наблюдаться недопустимо высокие значения перенапряжения, поэтому целесообразно понизить входное напряжение и проводить возбуждение собственных колебаний в преобразовательной установке, например, при напряжении 0.05-0.15 от рабочего напряжения питания преобразовательной установки. Аналогично формируют скачок напряжения при использовании любого другого устройства.

Далее к преобразовательной установке подключают между шинами 6 и 7 емкость C₁, повторно возбуждают в контуре преобразовательной установки собственные колебания по методике, описанной выше, и для колебаний с максимальной амплитудой определяют период колебаний T₁ преобразовательной установки с подключенной емкостью C₁. Хотя подключение емкости C₁ между шинами 6 и 7 можно выполнять в любом месте преобразовательной установки, но целесообразно подключать емкость C₁ непосредственно на выходе из силового трансформатора 1, например подключить емкость C₁ к выходным клеммам трансформатора 1.

Зная периоды колебаний Т₀ и T₁ и значение C₁ подключенной емкости, можно определить значения для резистора R и емкости С для RC цепочки, которую необходимо подключить между шинами 6 и 7 преобразовательной установки, чтобы ограничить перенапряжения при включении/выключении преобразовательной установки.

Значение для емкости С определяется из соотношения

C=(6÷10)C₁T₀ ²/(T₁ ²-T₀ ²).

Значение для резистора R определяется из соотношения

R=(0,08÷0,12) (T₁ ²-T₀ ²)/C₁T₀.

Последовательно соединяем указанные резистор R и емкость С в RC цепочку и подключаем собранную RC цепочку между шинами 6 и 7 преобразовательной установки. Наиболее целесообразно подключать RC цепочку там, где подключали емкость C₁.

Реализация второго варианта способа в последовательности операций и технологических приемах повторяет описанный выше пример осуществления изобретения и отличается от него тем, что при возбуждении собственных колебаний исходной преобразовательной установки и преобразовательной установки с подключенной емкость C₁ определяют частоту собственных колебаний F₀ исходной преобразовательной установки и частоту собственных колебаний F₁ преобразовательной установки с подключенной емкостью C₁.

Соответственно, значение емкости С для RC цепочки определяют из соотношения

C=(6÷10)C₁F₁ ²/(F₀ ²-F₁ ²)

и значение сопротивления резистора R для RC цепочки определяют из соотношения

R=(0,08÷0,12) (F₀ ²-F₁ ²)/С₁ F₀ F₁ ².

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Предложенный способ был проверен на преобразовательной установке мощностью 10 кВт для питания магнетрона мощностью 5 кВт. При входном рабочем напряжении питания 220В и рабочем напряжении на высоковольтной обмотке 5000В в преобразовательной установке с подключенной RC цепочкой, параметры которой определены в соответствии с описанным способом, перенапряжения при ее включении/выключении существенно меньше, чем при известных способах защиты и не превышают 5% от рабочего напряжения на высоковольтной обмотке.

Специалистам должно быть понятно, что хотя данное изобретения описано применительно к преобразовательной установке для питания магнетрона от однофазной сети, оно не ограничивается данным конкретным случаем и может использоваться для питания магнетронов от трехфазной сети, а также для питания любых силовых и технологических установок, где при включении/выключении и при регулировании мощности установки могут наблюдаться перенапряжения и где необходимо ограничивать эти перенапряжения.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в увеличении надежности и эффективности защиты от перенапряжений. В предлагаемом способе параметры RC цепочки определяют для конкретной преобразовательной установки с учетом взаимовлияния отдельных элементов этой установки. Для определения параметров RC цепочки любым методом возбуждают в преобразовательной установке собственные колебания и определяют или период Т₀, или частоту F₀ колебаний с максимальной амплитудой, а затем подключают к преобразовательной установке емкость C₁ и повторно определяют или период

t₁, или частоту F₁ собственных колебаний преобразовательной установки с подключенной емкостью C₁. Далее по предложенным формулам определяют значения С и R для формирования RC цепочки и подключают сформированную таким образом RC цепочку к преобразовательной установке. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ ограничения перенапряжения в преобразовательной установке, заключающийся в том, что переводят паразитный колебательный контур преобразовательной установки в апериодический режим путем подключения к преобразовательной установке соответствующей RC цепочки, для чего возбуждают в преобразовательной установке собственные колебания, выделяют из них колебания с максимальной амплитудой и определяют период этих выделенных колебаний Т₀ преобразовательной установки; подключают к преобразовательной установке емкость C₁, повторно возбуждают в преобразовательной установке собственные колебания, выделяют из них колебания с максимальной амплитудой и определяют для преобразовательной установки с подключенной емкостью C₁ период колебаний T₁ с максимальной амплитудой колебаний; используя замеренные периоды колебаний Т₀ и T₁, определяют значение С для емкости для перевода выявленного паразитного контура преобразовательной установки в апериодический режим в соответствии с соотношением
C=(6÷10)C₁T² ₀/(T² ₁-T² ₀);
определяют сопротивление R для резистора для перевода выделенного паразитного контура преобразовательной установки в апериодический режим в соответствии с соотношением
R=(0,08÷0,12)(T² ₁-T₀ ²)/C₁T₀;
последовательно соединяют указанные резистор R и емкость С в RC цепочку и подключают указанную RC цепочку к преобразовательной установке для перевода выделенного паразитного контура в апериодический режим.

2. Способ по п.1, в котором для возбуждения в контуре преобразовательной установки собственных колебаний создают в контуре преобразовательной установки, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом.

3. Способ по п.2, в котором указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют из входного переменного электрического тока, поступающего из сети или из иного агрегата питания.

4. Способ по п.2, в котором указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют при напряжении питания меньшем, чем рабочее напряжение питания преобразовательной установки.

5. Способ по п.4, в котором указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют при напряжении питания равном 0,05÷0,15 от рабочего напряжения питания преобразовательной установки.

6. Способ по п.3, в котором указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют на нисходящем или восходящем участке синусоидальных колебаний напряжения электрического тока на входе в установку.

7. Способ ограничения перенапряжения в преобразовательной установке, заключающийся в том, что переводят паразитный колебательный контур преобразовательной установки в апериодический режим путем подключения к преобразовательной установке соответствующей RC цепочки, для чего возбуждают в преобразовательной установке собственные колебания, выделяют из них колебания с максимальной амплитудой и определяют частоту этих выделенных колебаний F₀ преобразовательной установки; подключают к преобразовательной установке емкость C₁, повторно возбуждают в преобразовательной установке собственные колебания, выделяют из них колебания с максимальной амплитудой и определяют для преобразовательной установки с подключенной емкостью C₁ частоту собственных колебаний F₁ преобразовательной установки с подключенной емкостью C₁; используя замеренные частоты собственных колебаний F₀ и F₁, определяют значение С для емкости для перевода выделенного паразитного контура преобразовательной установки в апериодический режим в соответствии с соотношением
C=(6÷10)C₁F₁ ²/(F₀ ²-F₁ ²);
определяют значение F₁ для резистора для RC цепочки для перевода выделенного паразитного контура преобразовательной установки в апериодический режим в соответствии с соотношением
R=(0,08÷0,12) (F₀ ²-F₁ ²)/C₁ F₀ F₁ ²
последовательно соединяют указанные резистор R и емкость С в RC цепочку и подключают указанную RC цепочку к преобразовательной установке для перевода выделенного паразитного контура в апериодический режим.

8. Способ по п.7, в котором для возбуждения в контуре преобразовательной установки собственных колебаний создают в контуре преобразовательной установки, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом.

9. Способ по п.7, в котором указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют из входного переменного электрического тока, поступающего из сети или из иного агрегата питания.

10. Способ по п.8, в котором указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют при напряжении питания меньшем, чем рабочее напряжение питания преобразовательной установки.

11. Способ по п.10, в котором указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют при напряжении питания равном 0,05÷0,15 от рабочего напряжения питания преобразовательной установки.

12. Способ по п.9, в котором указанный, по меньшей мере, один скачок напряжения с крутым фронтом формируют на нисходящем или восходящем участке синусоидальных колебаний напряжения электрического тока на входе в установку.