Электронно-лучевая технологическая установка Советский патент 1984 года по МПК H05B7/16 H01J37/305 

f

Изобретение относится к электротехнике, в частности к высовольтHbw системам питания и управления электронными потоками, применяемым в электротермии.

Известен источник питания электронно-лучевой технологической установки, содержащий трехфазный преобразовательный трансформатор, в цепь сетевой обмотки которого включены токоограничивающие реакторы и тири торный ключевой элемент, а вентильные обмотки подключены к мостовому выпрямителю, положительный полюс которого заземлен, а отрицательный подключен к катоду электронной пушКИ,

Источник снабжен датчиком тока в цепи выпрямителя, связанным с

триггерной схемой, формирующей сигнал на отключение сетевого тиристорного ключевого элемента. При возникновении технологического КЗ вэлектронной пушке срабатывает тиристорйый ключ, осуществляя прерывание, тока на стороне переменного тока сетевой обмотки трансформатора СП.

Недостатком такого источника питания является высокий коэффициент пульсации выходного напряжения, что ограничивает его диапазон применения в относительно маломощных технологических установках с криволинейным потоком электронов. Применение мощного сглаживающего фильтра, разряжающегося после возникновения технологического КЗ чере электронную пушку, резко снижает ресурс основного оборудования. Время отключения источника на стороне сетевой обмотки трансформатора составляет не менее половины периода сетевого напряжения, а ток КЗ в цепи пушки достигает ударного зна чения, что существенно влияет на ресурс работы электронно-лучевого тракта установки.

Тиристорный ключ в цепи переменного тока работает в тяжелых условиях отключения тока КЗ, содержащего намагничивающую апериодическую составляющую, что в мощных установках приводит к отказам и быстрому выходу из строя ключевого элемента.

Наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности является электронно-лучевая технологическая установка, содержащая высоковольтны

52:

трансформатор с выпрямительным мостом, отрицательный полюс которого подключен через ключ, выполненный в виде электронно-лучевой лампы

с блоком сеточного управления, к катоду электронно-лучевой пушки, установленной через лучевод на заземленной камере-аноде, и датчики тока и напряжения пушки, выходы

каждого из которых через пороговые элементы подключены к входам элемента И, связанного выходом с блоком сеточного управления.

При увеличении тока в злектронной пушке вследствие развития дугового разряда возрастает ток в цепи трансформаторно-выпрямительного блока и сигнал от схемы сравнения запускает блок управления злектронной лампой, который запирает ее по сетке,

В стационарном режиме при флуктуациях проводимости лучевого тракта лампа в цепи пушки поддерживает

постоянство тока 2 J.

Недостатком известного технического решения явл.яется динамическая несовместимость медленных переходных электромагнитных процессов в

цепи трансформаторно-выпрямительного блока и быстрых процессов в цепи электронно-лучевого тракта, приводящая к ограничению уровня мощности и снижению надежности устройства. Характерное время пробоя в пушке составляет менее одной микросекунды, а коммутационные интервалы в лампе - единицы и десятки микросекунд. Электромагнитная энергия, запасаемая в реактивных звеньях источника питания, не успевает рассеяться и в процессе ее преобразования возникают перенапряжения, опасные для выпрямителя и элементов элекгтронно-лучевого тракта.

Кроме того, использование электрон ной лампы для стабилизации тока при значительных изменениях проводимости пушки приводит к увеличению потерь в лампе, снижая тем самым ее надежность и ресурс.

Цель изобретения - повышение надежности источника питания в стационарном режиме и при технологических

КЗ и увеличение уровня мощности установки.

Для достижения поставленной цели электронно-лучевая установка, содержащая высоковольтный трансформатор с выпрямительным мостом, отрицатель ный полюс которого подключен через ключ, вьтолненный в виде электронно лучевой лампы с блоком сеточного уп равления, к катоду электронно лучевой пушки, установленной через лучевод на заземленной камере-аноде и датчики тока и напряжения лушки, выходы каждого из которых через пороговые злементы подключены к входам элемента И, связанного выходом с блоком сеточного управления, снабжена группой дросселей, подклю ченных одними концами к катодам вентилей катодной группы моста, а другими - соединенных в звезду, группой обратных диодов, катоды которых также подключены к катодам вентилей, а аноды соединены в звезду и заземлены через последовательную RC-цепочку, и -датчиком ионного тока, установленным в лучеводе и связанным выходом через дополнительный пороговый элемент с блоком сеточного управления ключа. Иа фиг. 1 изображена блок-схема установки} на фиг. 2 - семейство характеристик электронно-лучевой ла пы; на фиг. 3 - характеристики ионного тока; на фиг. 4 - один из вариантов блока управления лампой и блока сравнения. Устройство содержит высоковольтт Л трансформатор t и мостовой выпрямитель 2, отрицательньА полюс 3 которого соединен с катодом 4 электронно-лучевой лампы 5. Электронная I пушка б, содержащая катод 7 и зазем ленный анод 8, формирует аксиальносимметричный пучок 9, проходящий че рез систему 10 дифференциальной откачки в технологическую камеру 11 ч рез лучевод t2. Катодная группа вентилей 13 моетового выпрямителя соединена с груп пой обратных диодов 14, соединенных в звезду, и группой дросселей 15, также соединенных в звезду. ОСщая точка обратных диодов заземлена чер резистор 16 и конденсатор 17. Датчик 18 тока пушки в цепи мост вого выпрямители через блок 19 срав нения связан с блоком 20 сеточного управления электронно-лучевой лампы 21. Кроме входа 22 блок 19 сравнения имеет вход 23, связаннь с датчиком 24 напряжения пушки, и вход 25, связанный с зондовым датчиком 26 ионного тока, установлен 1ым у входа в технологическую камеру в лучеводе. В цепи датчика ионного тока включены пороговое устройство 27, источник 28 отрицательного потенциала и электронное реле 29. В контур обратных диодов введен защитный резистор 30. Блок 20 управления лампой может содержать источник 31 постоянного напряжения, соединенный последовательно с управляющим ключом 32 (например, маломощной электронной лампой) . Сигналы 33 управления подаются на вход управляемого ключа 34 через промежуточный развязываю ций трансформатор 35 и выпрямитель 36. Блок 20 управления содержит также источник 37 смещения и балластные резисторы 38 и 39. При отсутствии входного сигнала 33 ключ 32 и. соответственно мощная лампа 5 открыты. Блок 19 сравнения содержит два пороговых устройства 40 и 41, на входы которых поступают соот ветственно сигналы 22 и 23. Далее .сигналы поступают на логический элемент И 42, .триггер 43, управляемый ключ 44 и высокочастотный генератор 45. Сигнал от датчика 26 ионного тока поступает в блок 19 на вход 46 и после элемента И - непосредственно на вход триггера 43, связанного с устройством 47 автоматического повторного включения (АПВ). Устройство работает следуянцим образом. При отпирании электронной лампы 5, в качестве которой используется электронно-лучевой вентиль (ЭЛВ), в промежутке катод 4 - сетка 5 происходит ускорение электронного пото- ка с последующим глубоким его торможением на аноде. При этом происхогдит быстрое включение трансформаторно-выпрямительного блока на элек тронную пушку 6. Дроссели 15, вве- . анные в контур вентильной коммутации мостового выпрямителя 2 и одновременно в цепь анодного тока пушки. обеспечивают плавное нарастание Тока в электронно-лучевом тракте и . выход на рабочий режим, задаваемый семейством регулировочных характбрис-ЯК мощного ЭЛВ (фиг. 2). , 51 На фиг. 2 приняты обозначения: Лр,- анодный ток вентиля 5; f ано ное напряжение-, и - ускоряющее нап жение в цепи сетки, создаваемое бло ком 20, Уровень тока в цепи пушки задается уровнем ускорякмцего напряжения и между катодом А и сеткой 5 ЭЛВ, причем 0 V3 В квазистатическсж режиме устрой ство работает как мостовой выпрямитель с фильтрацией высших гармоник дросселями 15, что обеспечивает стабильность кроссовера пучка 9 в электронно-лучевом тракте и низкий потерь тока пучка на аноде и диафрагмах системы промежуточной откачки. При этом сигналы от датчика 18 и датчика 24 в блоке 19 сравнения заблокированы, а на датчик 26 ионного тока подан отрицательный потенциал от источника 28 Одной из наиболее вероятных причин развития технологического КЗ а мощной электронно-лучевой установ ке является взрывной процесс освобо дения примесей на поверхности метал ла, бомбардируемого пучком электронов, В этом случае пары примесей движутся от объекта нагрева вдоль дифференциально откачиваемого тракта пучка и попадают в рабочий объем пушки 6. Датчик 26 ионного тока регистрирует этот процесс и при превышении некоторого уровня ионного тока, заданного поро говым устройством 27, срабатьшает электронное реле 29, формируя сигнал, который запускает источник запирающего потенциала, входящий в блок 20. Характеристики тока в цепи датчика 26 (фиг, 3) имеют участок (P)i где плавного роста зондовый ионный ток Р - локальное давление у входа в лучевод 12. При некоторых критических значениях плотности и скорости движения примесей (паров) ионный ток яа зонд (датчик 26) начинает резко возрастать, что позволяет с опер ёжением зафиксировать начало процесса, при водящего к развитию дуги в промежутке катод 7 - анод 8 электронной пушки. Запаздывание пробоя в пушке по отношению к моменту фиксации дат чиком 26 роста ионного тока зависит от длины электройно-лучевого тракта, количества и мощности промежуточных откачных систем и др. 5 и составляет для мощных установок величину порядка ста и более микросекунд. Таким образом, осуществляется профилактическое гашение ускоряющего поля в пушке.6 путем быст- рого запирания ЭПВ 5. Цепь источника питания из режима номинального рабочего тока за время порядка 2030 МКС переводится в режим холостого хода. При этом в дросселях 15 наводится ЭДС самоиндукции обратного знака и происходит отпирание группы обратных диодов 14, соединенных в звезду. Энергия, накопленная в реактивных звеньях 15 источника питания, сбрасывается в контур, замкнутьй на резис тор 16 и конденсатор 17, в ходе колебательного процесса длительность которого определяется соотношением величин индуктивности и емкости звеньев 15 и 17. После изменения знака напряжения диоды 14 запираются и цепь источника питания готова к повторному включению на пушку 6, вакуум в которой быстро восстанавливается, поскольку аварийная ситуация не сопровождалась появлением дуги, а также нагревом и распылением материала электродов, Блоки 19 и 20 взаимодействуют следующим,образом. При увеличении ионного тока в технологической камере 11 сигнал с датчика 26 поступает на вход триггера 43, вызывая его опрокидывание, в результате чего открывается ключ 44, подающий питание на высокочастотный генератор 45. При этом высокочастотный сигнал по каналу 33 через развязывающий трансформатор 35 поступает на выпрямитель 36 и ключевой элемент 34 запирается, что приводит к снятию ускоряющего напряжения на сетке мощной лампы 5 и ее запиранию, В момент прихода сигнала с датчика 26 на вхоА триггера 43 запускается блок АПВ 47, который может быть собран по схеме одновибратора. Через 3Сданный интервал времени блок АПВ переводит триггер в исхоДное состояние, в результате чего лампа 5 снова выводится на рабочий режим. Если в пушке произошло все же технологическое КЗ, .аеханизм которого связан с увеличением ионного тока в технологической камере, то датчики 18 и 24 тока и напряжения вьщают сигналы, которые, проходя через пороговые устройства 40 и 41 и элемент И 42, запускают триггер .43, в результате чего происходит быстро.е отключение лампы 5. Использование двух сигналов, пропорциональных увеличению toKa и уменьшению напряжения на нагрузке, позволяет отстроиться от частичных разрядов и искровых пробоев в электронно-лучевом тракте, когда имеет место только падение напряжения без уменьшения рабочего тока. Такие режимы являются самовосстанавливаюшимися и не подлежат отключению с помощью лампы 5. Сигнал с датчика 26 поступает в тронное реле 29 (мультивибратор, , блокинг-генератор и т.д.), которое вьфабатывает импульс напряжения каждый раз, когда амплитуда ионного тока превышает уровень, заданный пороговым устройством 27,

Положительный эффект от применения изобретения обусловлен согласованием быстрых переходных процессов в цепи электронно-лучевого тракта и медленных электромагнитных процессов в трансформаторно-вьтрямительном блоке. Профилактическое гашение ускоряющего поля в пушке с помощью

сопровождаемое сбросом избыточной электромагнитной энергии в цепи преобразователя, позволяет избежать в большинстве случаев режима технологического КЗ, существенно влияющего на ресурс и надежность мощных технологических установок.

Кроме того, в предлагаемом устростве расширяются функциональные . возможности электронной лампы в цеп постоянного тока, поскольку пентодные характеристики прибора с электрокинетическим типом преобразования энергии согласованы с введением инерциальных дросселей в контур вентильных обмоток силового трансформатора, осуществляющих ограничейие тока в интервалах вентильной коммутации и сглаживание, пульсаций напряжения в цепи пушки. 1

Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить надежность и ресурс работы основного оборудовани технологической установки- и увеличить допустимый потолок мощности установки, применяемой для плавки тугоплавких металлов и сплавов, получения фасонных отливок, глубокой

а

9 49

я

ft

Jk

УЛ

г I

5)19

Фиг.2

ЭЛЕКТРОННО-ДУЧЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, содержащая высоковольтный трансформатор с выпрямительным мостом, отрицательный полюс которого подключен через ключ, выполненный в виде электронно-лучевой лампы с блоком сеточного управления, к катоду электронно-лучевой .-«i-V пушки, установленной через лучевод на заземленной камере-а соде, и датчики тока и напряжения пушки, выходы каждого из которых через пороговые элементы подключены к входам элемента И, связанного выходом с блоком сеточного управления, отличающаяся тем, что, с целью повышения Надежности в работе установки, она снабжена группой дросселей, подключенных одними концами к катодам вентилей катодной группы моста, а другими - соединенных в эвёвду, группой обратных диодов, катоды которых также подключены к катодам вентилей, а анодь соединены в звезду и заземленычерез последовательную СО RC-цепочку, и датчиком ионного тока, установленным в лучеводе и связанным выходом через дополнительный пороговый элeмeнt с блоком сеточного управления ключа.

ЯГ nmfnm.

5«- 41гг.З