ИМПУЛЬСНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2024 года по МПК H03K3/26 

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к генераторам электрических импульсов, содержащим блоки, аккумулирующие энергию для последующей передачи накопленной энергии в нагрузку с помощью сильноточных переключающих устройств, которые управляются внешним сигналом от системы управления на микроконтроллере. Изобретение может быть использовано для питания оборудования электрохимических процессов, например, микродугового оксидирования металлов, гальванического травления и полировке металлов, в гальванотехнике, в сильноточной электронике.

Известен преобразователь постоянного тока в переменный [RU 2159005 C1, МПК H02M7/56 (2000.01), H02M9/02 (2000.01), H02K47/02 (2000.01), опубл. 10.11.2000], содержащий два магнитопровода, ротор с неоднородными по магнитной проводимости участками и привод.

Недостатком преобразователя является его сложность, наличие вращающихся узлов, что снижает надежность и эксплуатационный ресурс преобразователя.

Известен импульсный генератор [RU 2718420 С1, МПК Н03К/53(2006.01) и др. опубл. 02.04.2020 бюл.№10 ], содержащий источник питания, два дросселя, два блока конденсаторных батарей для накопления энергии и контроллер управления силовыми полевыми транзисторами.

Недостатком импульсного генератора является сложность его конструкции, а также необходимость контроля поочередного открывания силовых полевых транзисторов с задержками, которые необходимо корректировать по мере деградации p-n переходов полевых транзисторов.

Известен импульсный генератор [RU 2322755 C1, МПК H03K3/53 (2006.01), H02M9/02 (2006.01), опубл. 20.04.2008], принятый за прототип, содержащий формирователь, выполненный в виде, по меньшей мере, одного каскада, снабженного первой и второй выходными клеммам. Каждая из n ступеней каждого каскада содержит аккумуляторную батарею, одним из выходов одинаковой полярности для всех ступеней соединенную с управляемым коммутатором. Аккумуляторная батарея каждой предыдущей ступени подключена последовательно к аккумуляторной батарее последующей ступени через управляемый коммутатор.

Этот импульсный генератор имеет сложную конструкцию, в которой использованы схемы включения каскадов аккумуляторных батарей с большим количеством соединительных проводников, что ограничивает эксплуатационный ресурс оборудования.

Техническим результатом, предложенного решения является создание импульсного высоковольтного генератора, формирующего высоковольтные сильноточные импульсы с контролируемой «крутизной» переднего фронта импульсов, в зависимости от общего тока в нагрузке.

Предложенный импульсный высоковольтный генератор, также как в прототипе, содержит аккумулирующие устройство, дроссель, устройство, ограничивающее общий выходной ток и систему управления.

Согласно изобретению, в качестве аккумулирующего энергию устройства используется сборка из высоковольтных конденсаторов, соединенных для увеличения общей ёмкости параллельно. В устройстве имеется дроссель для ограничения и сглаживания тока в процессе зарядки конденсаторов от источника питания. Накопленную в конденсаторах энергию, генератор высоковольтных импульсов передает в нагрузку в виде чередующихся импульсов, которые следуют друг за другом. Формирование импульсов происходит при помощи силовых полупроводниковых ключей, а общий ток, передающийся в нагрузку, ограничивается резистивно-индуктивным элементом, состоящим из металлической ленты, свернутой в рулон, витки которой не соприкасаются между собой. Длина ленты задает необходимое значение активного омического сопротивления резистивно-индуктивного элемента, а количество витков ленты и зазоры между витками обеспечивают необходимую итоговую индуктивность резистивно-индуктивного элемента.

На фиг.1. изображена принципиальная схема устройства.

Импульсный высоковольтный генератор содержит первый источник питания 1 (ИП1), который подключен к трехфазной промышленной сети. К первому источнику питания 1 (ИП1) через общую точку подключен дроссель 2. Дроссель 2 подключен к конденсаторной батарее 3 (КБ). Выход конденсаторной батареи 3 (КБ) подключен в блоку силовых ключей 6 (БКС), который подключен к выходу контроллера 5 (К) и первому выводу резистивно-индуктивного элемента 7 (РИЭ). Второй вывод резистивно-индуктивного элемента 7 (РИЭ) подключен к первому выводу датчика нагрузки 8 (ДН). Второй вывод датчика нагрузки соединен со вторым выводом контроллера 5 (К), а третий вывод датчика нагрузки 8 (ДН) соединен с нагрузкой. Питание контроллера 5 (К) осуществляет второй источник питания 4 (ИП2), подключенный к промышленной сети. Первый источник питания 1 (ИП1), конденсаторная батарея 3 (КБ), блок силовых ключей 6 (БСК) заземлены.

В качестве первого источника питания 1 (ИП1) использован промышленный источник питания марки ИП-500/25-3Ф, в качестве второго источника питания 4 (ИП2) источник с выходным напряжением 24 В марки DR-100-24, конденсаторная батарея 3 (КБ) набрана из высоковольтных конденсаторов марки К75-99B-1кВ-200мкФ, блок силовых ключей 6 (БСК) собран из силовых полупроводниковых сборок МДТКИ-1200-12К, контроллер 5 (К) марки ГИО-4-1000, датчик нагрузки 8 (ДН) представляет собой сборку из пояса Роговского с контроллером функционирования работы и защитой от перегрузки.

Импульсный генератор работает следующим образом. От первого источника питания 1 (ИП1) через дроссель 2 напряжение подается на конденсаторную батарею 3 (КБ). Дроссель ограничивает и сглаживает ток в процессе зарядки конденсаторной батареи 3 (КБ), защищая первый источник питания 1 (ИП1) от перегрузки. В результате заряда конденсаторной батареи 3 (КБ) в ней накапливается энергия:

W=CU²/2,

где С - суммарная емкость конденсаторов в конденсаторной батареи 3 (КБ), U - напряжение питания от источника питания 1 (ИП1).

Накопленную энергию в конденсаторной батареи 3 (КБ) используют для формирования выходных импульсов. В формировании выходных импульсов используют блок силовых ключей 6 (БСК), а формирование передних фронтов выходных импульсов, которые следуют друг за другом на установленной пользователем частоте следования, используют контроллер 5 (К). Контроллер 5 (К) формирует управляющие импульсы, которые подаются в блок силовых ключей 6 (БСК), что приводит к открытию силовых полупроводниковых ключей в такт управляющих импульсов с контроллера 5 (К). Форму и крутизну переднего фронта импульсов формирует контроллер 5 (К) так, чтобы обеспечить скорость нарастания напряжения выходных импульсов от 10 до 100 В/мкс и тока выходных импульсов от 10 до 300 А/мкс, при этом значения скорости нарастания напряжения и тока переднего фронта выходных импульсов зависит от внутреннего сопротивления нагрузки, которое может изменяться в течение времени действия на нагрузку чередующихся высоковольтных импульсов, к примеру, из-за нагрева нагрузки в процессе пропускания высоковольтных импульсов от устройства. Обеспечение постоянства скорости нарастания напряжения и тока переднего фронта импульса обеспечивается контролером 5 (К), при этом алгоритм поддержания скорости нарастания тока переднего фронта импульса должен быть пропорционален величине общего тока в нагрузке величиной (0,1-0,2)*I_об/мкс, где I_об- общий ток а нагрузке. Для этого контролер 5 (К) имеет специальную прошивку во встроенном в нем микроконтроллере для обеспечения этого условия. Контроль общего тока в нагрузке и, как следствие, изменение внутреннего сопротивления нагрузки осуществляет датчик нагрузки 8 (ДН), соединенный с контроллером 5 (К) и образующий с ним «петлю» обратной связи по току. Ограничение общего тока в нагрузку осуществляет резистивно-индуктивный элемент 7 (РИЭ), который защищает высоковольтный генератор от общей перегрузки по току и выхода его из строя.

Предложенный импульсный высоковольтный генератор имеет простую конструкцию и формирует высоковольтные сильноточные импульсы в нагрузку значением до 3000 А в течение времени формирования выходных импульсов на частоте до 1000 Гц со скважностью до 2.

Изобретение относится к импульсной технике, а именно к генераторам электрических импульсов. Технический результат - создание импульсного высоковольтного генератора, формирующего высоковольтные сильноточные импульсы с контролируемой крутизной переднего фронта импульсов, в зависимости от общего тока в нагрузке. Такой результат обеспечивается за счет того, что генератор содержит конденсаторную батарею, энергия которой используется блоком силовых ключей для формирования выходных импульсов, а также за счет того, что генератор содержит контроллер, подающий управляющие импульсы в блок силовых ключей, при этом осуществляющий контроль общего тока за счет работы датчика нагрузки, образующего с контроллером петлю обратной связи по току, и за счет работы резистивно-индуктивного элемента, который защищает высоковольтный генератор от общей перегрузки по току. 1 ил.

Импульсный высоковольтный генератор, включающий первый источник питания, который подключен к трехфазной промышленной сети, к первому источнику питания подключен дроссель, к которому подключена конденсаторная батарея, выход конденсаторной батареи подключен к блоку силовых ключей, который подключен к выходу контроллера и первому выводу резистивно-индуктивного элемента, состоящего из металлической ленты, свернутой в рулон, витки которой не соприкасаются между собой, второй вывод резистивно-индуктивного элемента подключен к первому выводу датчика нагрузки, представляющий собой сборку из пояса Роговского с контроллером функционирования работы и защитой от перегрузки, второй вывод датчика нагрузки соединен со вторым выводом контроллера, образуя с ним петлю обратной связи по току, третий вывод датчика нагрузки соединен с нагрузкой, питание контроллера осуществляет второй источник питания, подключенный к промышленной сети, при этом первый источник питания, конденсаторная батарея и блок силовых ключей заземлены.