Система высоковольтного электропитания с резервированием

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

09) (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И.ОТКРЫТИЙ (2l) 3454921/24-07 (22) 09.04.82 (46) 23 11.83. Бюл. М 43 (72) В. Н. Карамышев и Б. И. Тихо-. миров (53) 621.316.925(088.8) (56) 1. Патент США 1а 3440492, кл. 317-27, 1967.

2. Авторское свидетельство СССР

% 892581, кл. и 02 Ю 9/06, 1980. (54) (57) СИСТЕМА ВЫСОКОВОЛЬТНО

ГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ, содержащая источник первично » го питания и 11 параллельных цепей, каждая из которых состоит ю 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, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью снижения энергопотребления и повышения надежности при одновременном снижении габаритов и массы устройства, коммутирующий элемент потребителя содержит 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 спирали, полый .сферический электрод, установленный симметрично между электродами с вогнутой сферической поверхностью, кроме того, в него введены генератор тактовых импульсов и регистр сдвига, причем выходы регистра сдвига. соединены с управляющими входами коммутирующих элементов высоковольтных источников, выход тактового генератора соединен с управляющим входом регистра сдвига, запрещающий вход которого соединен с выходом блока анализа напряжения потребителя.

1066362

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для бесперебойного питания высоковольтной электрической и радиоэлектронной аппаратуры различного назначения, имеющей ограниченное потребление мощности, например в бортовых системах электростатической защиты космических аппаратов от заряженных частиц.

Известно устройство электропитания с резервированием, содержащее источник питания, подключенный к входу двух стабилизаторов напряжения, выход первого из которых подключен к входу первой схемы сравнения напряжения, выход второго стабилизатора подключен к входу второй схемы сравнения напряжения.

Выход первой схемы сравнения напряжения управляет первым ключом, отклю-. чающим цепь нагрузки от выхода первого стабилизаторе напряжения при отказе и подключающим ее к выходу второго стабилизатора. Выход второй схемы сравнения управляет вторым ключом, отключающим цепь нагрузки от выхода второго стабилизатора напряжения при его отказе (1) .

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

Причем известные устройства невозможно использовать для резервирований электропитания устройств с высокими и сверхвысокими напряжениями (выше

1 - 2 кВ) из-за отсутствия коммутирующих и ключевых элементов с большим рабочим напряжением.

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

Наиболее близким к изобретению техническим решением является система высоковольтного электропитания с резервированием, содержащая источник первичного питания и 0 параллельных цепей, каждая из которых состоит из l1 высоковольтных источников, соединенных с яервичным источником через коммутирующие элементы высоковольтных источников,-а через коммутирующий элемент потребителя - с потребителем, к шинам которого подключен блок анализа напряжения потребителя (ф).

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

5 Поставленная цель достигается тем, что в системе высоковольтного электропитания с резервированием, содержащей источник первичного питания и н параллельных цепей, каждая из которых состоит из высоковольтного источника, соединенного с первичным источником через коммутирующий элемент высоковольтного источника, а через коммутирующий элемент потребителя - с потреби35 телем, к шинам которого подключен блок анализа напряжения потребителя, коммутирующий элемент потребителя содержит И подключенных к высоковольтным источникам питания электродов, вогнутая

20 сферическая поверхность которых покрыта тонким резистивным слоем, и под«люченный к потребителю через гибкий соединитель,. выполненный в виде цилиндрической спирали, полый сферический

25 электрод, установленный симметрично между электродами с вогнутой сферической поверхностью, кроме того, в него введены генератор тактовых импульсов и регистр сдвига, причем выходы регистр щ0 ра сдвига соединены с управляющими входами коммутирующих элементов высо-. ковольтных источников, выход тактового генератора соединен с управляющим вхо:дом регистра сдвига, запрещающий вход .которого соединен с выходом блока щнализа напряжения потребителя.

На фиг. 1 представлена функциональ ная схема системы высоковольтног4 электропитания с резервированием; на

40 фиг. 2 -- конструктивная схема коммутирующего аппарата -; на фиг.Э

- конструктивная схема сферического электрода.

Система содержит первичный источник

45 1 питания, соединенный через коммутирующие элементы 2 с высоковольтными источниками 3 питания, к выходам которых подключены высоковольтные электроды 4. Вогнутая сферическая поверхность

50 высоковольтных электродов 4 покрыта резистивным слоем 5. Потребитель 6 высокого напряжения соединен со схемой 7 анализа высокого напряжения и через гибкий соединитель 8 - с полым

1 5 сферическим высоковольтным электродом

9, установленным симметрично относительно высоковольтных электродов 4.

Выход схемы 7 анализа высокого на3 10563 пряжения соединен с запрещающим входом регистра 10 сдвига, вход которого соединен с выходом тактового генеpampa ll, а выходы - с управляющими входами «оммутируюших элементов 2. 5

Радиусы вогнутой сферической поверхности электродов 4 и попого сферического электрода 9 выбраны одинаковыми, а свми поверхности имеют высокий класс чистоты. 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. 15

Устройство работает следующим образом. (В исходном состоянии, при выключенном первичном источнике 1 питания,, высокое напряжение на электродах 4 20 отсутствует, между поверхностями электродов 4 и 9 не действуют никакие силы и электрод 9 под действием упругой силы соединителя 8 находится в нейтральном положении (на одинаковом рассто- 25 янин от электродов 4).

При подаче питания на одном иэ выходов- регистра 10 сдвига появляется, напряжение логической "1", соответствующий коммутирующий элемент 2, 50 к управляющему входу которого присоединен этот выход, Открыт. Напряжение питания От первичного источника l поступает на вход соответствующего высоковольтного источника 3 питан я, к выходу которого подключен высоковольтный электрод 4. Под действием электростатических сил высоковольтный электрод 9 притягивается к электроду 4 (фиг. 2) и удерживается Ъ этом саста- 40 янин за счет падения напряжения на резистивном слое 5. Выходное высокое, напряжение поступает к потребителю 6

1 высокого напряжения и на схему 7 анализа высОкОгО напряжения которая форми 45 ,рует сигнал, поступающий на запрещающий вход. регистра .10 и тактовые импельсы генератора 11 не сдвигают ре;гистр 10..

В случае отказа источников 3 высо- 50 кого напряжения или изменения выходного напряжения больше установленных норм, схема 7 анализа высокого напряжения вырабатывает разрешающий сигнал, поступавший íà запрещающий вход 55 регйстра. 10 сдвига, который по дейст-" вием тактового импульса сдвигается на адин такт и на первом его выходе по62 4 является сигнал логического 0", ко: тарый закрывает ранее открытый коммутирующий элемент 2 и прерывает цепь питания ранее включенного высоковольтного источника 3, одновременно на следующем выходе регистра 10 сдвига появляется сигнал логической "1", который поступает на управляющий вход следующего коммутирующего элемента 2, открывает его и подключает следующий высоковольтный источник 3 к первичному источнику 1 питания. На выходе этого высоковольтного источника питания и соатветствунмцем электроде 4 возникает высокое напряжение. При от ключении ранее включенного высоковольтного источника 3 питания высоковольтный 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 7 анализа высокого напряжения, которая формирует запрещающий сигнал, поступающий па регистр

10 сцвига, тактовые импульсы генераторы 11 прекращают сдвиг 10 регистра.

В случае отказа второго высоковоль ного источника 3 питания процесс повторяется и включается следующий высоквольтный источник 3, сферический высоковольтный электрод 9 притягивается к высоковольтному электроду 4, подхлюченному к его выходу и т. a..

Как отмечалось, замкнутое состояние электродов 4 и 9 поддерживается электростатической силой, действующей за счет падения напряжения на резистивном слое

5 и на эту величину напряжение, получаемое потребителем 6, меньше выходного напряжения соответствующего высоковольтного источника 3 питания. Однако благодаря малой толщине реэистивнога слоя, хорошей 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 малым.

Объемное. сопротивление реэистивного слоя определяют исходя из минимального

3. 056362

25 тока нагрузки потребителя высокого напряжения, соэгяющего падение напряжения, достаточное для удержания электродов в замкнутом состоянии.

В предлагаемой системе высоковольтного электропитания с резервированием значительно снизилось энергопотребление за счет отсутствия энергопотребляющих исполнительных коммутирующих элементов в цепях высокого напряжения и исI пользования для цепей коммутации электростатических сил.

Предлагаемое устройство позволяет значительно упростить резервирование высоковольтного электропитания и за счет отсутствия громоздких электромеханических элементов повысить надежность„ снизить массу и габариты.

Преимуществом предлагаемого технического решения является возможность 2О неограниченного повышения степени резервирования практически без усложнения устройства.

Наиболее эффективно использование предложенного технического решения в вакуумных системах, например на борту космического аппарата, при использовании естественного космического вакуума. Исходя из того, что остаточное давление в космическом простран- ЗО стве известно, производят выбор межэлектродных расстояний между высоковольтны-, ми электродами источников питания и сферическим высоковольтным электродом потребителя энергии для заданного рабочего напряжения системы высоковольтного электропитания.

Для предотвращения пробои за счет усиления электрического поля на криволинейных участках поверхности электро- 40 дов рассчитывают радиусы закругления.

Определив межэлектродные зазоры, радиусы закруглений и размеры электродов, рассчитывают силу взаимодействия между электродами при номинальном рабочем 45 напряжении по формуле (°

F= E0 K u — (1 ) где 9 - номинальное рабочее напряжение, — расстояние между электродами; 50

5 - рабочая площадь взаимодейству ющих электродов;

Е - диэлектрическая постоянная, равная 8,85" 10" 1 - Ф/м;

, - диэлектрическая проницаемость. 55 .равная для вакуума 1.

Зная силу взаимодействия высоковольтных электродов, определяют необходимую гибкость соединителя, соединяющего полый сферический электрод с входом потребителя 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 обьемном сопротивлении резистивного слоя, так чтобы оно было значительно меньше (в 10 -10 раэ) рабочего напряжения при минимальном токе, по формуле (I) определяют толщину d резистивного слоя и его объемное сопротивление. По найденным параметрам выбирают тип реэистивного покрытия и проверяют его электриче.скую прочность, которая, как правило, ( у современных резистивных материалов значительно превышает 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 от-! сутствует и падение напряжения на резистивном слое равно О.

Что касается электрической прочнос ти 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 поверхность

В предлагаемом техническом решении конструкция гибкого соединителя представляет собой цилиндрическую сцираль, выполненную из пружинной прово- . локи, а однородность электрического поля обеспечивается тем, что при изгибе соединителя зазоры между витками

7 1056362 8 спирали не превышают диаметра проволо- водящего полимера (напрнмер, электроЕИ ° проводящего пентапласта), в этом слу« чае независимо от степени изгиба соВовможен вариант исполнения гибкого единителя однородность элеклрнческого соединителя нз эластичного электропрсь- 5: поля на его поверхности не нарушается.I

1056362, Составитель Г. Дамская

Редактор С. Патрушева Техред Л.Пилипенко .,Корректор В.Бутяга

Г» и

Закаэ 9328/51 Тираж 617 Подднсное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам яэобретений н открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/6

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4