Система высоковольтного электропитания с резервированием Советский патент 1983 года по МПК H02J9/06 

Изобретение относится к электротехнике и может быть испопьгэвано для бесперзбойного питания высоковольтной электрической и радиоэлектронной аппаратуры различногоназначения,5

имеющей ограниченное потребление мощности, например в бортовых системах эйекаростатичедкой космических аппаратов от заряженных частиц.

Известно устройство электропитания О с резервированием, содержащее источник питания, подключенный к входу двух стабилизаторов напряжения, выход первого из которых подключен к входу первой схемы сравнения напряжения, выход15

второго стабилизатора подключен к входу второй схемы сравнения напряжения. . Выход первой схемы сравнения напряжения управляет первым ключом, отклю-чающим цепь нагрузки от выхода20

первого стабилизатора напряжения при отказе и подключающим ее к выходу второго стабилизатора. Выход второй схемы сравнения управляе вторым ключом, отключающим цепь нагрузки25

от выхода второго стабилизатора напряжения при его отказе fl).

Недостатками данного уетройства являются большое потребление мощности и недостаточная надежность иЗО ресурс работы, вызванные постоянным под1шючением обоих стабилизаторов к первичному источнику питания.

Причем известные устройства невозможно использовать для резервирований с электропитания устройств с высокими и сверхвысокими напряжениями (выше 1 - 2 кВ) из-за отсутствия коммутирующих и ключевых элементов с большим рабочим напряжением.4о

Кроме того, эти устройства имеют только лишь двукратную степень резерБ1гровання к не допускают произвольное повышение степени резервирования до любого желаемого уровня. ,

Наиболее близким к изобретению техническим решением является система высоковольтного электропитания с резервированием, содержащая источник пврвичного питания и И параллельных це- 50 пей, каждая из которых состоит из И высоковольтных источников, соединенных с -первичным источником через коммутирующие элементы высоковольтньхх источisuEoB, а через коммутирующий элемент 5 потребителя - с потребителем, к шинам которого подключен блок анализа напряжения потребителя Д.

Цель изобретения - снижение энергопотребления и повышение надежности при одновременном снижении габаритов и массы устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в системе высоковольтного электропитания с резервированием, содержащей источник первичного питания и к параллельных цепей, каждая из которых состоит из высоковольтного источника, соединенного с первичным источником через коммутирующий элемент высоковольтного источника, а через коммутирующий элемент потребителя - с потребителем, к шинам которого подключен блок анализа нащ}яжения потребителя, коммутир уюший элемент потребителя сод ржит И подключенных к высоковольтным источникам питания электродов, вогнутая сферическая поверхность которых покрыта тонким резистивным слоем, и подключенный к потребителю через гибкий соединитель,, выполненный в виде цилиндрической сПЕфалн, полый сферический электрод, установленный симметрично между электродами с вогнутой сферической поверхностью, кроме того, в него введены генератор тактовых импульсов и регистр сдвига, причем выходы регист ра сдвига соединены с управляющими входами коммут«фующих элементов высо- ковольтных источников, выход тактового генератора соединен с управляющим входом регистра сдвига, запрещающий вход котсрого соединен с выходом блока анализа не1Пряжения потребителя.

На фиг. 1 представлена функциональ ная схема системы высоковольтного электропитания с резервированием; на фиг. 2 - конструктивная схема коммутирующего аппарата потребителя; на фиг.З - конст{}уктивная схема сферического электрода.

Система содержит первичный источник I питания, соединенный через коммутирующие элементы 2 с высоковольтными источниками 3 питания, к выходам которых подключены Высоковольтные электроды 4. Е1огнутая сферическая поверхность высокоЕюльтных электродов 4 покрыта резистивным слоем 5. Потребитель 6 высокого напряжения соединен со схемой 7 анализа высокого напряжения а через гибкий соединитель 8 - с полым сферическим высоковольтным электродом 9, установленным симметрично относительно высоковольтных электродов 4. Выход схемы 7 анализа высокого напряжения соединен с запрещающим входом регистра 10 сдвига, вход которого соединен с выходом тактового генератора 11, а выходы - с управляющими входами коммутирующих элементов 2. Радиусы вогнутой сферической поверхности электродов 4 и полого сферического электрода 9 выбраны одинаковыми, а сами поверхности имеют высокий класс чнстотьи Гибкий соединитель 8 : выполнен в виде цилиндрической спирали витки которой плотно прилегают друг к другу. Требуемая гибкость соединителя достигнута путем выбора материала спирали и диаметра провода. Устройство работает следующим образом. В искодном состоянии, при выключенном первичном источнике 1 питания, I высокое напряжение на электродах 4 отсутствует, между поверхностями элек родов 4 и 9 не действуют никакие силы и электрод 9 под действием упругой сипы соединителя 8 находится в нейтра ном положении (на одинаковом расстоянии от электродов 4). При подаче питания на одном из выходов-регистра 10 сдвига появляется .напряжение логической 1, соответствующий коммутирующий элемент 2, I к управляющему входу которого присоединен этот выход, ОТ1ФЫТ. Напряжение питания от первичного источника 1 поступает на вход соответствующего высоковольтного источника 3 питания, к выходу которого подключен высоковолы ный электрод 4. Под действием электростатических сил высоковольтный элек род 9 притягивается к электроду 4 (фиг. 2) и удерживается в этом состоЯНИН за счет падения нат яжения на резистивном слое 5. Выходное высокое , нагфяжение поступает к потребителю 6 высокого напряжения и на схему 7 ана лиза высокого напряжения, которая фср .рует сигнал, поступающий на запрещающей вход регистра -10 и тактовые импельсы генератора 11 не сдвигают ре|Гистр 10. В случае отказа источников 3 высокого напряжения или изменения выходного напряжения больше установленных норм, схема 7 анализа высокого напряжения вьфабатынает разрешающий сигнал, поступающий на защ}ещающий вход регистра Ю сдвига, по деиствием тактового импульса сдвигается на оанн такт и на первом его выходе по124 уШется сигнал логического О, коорый закрывает ранее открытый коммутирующий элемент 2 и прерывает цепь питания ранее включенного высоковольтного источника 3, одновременно на слеующем выходе регистра Ю сдвига появляется сигнал логической , который поступает на управляющий вход следующего коммут1фующего элемента 2, открывает его и подключает следующий высоковольтный источник 3 к первичному источнику 1 питания. На выходе этого высоковольтного источника питания и соответствующем электроде 4 возникает высокое напряжение. При отключении ранее включенного высоковольтного источника 3 питания высоковольгный электрод 9 под действием силы упругости соединителя 8 возвращается в нейтральное состояние, а под действием электростатической силы, создаваемой выходным напряжением включенного высоковольтного источника 3, притягивается к соответствующему высоковольтному электроду 4 и выходное высокое напряжение поступает к потребителю 6 и на схему / анализа высокого напряжения, которая формирует запрещающий сигнал, поступающий па регистр 10 сдвига, тактовые импульсы генератора 11 прекращают сдвиг 10 регистра. В случае отказа второго высоковольтного источника 3 питания процесс повто ряется и включается следующий высоковольтный источник 3, сферический высоковольтный электрод 9 притягивается к высоковольтному электроду 4, подключенному к его выходу и т. д.. .Как отмечалось, замкнутое состояние электродов 4 и 9 поддерживается электростатической силой, действующей за счет падения напряжения на резистивном слое 5 и на эту величину на1фяокение, получаемое потребителем 6, меньше выходного напряжения соответствующего высоковольтного источника 3 питания. Однако благодаря малой толщине резистивного слоя, чистоте поверхности и одинаковых радиусов электродов сила, требуемая для удержания электродов в замкнутом состоянии, незначительна, а учитывая, что электростатическая сила обратна пропорциональна квадрату расстояния между электродами, падение напряжения на резистивном слое может быть достаточно марым. Объемное сопротивление резистивного слоя определяют исходя из минимального тока нагрузки потребителя высокого на1тряжения, создающего пплеиие напряж ния, достаточное для удержания электро дов в замкнутом состоянии. В предлагаемой системе высоковоль ного электропитания с резерв1фованием значительно снизилось энергопотреблени за счет отсутствия энергопотребляюшкх исполнительных коммутирующих эле 1ентов в цепях Высокого напряжения и. использования для цепей коммутации элек ростатических сил. Предлагаемое устройство позволяет значител1эно упростить резервирование высоковольтного электропитания и за счет отсутствия громоздких электромеханических элементов повысить надежность, снизить массу и габариты. Преимуществом предлагаемого техни ческого решения является возможность неограниченного повышения степени резервирования практически без усложнения устройства. Наиболее эффективно использование ; предложенного технического решения в вакуумных системах, например на борту космическохх аппарата, при испол зовании естественного космического Вакуума, Исходя из того, что остаточное давление в космическом пространстве известно, производят выбср межэл тродных расстояний между высоковольтн ми электродами источников питания и сферическим высоковольтным электродом потребителя энергии для заданного рабочего напряжения системы высоковольтного электропитания. Для предотвращения пробоя за счет усиления электрического поля на криволинейных участках поверхности электродов рассчитывают радиусы закругления. Определив межэлектродные зазоры, радиуеы закруглений и размеры электродо рассчитывают сипу взаимодействия межд электродами при номинальцрм рабочем напря §ёнш1 по формуле -о « 12 где и - номинальное рабочее напряжение d - расстояние между электродами; 5 - рабочая площадь взаимодействующих электродов; - диэлектрическая постоянная, равная 8,85-Ю -Ф/м; д - диэлектрическая проницаемость, равная для вакуума 1. Зная силу взаимодействия высоковольтных электродов, определяют необходимую гшЗкость соединителя, соод гаяющего полый сферический электрод с входом потг)ебителя энергии и конструктивное исполнение реального соединителя. Далее определяют параметры резистивного слоя, которым покрывается поверхность высоковольтных электродов для удержания полого сферического высоковольтного электрода в притянутом состоянии. Зная силу F , необходимую для удержания электродов в притянутом состоянии и задавшись величиной падения напряжения на объемном сопротивлении резистинного слоя, так чтобы оно было значительно меньше (в 1О -1О раз) рабочего напряжения при минимальном токе, по формуле (1) определяют толщину d резистивного слоя и его объемное со)1ротивление. По найденным параметрам выбирают тип резистивного покрытия и проверяют его электрическую прочность, которая, как правило, у современных резистнвных материалов значительно превьш1ает падение напряжения, необходимое для удержания электродов в притянутом состоянии. В разомкнутом состоянии высоковольтных электродов электрическая прочность резистивного покрытия вообще несущественна, так как ток между электродами отсутствует и падение напряжения на резистивном слое равно О. Что касается электрической прочности гибкого соединителя, находящегося в вакууме при высоком напряжении, то она определяется напряженностью и однородностью электрического поля на поверхности соединителя. Для уменьшения напряженности электрического поля элементы конструкции устройства, находящиеся под нулевым потенциалом, располагают на таком расстоянии, чтобы напряженность поля была меньше той величины, при которой возникают токи автоэлектронной эмиссии, инициирующие пробой. Для предотвращения локальных пробоев, высоковольтные электроды и соединитель имеют высокую чистоту поверхности. В предлагаемом техническом решеии конструкция гибкого соединителя редставляет собойцилиндрическую спиаль, вьшолненную из пружинной провооки, а однородность электрического оля обеспечивается тем, что при изибе соединителя зазоры между витками 71056 спЕфапи Be гфевышают диаметра проволоки. Возможен вариант вспопнения гибкого соедннягеля на эластнчного электро1фо62водящего полимера (1шпример, электрохфоводящего пеытапласта), в этом случае независимо от степени изгиба соединителя однородность электрического поля на его поверхности не нарушается

СИСТЕМА ВЫССЖСеОПЬТНб ГО ЭЛЕКТРСТ1ИТАНИЯ С РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ, содержащая источник первично го питания и П параллельных цепей, каждая из которых состоит ifs высоковольтного источника, соединенного с первичным источником через коммутирующий элемент высоковольтного источника, а через коммутирующий элемент потребителя - с потребителем, к шинам которого подключен блок анализа напряжения потребителя, отличающ а я с я тем, что, с целью снижения энергопотребления и повышения надежности при ооно теменном снижении габаритов и массы устройства, коммутирующий элемент потребителя содержит i И подключенных к высоковольтным источникам пит(ания электродов, вогнутая сферическая поверхность KOTqpbix покрыта тонким резистивным слоем, и подключенный к потребителю через гибкий соединитель, вьшолненный в виде цилиндрической спирали, полый сферический электрод установленный симметрично между электродами с вогнутой сферической поверхностью, кроме того, в него введены генератор тактовых i импульсов и регистр сдвига, причем выходы регистра сдвига, соединены с (Л управляющими входами коммутирующих элементов высоковольтных источников, CZ выход тактового генератора соединен с управляющим входом регистра сдвига, запрещающий вход которого соединен с выходом блока анализа напряжения потребителя. ел О) со О) ю

пайка

тика