Высоковольтный источник питания постоянного тока с токовой защитой Советский патент 1987 года по МПК H02M7/12 H02H7/12 

но приближалось к заданному значению напряжения. При этом часть источников среднего значения выполнена с одинаковым выходным напряжением. Другая же часть этих источников имеет выходное напряжение, равное 1/2 части среднего напряжения, где m

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника питания, к которому предъявляются высокие требования с точки зрения отдаваемой мощности и защиты от коротких замыканий.

Цель изобретения - повышение КПД и надежности.

На фиг.1 дана принципиальная схема высоковольтного источника; на фиг.2 - предпочтительный пример исполнения источника среднего напряжения; на фиг.З - принципиальная схема высоковольтного источника с добавочным управлением и регулированием выходного напряжения; на фиг.4 пример осутцествления потенциальной изоляции (развязки) в устройстве из- керения тока; на фиг.5 - процесс управления и регулирования во времени в виде кривой Uo(t), где U(, - выходное напряжение.

Высоковольтный источник (фиг.1) состоит из п источников 1 среднего напряжения, на выходах .которых по- являются соответственно сред ние напряжения и,. ..,Uj,. Далее, под термином среднее напряжение имеются .ввиду напряжения в несколько сотен вольт и до нескольких киловольт Источники среднего напряжения выходами соединены последовательно так, что выходное напряжение Ug равно сумме всех средних напряжений при включении всех источников среднего напряжения . Каждьш из источников 1 среднего напряжения содержит по мен шей мере один коммутационный элемент 2, который внутри источника включен так, что при его размыкании ток на выходе источника отсутствует

1, 2, 3,... Это способствует уве- личению отдаваемой в нагрузку мощности. Введение диодов 13 исключает падение полного выходного напряжения на каком-либо коммутационном элементе при его размыкании. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

Коммутационные элементы 2 через соответствующие линии управления, которые вследствие разделения потенциалов между силовой частью и управ- 5 лением предпочтительно выполнять в виде световодов, соединены с блоком

3управления коммутацией, вход которого соединен с выходом детектора

4граничного значения, входом со- 0 единенным с устройством 5 измерения

тока, включенного в цепь 6 нагрузки. Высоковольтные источники через два выходных провода 7 и 8 соединены с выходными выводами 9 и 1р. Выход5 ные клеммы 11 и 12 каждого источни- ка 1 среднего напряжения соединены включенным в обратной полярности диодом 13 холостого хода.

Источник среднего напряжения

0 (фиг.2) состоит из мостового вьшря- мителя 14, вход которого соединен с питающей сетью 15 через сетевой

трансформатор (не показано. К вы- ходу выпрямителя подключен Э)Ильтр из дросселя 16 и конденсатора 17.

С помощью выходных проводов 18 . и 19 сниженное постоянное напряжение, подается на выходные клеммы 11 и

30 12. В выходной провод 19 в качестве коммутационного элемента включен тиристор 20, управляющий вход которого соединен с блоком 21 запуска. Б каждом источнике среднего напряжения предусмотрено настроенное на отдельный источник дополнительное контрольное устройство, состоящее из включенного в выходной провод 18 устройства 22 измерения тока и допол Q нительного детектора 23 граничных значений, включенного между выходом устройства 22 измерения тока и вхо- . дом блока 21 запуска.

35

Устройство по фиг.З отличается подключением источников 1 среднего напряжения к питающей сети через трансАорматор 24 с разделительными вторичными обмотками, причем, кажды из источников подключен к с оответ- ствующей вторичной обмотке. Выпрямительные и сглаживавдие функции этих источников символически показаны диодом 25 и конденсатором 26. Трансформатор 24 может быть однофазным или трехфазным. Кроме того в устройство введены дополнительно логическая схема 27 управления и устройство 28 измерения напряжения.

Для прямого соединения между устройством 5 измерения тока и логической схемой 27 управления необходима потенциальная изоляция, которая предпочтительно осуществляется внутри устройства 5 измерения тока по фиг.4. Эта изоляция- осуществляется следующим образом. Ток нагрузки 1ц течет через магнитную катуп - ку 29, которая в экстремальном случае может состоять из прямого участка провода. Магнитное поле катушки 29 воздействует на элемент Холла 30, который запитывается стабильным постоянным током от источника питания (фиг.4, не показан). Зависящее от магнитного поля напряжение Холла подается на преобразователь аналог - цифра 31, который из напряжения Холла делает цифровой сигнал, пропорциональный току нагрузки 1 , и передает его для сравнения с заданным граничным значением на логическую схему 27 управления. Таким же образом можно произвести потенциальную изоляцию (развязку) внутри устройства 28 измерения напржения, если подлежащее измерению напряжение сначала с помощью прецизионого резистора преобразуется в соответствующий ток. I.

Высоковольтный источник питания

работает следующим образом.

При отключении части источников 1 среднего напряжения благодаря установке диодов 13 холостого хода, ток нагрузки при соответственно уменьшенном выходном напряжении U беспрепятственно может протекать через диоды холостого хода отключенных источников, и разомкнутые коммутационные элементы будут под на- пряжением, которое незначительно

больше, чем среднее напряжение соответствующего источника среднего напряжения. Так, если, например, разомкнут коммутационный элемент 2 первого источника 1 среднего напряжения, то при замкнутых коммутационных элементах остальных источников выходное напряжение U уменьшится на

0 среднее напряжение Uj . Соответственно уменьшенный ток нагрузки протекает через диод 13 холостого хода первого источника. Все диоды 13 других источников среднего напряжения

5 находятся под обратным запирающим напряжением своих источников, через которые протекает ток нагрузки. Так как диод 13 первого источника среднего напряжеш{я работает в режиме

0 пропускания, то на выходах 11, 12 этого источника будет разность потенциалов, равная прямом падению напряжения на указанном диоде, которая пренебрежимо мала по сравнению

5 со средним напряжением U,. Поэтому, на разомкнутом кo Iyтaциoннoм эле- менте 2 падает лишь такое напряжение, которое выдается первым источником

1среднего напряжения и равно .сред- 0 нему значению напряжения U, „

При отсутствии диодов холостого хода ток нагрузки 1 при размыкании .одного из коммутационных элементов

2прервался бы полностью, и тогда на разомкнутом коммутационном элементе появилось бы полное выходное напряжение U, . Детектор 4 граничного значения вьщает команду отключения на блок 3 управления коммутацией,

0 который преобразует ее в соответствующие команды управления на отдельные коммутационные элементы 2. Эти команды управления находятся в интервале времени, которьш меньше

5 или равен требуемому времени отключения, В случаях, когда необходимо заданное спадание тока нагрузки Ij , команды управления могут вьщаваться также и со сдвигом во времени,чтобы

Q ток нагрузки 1 уменьшался соответствующими ступенями.

Целесообразно источники среднего напряжения выполнять идентичными, дающими на выходе одинаковое среднее

напряжение U,. Тогда выходное напря жение Ug при п источниках равно

Uo UM/ п.

Источник среднего напряжения по фиг.2 работает следующим образом.

Переменное трехфазное напряжение сети 15 выпрямляется выпрямителем 14.

Сглаженное напряжение с помощью дросселя 16 и конденсатора 17 подается- на выход 11, 12. В выходном проводе 19 включен в пропускагацей по- лйрности выключаемый тиристор 20, на управляющий вход которого подаются импульсы управления с блока 21 запуска. Эти импульсы управления формируются с помощью блока 3 (фиг.1). Ток нагрузки I, контролируется устройством 5 измерения тока (фиг.1) и детектором А граничных значений. Поскольку указанный контроль тока нагрузки обеспечивает задание граничного знaчeIiия без учета индивидуальных требований к каждому из источников среднего напряжения,.в каждом источнике предусмотрено настроенное на конкретный источник дополнительное контрольное устройство, включающее устройство 22 измерения тока и детектор 21 граничных значений (фиг.2). Поэтому тиристор 20 может отключаться как по команде основного блока 3 управления, так и от местного детектора 23 граничного значения.

Так как ток нагрузки течет через ка.ждый из источников среднего напряжения, коммутационный, элемент которого замкнут, то в устройствах 5 и 20 измерения тока в нормальном случае изменяется одинаковый ток. -Комбинация центрального контроля с местным контролем тока в отдельных Источниках представляет собой двойной предохранитель, причем благодаря местному контролю тока исключаются короткие замыкания, -происходящие до устройства 5 измерения тока. При отсутствии устройства 5 измерения тока, токовая загцита интегрируется в каждом источнике 1. Однако-в этом случае для достижения максимально короткого общего времени отключения высоковольтного источника питания необходим узкий допуск по отключению различных источников среднего напряжения.

Регулирование выходного напряжения осуществляется следующим образом .

Так как источники среднего напряжения выполнены с возможностью

индивидуального подключения и отключения, то посредством комбинирования различных средних напряжений при соответствующем управлении можно получить различные ступени выходного напряжения U . Если все источники среднего напряжения вьщают одно и то же среднее значение напря- жения и, то путем поочередного подключения отдельных источников можно получить ступенчатое выходное напряжение от UJ, до п-и . Отклонение фактического значения выходного на- пряжения и от заданного значения Uy может быть в этом случае ограничено максимальной величиной .Это максимальное отклонение может быть уменьщено, если большинство источников среднего напряжения имеют оди

наковое значение U, а напряжения остальных источников среднего напряжения по ступеням имеют меньшее среднее напряжение, равное , причем т 1, 2, 3,...

Регулирование выходного напряжения осуществляется с помощью логической схемы 27 управления (фиг.3),на входы которой поступают сигнал с детектора 4 граничного значения, сигнал, соответствующий заданному значению напряжения Ug, и сигнал с устройства 28 измерения выходного напряжения. Логическая схема 27 управления делит величину заданного напряжения U ,на величину среднего напряжения U и определяет необходимое количество источников среднего напряжение, которые надо включить, чтобы максимально приблизить значение и„ к и

.

Если сверх этого имеются источни- ки среднего напряжения с двоично убывающими средними напряжениями , то логическая схема 27 управления по величине остающегося после деления остатка добавочно вклю- чает часть ступенчато убывающих по напряжению источников, которые в соответствующей комбинации далее уменьшают отклонение выходного напряжения и от заданного Ug. Результат из логической схемы 27 управления в двоичной форме передается на блок 3, откуда соответствующие команды управления по линиям управления попадают на коммутационные элементы 2.

Функции управления в зависимост от заданного напряжения U внутри логической схемы 27 управления с поритетом предшествует функция токовой защиты. Команда отключения из детектора 4 граничного значения пррывает процесс управления ив виде команды отключения дл я всех источников среднего напряжения передается на блок 3. Чтобы после такого аварийного отключения по истечении заданного времени вновь появилось выходное напряжение U, , внутри логической схемы 27 может быть предусмотрен датчик времени, который начинает включение вновь источников среднего напряжения по заданной величине напряжения U.- по истеО

чении определенного времени,

С помощью устройства 28 измерения напряжения Непрерывно измеряется фактическая величина выходного напряжения U,. Результат каждого замера додается на соответствующий вход логической схемы 27 управления которая сравнивает U и Ug и формирует разность обеих величин. Из модуля и знака этой разности она определяет, какие и сколько источников среднего напряжения должны быть включены или выключены, и, кроме того, посредством деления описанного вьппе типа для того, чтобы свести к минимуму отклонение U, от

sЛогическая схема 27 управления

предпочтительно образована одним ил несколькими микропроцессорами, которые выполняют необходимые для управления регулирования этапы расчета и предпринимают соответствующий выбор источников среднего напряжени В этом случае можно также отказаться от отдельного детектора 4 граничного значения, если данные измерения тока нагрузки I, из устройства 5 измерения тока в цифровой фоме вьщаются на логическую схему 27 управления и там сравниваются также с цифровым и запомненным граничным значением для тока нагрузки 1(.

Для прямого соединения между устройством 5 измерения тока и логической схемой 27 управления необходима потенциальная изоляция, которая предпочтительно осуществляется

5

в.нутри устройства 5 измерения тока по схеме фиг.4.

Процесс управления и регулирования во времени воспроизведен в виде кривой ( фиг.5). Штрих-пунктирная огибающая заданного напряжения Uj. показывает ход напряжения, который в идеальном случае имело бы 0 и выходное напряжение U , Линейное нарастание U между моментами и моментом ti осуществляется последовательным подключением источников среднего напряжения ступенями U. Так и в момент t, переходит в

- &

горизонтальную прямую, которая примерно на превышает последнее включенное значение ступени U , начиная с момента t, более уже не подключаются источники с полным средним напряжением U, а подключается лишь источник с убывающим по двоичному закону напряжением .

В момент tj начинается колебание

5 нагрузки, которое выражается уменьшением сопротивления нагрузки и снижением выходного напряжения U. К моменту t 4 UQ настолько снижается, что логическая схема управления для

0 ликвидации разности между U и U . производит добавочное включение источника среднего напряжения. Источник среднего напряжения с выходным напряжением выключается, а другой источник среднего напряжения

0

5

0

точно. Us - и.

5

0

5

и подключается.

I

В результате выходное напряжение

Ug увеличивается на и„/2, что доста- чтобы свести к нулю разность . Если выходное напряжение Uj, и дальше падает, то в момент t- логическая схема управления вновь включает источник среднего напряжения так, что вновь происходит согласование U, и Ug. Регулирование по фиг.5 подвержено боль- шим колебаниям, потому что на этом изображении для наглядности исходили из существования только одной ступени среднего напряжения с двоично-уменьшенным напряжением . Соответственно, сглаженное управление и регулирование получается, если внутри высоковольтного источника имеется множество источников среднего напряжения с двоично-убьшаю- щими величинами напряжения , имА,, и„/16,...

Формула изобретения

1, Высоковольтный источник питания постоянного тока с токовой защитой, содержащий источник высокого напряжения, один вывод которого через первый выключатель для быстрого отключения тока нагрузки, а другой - через устройство измерения тока нагрузки соединены с выходными выводами, и детектор граничного значения, вход которого соединен с выходом устройства измерения тока нагрузки, а выход - с управляющим входом второго выключателя, выход которого соединен с управляющим вхором первого выключателя, отличающийся тем, что, с цельто . повьшения КПД и надежности, источник высокого напряжения выполнен в виде нескольких источников среднего.напряжения, а первый выключатель для быстрого отключения тока нагрузки выполнен в виде тиристоров, ка.ждый из которых включен в выходную цепь соответствующего источника среднего

16

Р--.в ооопгл. ч

/7

напряжения, причем, выводы источников среднего напряжения соединены между собой последовательно через

дополнительно введенные диоды холостого хода,- каждый из которых включен в обратном направлении параллельно выходу соответствующего источника среднего напряжения, одна часть

источников среднего напряжения выполнена с одинаковым выходным напряжением, а другая - с выходным напряжением, составляющим 1/2 части среднего напряжения, где т 1,2,...

2. Источник питания по п.1, о т- л и ч а ю щ -И- и с я тем, что каждый источник среднего напряжения дополнительно снабжен включенным в одну из его выходных цепей собственным устройством измерения тока, который через последовательную цепь -из дополнительно введенных собственного детектора граничного значения и бло- ка управления соединен с управляющим электродом тиристора, включенного в его другую выходную цепь.

-

22

,//

f/

/

fS

fZ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника питания, к которому предъявляются высокие требования к величине отдаваемой мощности и защите от коротких замыканий. Цель изобретения - повьппение КПД и надежности. Устройство состоит из п последовательно соединенных источников среднего напряжения 1. Каждый источник среднего напряжения по выходу зашунтирован диодом 13 холостого тока. В выходную цепь каждого источника включен коммутационный элемент 2, включение и отключение которого осуществляется по сигналу управления, поступающему от блока 3 управления коммутацией.Формирование сигналов управления осуществляется с помощью детектора 4 гранич1а1х значений токов, устройства 5 измерения выходного тока и блока 3 управления. В результате управления к выходным выводам 9,10 подключается такое количество источников среднего напряжения, чтобы суммарное выходное напряжение максимальСО /2 8 W Фиг.

--АЭ

{i.

и„12