Устройство высоковольтного питания ионных источников инжекторов термоядерных реакторов Советский патент 1986 года по МПК H03K3/53 

равления низковольтного источника питания постоянного тока, при этом вторые выходы цифрового управления микропроцессора подключены к входам цифрового источника опорных напряжений, а дополнительный вход шифратора подключен к выходу датчика пробоев.

3. Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что в .качестве зарядных ключей генератора импульсного напряжения включены цепочки, состоящие из последовательно соединенных диода и управляемого разрядника, а в качестве разрядных ключей управляемые разрядники, управляющие электроды разрядников соединены с выходами импульсного управления микропроцессора и выходами блоков сравнения через модуляторы поджигающих импульсов, причем выходы блоков сравнения подключены через модулятор к управляюащм электродам зарядных ключей, выходы микропроцессора через модуляторы подключены к управляющим входам разрядных ключей, а дополнительный вьрюд микропроцессора подключен через модулятор к зарядному ключу первой формирующей линии.

1. УСТРОЙСТВО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ ИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНЖЕКТОРОВ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ, содержащее низковольтный управляемый источник питания постоянного тока, зарядный реактор, генератор импульсного напряжения и повьшающий импульсный трансформатор, о тличающееся тем, что, с целью повьшения надежности, снижения габаритов и повышения точности стабилизации выходного напряжения устройства высоковольтного питания, генератор импульсного напряжения выполнен в виде набора формирующих линий, каждая пара которых одним выходом через разрядные ключи подключена к крайним вьюодам первичных обмоток импульсных трансформаторов , другим - к средней точке этих обмоток, а вторичные- обмотки трансформаторов подключены к входам неуправляемых высоковольтных выпрямителей, одни выходы которых соединены с нагрузкой, а другиемежду собой через датчик пробоев. 2. Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что с целью повышения точности стабилизации выходного напряжения, в него введены делители напряжения заряда формирующих линий, делитель напряжения ионного источника, блоки сравнения, цифровой источник опорных напряжений микропроцессор, блок цифрового фазового управления, блок преобразования кодов , шифратор, оптический канал связи, дешифратор, анало(Л го-цифровой преобразователь и цифровой фильтр, при этом средние выводы делителей напряжения заряда формирующих линий связаны с первыми входами блоков сравнения, вто00 00 О) рые входы которьк соединены с выходом цифрового источника опорных напряжений, средний вывод делителя наО5 пряжения ионного источника подключен к входу аналого-цифрового преобразосо со вателя, выходы которого соединены с входами цифрового фильтра, выходы цифрового фильтра через шифратор с оптическим выходом, оптический канал связи и дешифратор соединены с входами приема сигнала обратной связи микропроцессора, входы внешнего управления которого через блок преобразования кодов микропроцессора подключены к магистрали внешней связи, первые выходы цифрового управления микропроцессора подключены к входам блока цифрового фазового управления, выход которого подключен к входу уп

Изобретение относится к системам высоковольтного питания ионных источников инжекторов термоядерных реакторов.

Известны устройства высоковольтного питания, состоящие из повышающего трансформатора, регулируемого высоковольтного выпрямителя, модулятора на электронных лампах (мощн ключевых триодах), и защитных разрядных устройств.

Недостатком таких схем являются значительные весогабаритные характеристики оборудования, которое долно быть рассчитано на полное напряжение высоковольтного выпрямителя, что значительно увеличивает его габариты. Кроме того, надежность таких устройств невысока, так как возможны высоковольтные пробои в самих лампах при формировании заднего фронта импульсных ускоряющих напряжений, необходимость формирования которых в заданных пределах при авариях в ионных источниках имеет особое значение.

Наиболее близким к данному изобртению является устройство высоковольтного питания ионных источников инжекторов термоядерных реакторов, содержащее низковольтный управляейый источник питания постоянного тока, зарядный реактор, генератор импульсного напряжения и повьшающий импульсный трансформатор.

Однако недостатком такого устройства, помимо значительных габаритов (так как в нем требуются высоковольтный фильтр и защитное разрядное устройство) является необходимость обеспечения совместной работы двух разiличных по типу устройств: мощного модулятора и инвертора, поскольку частоту мощных инверторов невозможно повысить до 100 кГц, при которой

обеспечивается требуемая длительность фронтов ускоряющего напряжения (не более 10 мкс). Кроме того, необходимость согласования работы двух различных по типу устройств

значительно снижает надежность работы установки-.

Целью изобретения является повышение надежности, снижение габаритов и повьш1ение точности стабилизации выходного напряжения устройства высоковольтного питания.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве высоковольтного питания ионных источников инжекторов термоядерных реакторов, содержащем низковольтный управляемый источник питания постоянного тока, зарядный реактор, генератор импульсного напряжения и повьш1ающий импульсный трансформатор, генератор импульсного напряжения вьтолнен в виденабора формирующих линий, каждая пара которых одним выходом через разрядные ключи подключена к крайним вьгоодам первичны; обмоток импульсных трансформаторов, другим - к средней точке этих обмоток, а вторичные обмотки трансформаторов подключены к входам неуправляемых высоковольтных выпрямителей, одни выходы которых соединены с нагрузкой, а другие - между собой через датчик пробоев. Кроме того, в устройство введены делители напряжения заряда формирующих линий, делитель напряжения ионного источника, блоки сравнения, цифровой источник опорных напряжений, микропроцессор, блок цифрового фазового управления, блок преобразования кодов, шифратор, оптический канал связи, дешифратор, аналого-циф ровой преобразователь и цифровой фильтр, при этом средние вьшоды дели телей напряжения заряда формирующих линий связаны с первыми входами блоков сравнения, вторые входы которых соединены с выходом цифрового источника опорных напряжений, средний вывод делителя напряжения ионного источника подключен к входу аналогоцифрового преобразователя, выходы которого соединены с входами цифрового фильтра, выходы цифрового фильтра через пшфратор с оптическим выходом, оптический канал связи и дешифратор соединены с входами приема сигнала обратной связи микропроцессора, блок преобразования кодов, вхо ды внешнего управления которого через блок преобразования кодов микропроцессора подключены к магистрали внешней связи, первые выходы цифрового управления микропроцессора подключены к входам блока цифрового фазового управления, выход которого подключен к входу управления низковольтного источника питания постоянного тока, при этом вторые выходы цифрового управления микропроцессора подключены к входам цифрового источника опорных напряжений, а дополнительный выход шифратора подключен к выходу датчика пробоев. Кроме того, в устройство в качестве зарядных ключей генератора импульсного напряжения включены цепочки, состоящие из последовательно соединенных диода и управляемого разрядника, а в качестве разрядных ключей - управляемые разрядники, управляющие электроды разрядников 9 4 соединены с выходами импульсного управлений микропроцессора и выходами блоков сравнения через модуляторы поджигающих импульсов, причем выходы блоков сравнения подключены через модуляторы к управлякнцим электродам зарядных ключей, выхо; р( микропроцессора через модуляторы подключены к управляющим входам разрядных ключей, а дополнительный выход микропроцессора подключен через модулятор к зарядному ключу первой формирующей линии, Функциональная схема устройства высоковольтного питания ионных источников инжекторов термоядерных реакторов изображена на фиг. I, на фиг. 2 - диаграмма выходного высоковольтного напряжения питания ионного источника. Устройство состоит из набора формирующих линий 1 , 2, 3 и 4, ко-. торые через зарядные ключи из последовательно соединенных диодов 5, 6, 7 и 8 и управляемых разрядников 9, 10,11 и 12, и общий зарядный реактор 13 подключены к управляемому источнику 14 питания постоянного тока. Через разрядные ключи на управляемых разрядниках 15, 16, 17 и 18 и два разделительных импульсных трансформатора 19 и 20 со средней точкой на первичной стороне формирующие линии Г, 2, 3 и 4 связаны с высоковольтной платформой 21, на которой расположены выпрямители 22 и 23, подключенные к вторичным обмоткам импульсных трансформаторов 19 и 20, выпрямители 22 и 23 включены последовательно с общей нагрузкой - ионным источником 24 и датчиком 25 пробоев. Через делитель Напряжения йонного источника 26 ионный источник 24 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 27, выходы которого подсоединены к входам цифрового фильтра 28, а выходы цифрового фильтра подключены к входам шифратора 29 с оптическим выходным информационным сигналом, дополнительный вход шифратора 29 подключен к выходу датчика 25 пробоев. Управляющие электроды управляемых разрядников 15, 16, 17 и 18 подключены к выходам модуляторов 30, 31, 32 и 33, поджигающих импульсов входы которых подключены к выходам микропроцессора 34, через блок преобразования входных кодов 35 микропроцессор ЗА подключен к магистрали 36 внешней связи, другие выходы микропроцессора 34 соединены с входами цифрового источника 37 напряжения и с входами блока 38.цифрового фазового управления с обратной связью от .источника 14.

Управляющие электроды управляемых разрядников 9, 10, 11 и 12 подключены к выходам модуляторов 39, 40, 41 и 42 поджигающих импульсов, их входы подключены к выходам блоков сравнения 43,. 44, 45 и 46, дополнительный вход блока 43 сравнения подключен к дополнительному выходу микропроцессора 34, формирующи линии 1, 2,3 и 4 через делители напряжения заряда формирующих линий 47, 48j 49 и 50 подключены к входам блоков сравнения 43, 44, 45 и 46, другие входы этих блоков подключены к выходу цифрового источника 37 опорных напряжений, шифратор 29 через оптический канал 51 связи подключен к входу дешифратора 52, выходы которого подключены к соответствующим входам микропроцессора 34.

В микропроцессор 34 записывается микропрограмма работы всего устройства с установкой необходимого начального уровня высоковольтного напряжения на ионном источнике (нагрузка 24). Ввод необходимых данных производится от центральной УВМ через магистраль 36 связи и преобраватель кодов 35. По команде Пуск микропроцессеор 34 вырабатьшает импульс, которьй поступает на вход модулятора 39Т1оджигающих- .«импульсов срабатывает ключ заряда фо мирующей линии 1, состоящий из диода 5 и управляемого разрядника 9, и происходит резонансный разряд формирующей линии I от низковольтного управляемого источника 14 питания через зарядный реактор 13. На блок 45 сравнения поступает сигнал с источника 37 опорных напряжений и сигнал с делителя напряжения заряда формирующих линий 47, несущего информацию об / уровне заряда формирующей линии 1. При равенстве этих сигналов срабатывает блок 45 сравнения и модулятор АI поджигающих импульсов. В результате вк/почается ключ заряда формирующей линии 3, состоящий из диода 7 и управляемого разрядника 11. Ключ заряда формирующей линии 1 при этом запирается разностью напряжений заряженных формирующих линий 1 и 3, подключаемой через реактор 13 к низковольтному управляемому источнику 14 питания. После разряда формирующей линии 3 происходит аналогичный процесс заряда формирующей линии 2 и 4. Среднее время заряда каждой формирующей линии выбрано равным длительности рабочего импульса по уровню 0,5, на которую расчитана каждая линия. Командные импудьсы разряда формируются в микропроцессоре 34 и при условии генерации формирующими линиями импульсов одинаковой длительности по уровню 0,5, следует с интервалами друг относительно друга, равными длительности импульса генерации одной формирующей линии по уровню 0,5.

Первый командный импульс разряда, поступающий на управляемый разрядник 15, задержан относительно первого командного импульса на заряд формирующей линии 1, поступающего на управляемый разрядник 9, на время в 1,5 раза больше длительности рабочего импульса по уровню 0,5, на которую рассчитана каждая формирующая линия.

Второй и последующие командные импульсы на разряд формирующей линии 1, поступающие на. управляемый разрядник 9 через модулятор 39 поджигающих импульсов, формируются блоком 43 сравнения.

При соответствующем подборе параметров формирующих линий и временного сдвига командных импульсов на заряд и разряд обеспечивается надежное запирание зарядных ключей после резонансного заряда каждой формирующей линии, причем передний и задний фронты импульсов, формируемых соответствующим - формирующими линиями с помощью импульсных трансформаторов 19 и 20 складьтаются так, что закон изменения напряжения на нагрузке 24 близок к квазинепрерывному (см. фиг. 2).

При совместной работе импульсных . трансформаторов 19 и 20 высоковольтные напряжения, снимаемые с вьшряМигелей 22 и 23 складываются на наг рузке 24, причем при работе одного импульсного трансформатора ток через нагрузку 24 замыкается через плечи выпрямителя, подключенного к другому импульсному трансформатору. Стабилизация уровня выходного высоковольтного напряжения предлагаемог устройства осуществляется с помощью импульсной стабилизации напряжения заряда формирующих линий 1, 2, 3 и 4. Сигнал обратной связи с делителя напряжения ионного источника 26 через аналого-цифровой преобразователь 27 поступает на цифровой фильт 28, с выхода которого информация в . цифровой форме поступает на шифратор 29 с оптическим выходом. По каналу 51 оптической связи на гибком стекловолокне информация с высоковольтной платформы 21 поступает чврез дешифратор в микропроцессор 34. По сигналу обратной связи в микропроцессоре 34 вырабатывается сигнал коррекции, который, воздействуя на блок цифрового фазового управления 38 и общую величину опорного напряжения с выхода источника 37 опорного напряжения изменяет в конечном итоге постоянную составляющую высоковольтного напряжения на нагрузке 24 до уровня, который записан в программе микропроцессора 34.

Такое построение системы управления и стабилизации позволяет осуществить глубокое регулирование выходного напряжения на нагрузке 24 используя управление от центральной УВМ.

Амплитудная пульсация напряжения на нагрузке 24, возникающая из-за различных характеристик ячеек контуров, устраняется путем формирования в микропроцессоре 34 сигнала подкоррекции и наложения его на сигнал общего опорного напряжения.

Точность стабилизации предлагаемого устройства обеспечивается применением цифровой системы регулирования и стабилизации и обеспечивается точностью заряда конденсаторов формирующих линий 1, 2, 3 и 4 при реализации импульсной стабилизации напряжения заряда каждой ячейки устройства и параметрической стабильностью соответствующих элементов, входящих в него.

При пробоях в нагрузке 24 сигнал с датчика 25 пробоев поступает на шифратор 29 и через оптический канал 51 связи и дешифратор 52 - в микропроцессор 34 и задерживает срабатывание управляемого разрядника следующей по времени вступления в работу формирующей линии на время, требуемое для восстановления электрической прочности ионного источника после пробоя.

Описанное устройство позволяет получить выходное высоковольтное напряжение с параметрами, необходимыми для питания ускоряющих промежутков ионных источников инжекторов в квазинепрырвном режиме работы для дополнительного нагрева плазмы термоядерных

реакторов.

Достоинствам устройства является возможность унифицированного исполнения его и регулирование выходного напряжения в.широких пределах с использованием микропрограммного принципа управления в режиме местного управления или дистанционного от центральной УВМ.

0 Регулирование напряжения на ионном источнике возможно как за счет регулирования низковольтного управляемого источника питания формирую цих линий при установленных данных.им5.« пульсных трансформаторов, так и за счет изменения их коэффициента трансформации без изменения формирующей части схемы. Практически предлагаемое устройство может обеспечить

ть уровКЮ В

0 ни выходного напряжения от 50.

.10 В и Bbmie при мощности в десятки МВт, причем габариты оборудования, применяемого в устройстве,

практически не меняются.

В устройстве автоматически обеспечивается защита ионных источников при высоковольтных дуговых пробоях и тем самым повьш1ается надежность устройства в целом, так как разрядный ток пробоя ограничивается амплитудой, только в два раза превьш1ающей номинальное значение, благодаря использованию формирующих линий и длительностью его протекания в ионном источнике в течение времени работы одной формирзт)щей линии, т.е. не более 100 мкс. После пробоя в ионном источнике срабатывание следующих формирующих линий может быть задержано на время, требуемое для восстановления электрической прочности ионного источника , запретом срабатьшания следующих по времени формирующих линий.

t,MceK