Система автоматического регулирования высокого напряжения Советский патент 1983 года по МПК G05F1/46 

Изобретение.относится к системам автоматического регулирования для. питания высоким напряжением электротехнического оборудованияj в частности рентгеновских аппаратов и электрофизической аппаратуры.

Известны быстродействующие системы стабилизации высокого напряжения, обеспечивающие необходимый уровень пульсаций выходного напряжения и заданную стабильность этого напряжения без применения громоздких массивных фильтров.

. .В этих системах выходные выпрямители включены по каскадной схеме; регулирование, в узком диапазоне изменения выходного выпрямленного напряжения производится с помощью широкополосного трансформаторно-транзисторного регулятора, включенного последовательно с первичной обмоткой трехфазного высоковольтного трансформатора. Глубокое регулирование выходного напряжения производится с помощью узкополосного регулятора, переменного напряжения (автотрансформатора с ручным или автоматическим приводом), широко изменяющего питающее напряжение, подаваемое на первичную обмотку высоковольтного тран

.сформатора через последовательно включенную первичную обмотку широкополосного регулятора 1 J.

t Недостатком такой системы регулирования высокого напряжения является необходимость применения согласующего трансформатора широкополосного регулятора и батарею регулирующих тран1п зисторов, рассчитанных на полную мощность высоковольтной нагрузки. Это требует удвоения железа трансформатора и увеличивает габариты соответственно всей системы питания, за счет увеличения мощности силовых

15 элементов, находящихся под низким потенциалом.

Наиболее близкой к предлагаемому является система автоматического регулирования высокого напряжения. Для

повышения надежности регулировка

высокого напряжения в системе осуществляется по цепям переменного тока, находящимся под низким потенциалом. Выходное напряжение в этой систе25 ме представляет собой сумму напряжений на выходе двух выпрямителей« нерегулируемого и регулируемого, шунтируемых конденсатором фильтра. Регу,лирование и стабилизация выходного .

30 высокого напряжения осуществляется с помощью регулирующего элемента, состоящего из коммутирующих вентиле собранных по 3-фазной мостовой. схеме Ларионова, и транзисторов, шунтирующих выходное напряжение выпрямителя регулятора. Сигнал управления транзисторов формируется схемой сравнения, включающей в себя да чик напряжения, подключенный к выходным клеммам высоковольтного.исто ника/ источника задающего напряжени и регулятора напряжения, усиливающе го разностный сигнал отрицательной обратной связи до необходимого -уров ня. При этом вторичные обмотки высоковольтного трансформатора соединен по схеме треугольник для одного регулирующего выпрямителя и по схем звезда - для другого нерегулиру-емого выпрямителя, что снижает уровень пульсации выходного напряжения при умеренных габаритах емкостного фильтра и соответственно всей систе мы. 2.J. Однако при глубокой регулировке выходного напряжения равенств амплитуд переменного напряжения в обмотках треугольник и звезда нарушается и появляются более низко частотные составляющие пульсаций, чем основная-частота преобразования 600 Гц и, соответственно, увеличивается уровень пульсаций на выходе выпрямителей. Это, в свою очередь, приводит к необходимости увеличения габаритов фильтра и всей си стемы. Включение индуктивного элемента в фильтр сильно увеличивает габариты при больших, токах нагрузки системы, так как габариты дросселя пропорциональны L1. При этом ухудшается динамика системы и ее переходный процесс. Повышение требовани к уровню пульсаций и получение мень шей величины пульсаций в выходном напряжении высоковольтного источника питания приводит к необходимости увеличивать емкость фильтра, а следовательно, и ее габариты. С другой стороны, увеличение постоянной времени фильтра сужает полосу пропуска ния регулирующего и выходного элементов системы, снижает ее быстро-у действие. Целью изобретения является сниже ние уровня пульсаций выпрямленного напряжения при уменьшении габаритов системы автоматического регулирования высокого напряжения. Указанная цель достигается тем, что в систему автоматического регулирования высокого напряжения, соде жащую основной и вольтодобавочный выпрямители, соединенные по выходу последовательно и подключенные к вы ходным выводам, датчик напряжения, включенный параллельно выходным выводам, конденсатор фильтра, широкополосный регулятор переменного напряжения, источник задающего напряжения, регулятор напряжения и сумматор, один вход которого соединен с выходом датчика напряжения, другой вход - с источником задающего напряжения, а выход - с входом регулятора напряжения, дополнительно введены второй датчик напряжения, второй сумматор, второй регулятор напряже- . ния и узкополосный регулятор переменного напряжения, инвариантный относительно колебаний напряжения питающей сети, причем конденсатор фильтра подключен к выходу основного выпрямителя, к выходу вольтодобавочного выпрямителя подключен в.ход второго датчика напряжения, выход которого подключен к входу второго сумматора, к другому входу которого подключен выход первого регулятора напряжения, выход второго сумматора подсоединен к входу второго регулятора напряжения, выход которого подключен к одному входу широкополосного регулятора переменного напряжения, один выход которого подключен к входу.вольтодобавочного- выпрямителя , другой выход широкополосного регулятора - К входу узкополосного регулятора переменного напряжения, инвариантного относительно колебаний напряжения питающей сети, выход которого соединен с входом основного выпрямителя и с вторым входом широкополосного регулятора переменного напряжения, причем вторичные обмотки каждого из высоковольтных трансформаторов основного и вольтодобавочного выпрямителей соединены в звезду и в треугольник, и их лучи и вершины подключены к своему мостовому двухполупериодному выпрямителю, соединённым между собой последовательно. На чертеже представлена принципиальная схема системы автоматического регулирования. Система содержит основной выпрямитель 1 со сглаживающим фильтром 2 и последовательно с их выходом подключен вольтодобавочный выпрямитель 3 с включенным на его выход датчиком 4 напряжения. Выход выпрямителей 1 и 3 подключен к выходным клеммам 5 системы, а также датчик напряжения б, входящий в цепь отрицательной обратной СВЯЗИ, содержащей сумматор 7, с входами которого соединены выходы источника задающего напряжения 8 и датчика напряжения 6. Выход сумматора 7 через регулятор на- пряжения 9 подсоединен к однол у из входов второго сумматора 10, к другому входу которого подсоединен выход датчика напряжения 4. Выход сумматора 10 через второй регулятор 11 напряжения подсоединен к входу 12 широкополосного регулятора 13 переменного напряжения, к второму входу 14 которого, а также к входу основного выпрямителя, подключен выход узкополосного регулятора 15 переменного напряжения, инвариантного относительно колебаний питающего напряжения. Один вькод 16 широкополосного регулятора 13 переменного напряжения соединен с входом 17 узкополосного регулятора 15, а другой выход 18 широкополосного регулятора 13 подсоединен к входу вольтодобавочного выпрямителя 3. Вольтодобавочный выпрямитель 3, датчик 4, второй сумматор 10, второй регулятор 11 и широкополосный регулятор 13 переменного напряжения образуют внутренний контур стабилизации 19, а внешним контуром является вся система. Система автоматического регулирования работает следующим образом, На входы второго сумматора 10 поступает задающее воздействие U,, от регулятора, напряжения 9 и напряжение отрицательной обратной связи f где напряжение на выходе вольтодобавочното выпрямителя t f коэффициент отрицательной обратной связи внутреннего контура стабилиза ции 19 для выходного напряжения и вольтодобавочного выпрямителя 3 с точностью до сигнала рассогласования ({ (и,().) . Замкнутый контур стабилизации 19 отслеживает изменение задающего воздействия U|. Напря жение, Ujj на выходе регулятора напря жения 9 формируется как усиленный сигнал рассогласования, подаваемый с выхода первого сумматора 7, на входаз которого поступает первичное . задающее воздействие с источника задающего напряжения 8 и с выхода д чика напряжения б, напряжение отрицательной обратной связи р)(2.(и.+и/) , где - коэффициент обратной связи всей системы, стабилизирующей выход ное напряжение UH, равное U, где и. - выходное напряжение основного выпрямителя 1, отфильтррванное конденсатором фильтра 2. Напряжение и выбирается как /v 0,15 выходного напряжения U, поэтому мощность вол тодобавочного выпрямителя ,15Р следовательно, и габариты его соответственно меньше, чем остальная часть системы. Напряжение на выходе и всей системы автоматического регулирования устанавливается в резул тате воздействия напряжения Иц на замкнутый контур стабилизации К, причем, так как U является только частью напряжения основного выпрями теля 1, то при увеличении сигнала, поступакядего на вход 12 широкополос ного регулятора 13 переменного напряжения до определенного уровня ве личины, которая близка к границе вы ходного динамического диапазона рег лятора 13 по его выходу 18, .включается его выход 16 и воздействует на вход 17 узкополосного регулятора 15 переменного напряжения до того момента, пока напряжение UH не увеличится (уменьшится), а следовательно, и не уменьшится (увеличится), и динамический диапазон регулирования регулятора 13 не будет превышать уставки порога срабатывания на включение канала воздействия регулятора 13 на регулятор 15. Так как выходное напряжение узкополосного регулятора 15 переменного напряжения изменяется одновременно и на входе выпрямителя 1 и на входе 14 регулятора 13 (а следовательно, и на выпрямителе 3), то соотношение напряжений и,0,15-и сохраняется во всем диапазоне регулирования выходного напряжения t). Таким образом, осуществляется подчиненный принцип регулирования контура стабилизации напряжения U в зависимости от изменения напряжения нагрузки U . Контур стабилизации U, не содержит инерционных элементов при ( const, поэтому обладает высоким быстродействием и стабилизирует выходное напряжение и с заданной точностью и с заданным коэффициентом.пульсаций. Полоса пропускания такой разомкнутой системы не хуже 1 кГц, что необходимо для подавления пульсации выпрямителя 3; f 600 Гц. Уровень собственных пульсаций в напряжении U/f не более 3% (теоретические - 1,4% при включении вторичных обмоток выпрямителя 3 по схеме треугольник и звезда). Такой же уровень пульсаций на выходе выпрямителя 1 (без подключения фильтра-конденсатора). Небольшим по номиналь,ной емкости конденсатором можно снизить этот уровен-ь пульсаций до величины, меньшей 1%, что составляет меньше 10% для выходного динамического диапазона вольтодобавочного выпрямителя 3. Узкополосный регулятор 15 переменного напряжения выбираем инвариантным относительно колебаний питающей сети с To iiHOCTbra до 1%, что составляет также-S10% для вольтодобавочного выпрямителя 3 при возложении на него дополнительной функции сглаживания остаточной нестабильности выходного напряжения и пульсаций основного выпрямителя 1. Полоса пропусканий контура широкополосной стабилизации напряжения 11 позволяет это сделать, так как для сигнала управления передаточная функция замкнутого контура W(P);t ь, (р) представляет собой коэффициент передачи (при U SilO кВ, а и,г 10 в) почти до частоты среза этого контура, и, по крайней мере, до f л 0,б кГц. Передаточная функция с выхода выпрямителя 3 на выход системы представляется выражением W СР) . М. Р,Ц.С + PCR,-4-.l VH R, р Ls. j . где L. индуктивность рассеяния высоковольтного трансформатора выпрямителя 1, R. - внутренне активное сопротив ление выпрямителя 1J С - емкость конденсатора фильтра. . Соотношение параметров получается такое, что вначале проявляется дифференцирукияее действие коэффициен та передачи (на более низких частотах) , а затем интегрирующее действие. Это дает подъем частотной характеристики в диапазоне 50-300 Гц, что облегчает получение желаемой час тотной характеристики системы при использовании в качестве быстродействующего регулятора вольтодобавочного выпрямителя с широкополосным регулятором 13. переменного напряжения. Устойчивость системы обеспечивается, если внутренний контур стабилизации 19 более быстродействующий чем внешний контур. Это условие нами выполнено, так как внутренний контур содержит широкополосный регулятор пе ременного напряжения, а внешний узкополосный, : Таким образом, осуществляется- широкополосная стабилизация напряжения на вольтодобавочномвыпрямителе с помощью малоинерционного регулятора, функции регулирования которого расши ряются путем воздействия на инвариан ный относительно колебаний питающей сети и узкополосный регулятор переменного напряжения с выходом на основной выпрямитель и одновременно на широкополосный регулятор совместно с включением конденсатора фильтра только к выходу основного выпрямителя. Это позволяет улучшить динамичес кую характеристикусистемы, уменьшит пульсации в ее выходном напряжении и одновременно сократить ее габариты путем уменьшения габаритов высоковол тного конденсатора, мощности широкополосного регулятора, составляющего приблизительно десятую часть от мощности нагрузки. Формула изобретения Система автоматического регулирования высокого напряжения, содержащая основной и вольтодобавочный выпрямители, соединенные по выходу последовательно и подключенные к выходным выводам, датчик напряжения, включенный параллельно выходным выводам, конденсатор фильтра, широкополосный регулятор переменного напряжения, источник з-адающего напряжения, регулятор напряжения и сумматор, один вход которого соединен с выходом датчика напряжения, другой вход - с источником задающего напряжения, а выход - с входом регулятора напряжения, отличающаяся тем, что, с целью снижения уровня пульсаций выпрямленного напряжения при уменьшении габаритов системы, в нее дополнительно введены второй датчик напряжения, в горой сумматор, второй регулятор напряжения и узкополосный регулятор переменного напряжения, инвариантный относительно колебаний напряжения питающей сети, причем конденсатор фильтра подключен к выходу основного выпрямителя, к выходу воль.-одобавочного выпрямителя подключен вход второго датчика напряжения, выход которого подсоединен к входу второго сумматора, к другому входу которого подключен выход первого регулятора напряжения, выход второго сумматора подсоединен к входу второго регулятора напряжения, выход которого подключён к одному входу широкополосного регулятора переменного напряжения, один выход которого подключён к входу вольтодобаврчного выпрямителя, другой выход широкополосного регулятора подключен к входу узкополосного регулятора переменного напряжения, инвариантного относительно колебаний напряжения питающей сети, выход которого соединен с входом основного выпрямителя и с вторым входом широкополосного регулятора переменного напряжения, а вторичные обмотки каждого пз высоковольтных трансформаторов основного и вольтодобавочного выпрямителей соединены в звезду и в треугольник, и их лучи и вершины подключены соответственно к одному из двух мостовых двухполупериодных выпрямителей, соединенных между собой последовательно. Источники информации, принятые во внимание при зкспертизе 1.Альбертинский В. И., Свинкин М. П. Каскадные генераторы. М., Атомиздат, 1980, с..186-188, рис. 5, 16. 2.Белопольский И. И., Тихонов В.И. Транзисторные стабилизаторы на повышенные и высокие напряжения. М., Энергия, 1971, с. 60-61, рис. 4-6.

1 2