Высоковольтный источник питания постоянного тока с токовой защитой

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А3

o9) SU (11) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H flATEHTV

РСГ(.ОВ М

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3786913/24-07 (22) 06.09.84 (31) 4902/83 (32) 08.09.83 (33) СН (46) 07. 11.87. Бюл. Y- 41 (71) ББЦ АГ Браун, Бовери унд Ко (СН) (72) Вольфрам Шминке (DE) (53) 621. 314. 6(088. 8) (56) Заявка Франции Р 2143821, кл. Н 02 !! 7/00, 1973.

Mondino and KI Selin Proc. of

7-th Symposium on Engineering Problems of elusion Research, Knoxoille, США, октябрь, 25 — 28, 1977,с.1558

1583. (54) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

ПОСТОЯННОГО ТОКА С ТОКОВОЙ ЗА!ЧИТОЙ (57) Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника питания, к которому предъявляются высокие треду4 H 02 М 7/12, Н 02 Н 7/12 бования к величине отдаваемой мощности и защите от коротких замыканий. Цель изобретения — повышение

КПД и надежности. Устройство состоит из п последовательно соединенных источников среднего напряжения 1.

Каждый источник среднего напряжения по выходу зашунтирован диодом 13 хопостого 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 граничных 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 максималь1 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 т =

1, 2, 3,... Это способствует увеличению 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.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве источника питания, к которому предъявляются высокие требования с точки зрения отдаваемой мощно- 5 сти и защиты от коротких замыканий.

Цель изобретения — повышение КПД и надежности.

На фиг.1 дана принципиальная схе- 10 ма высоковольтного источника; на фиг.2 — предпочтительный пример исполнения источника среднего напряжения; на фиг.3 †.принципиальная схема высоковольтного источника с 15 добавочным управлением и регулирова- нием выходного напряжения; на фиг.4— пример осуществления потенциальной изоляции (развязки) в устройстве измерения тока; на фиг.5 — процесс уп- 20 равления и регулирования во времени в виде кривой U,(t), где U, — выходное напряжение.

ВысОкОВОльтный истОчник (фиг е 1) Я5 состоит из и источников 1 среднего напряжения, на выходах .KQTopbFK появляются соответственно средние напряжения Б„,...,U>. Далее, под термином "среднее напряжение" имеют- ЗО ся .ввиду напряжения в несколько сотен вольт и до нескольких киловольт.

Источники среднего напряжения выходами соединены последовательно так, что выходное напряжение U равно сумме всех средних напряжений при включении всех источников среднего напряжения. Каждый из источников 1 среднего напряжения содержит по мень шей мере один коммутационный эле- 40 мент 2, который внутри источника включен так, что при его размыкании ток на выходе источника отсутствует.

Коммутационные элементы 2 через со- ответствующие линии управления, которые вследствие разделения потенциалов между силовой частью и управлением предпочтительно выполнять в виде световодов, соединены с блоком

3 управления коммутацией, вход которого соединен с выходом детектора

4 граничного значения, входом соединенным 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 10. Выходные клеммы 11 и 12 каждого источника 1 среднего напряжения соединены включенным в обратной полярности диодом 13 холостого хода.

Источник среднего напряжения (фиг.2) состоит из мостового выпрямителя 14 вход которого соединен с питающей сетью 15 через сетевой трансформатор (не показано). К выходу выпрямителя подключен фильтр из дросселя 16 и конденсатора 17.

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

12. В выходной провод 19 в качестве коммутационного элемента включен тиристор 20, управляющий вход которого соединен с блоком 21 запуска.

В каждом источнике среднего напряжения предусмотрено настроенное на отдельный источник дополнительное контрольное устроиство, состоящее из включенного в выходной провод 18 устройства 22 измерения тока и дополнительного детектора 23 граничных значений, включенного между выходом устройства 22 измерения тока и вхоцом блока 21 запуска.

1351525

Устройство по фиг.3 отличается подключением источников 1 среднего напряжения к питающей сети через трансформатор 24 с разделительными вторичными обмотками, причем, каждый из источников подключен к соответс т вующе и вторичной об мотке . Выпр ямительные и сглаживающие 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 I< течет через магнитную катушку 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 I 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 напряжения, если подлежащее измерению напряжение сначала с помощью прецизионного резистора преобразуется в соответствующий ток. !

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 напряжением, которое незначительно

20 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 среднее напряжение Ь< . Соответственно уменьшенный ток нагрузки протекает через диод l3 холостого хода первого источника. Все диоды 13 других источников среднего напряжения находятся под обратным запирающим напряжением своих источников, через которые протекает ток нагрузки. Так как диод 13 первого источника среднего напряжения работает в режиме пропускания, то на выходах 11, 12 этого источника будет разность потенциалов, равная прямому падению напряжения на указанном диоде, которая пренебрежимо мала по сравнению

25 со средним напряжением U,. Поэтому, на разомкнутом коммутационном элементе 2 падает лишь такое напряжение, . которое вьдается первым источником

1 среднего напряжения и равно .сред3О нему значению напряжения U, При отсутствии диодов холостого хода ток нагрузки I< при размыкании одного из коммутационных элементов

2 прервался бы полностью, и тогда на разомкнутом коммутационном элементе появилось бы полное выходное напряжение U . Детектор 4 граничного значения выдает команду отключения на блок 3 управления коммутацией, который преобразует ее в соответствующие команды управления на отдельные коммутационные элементы 2.

Эти команды управления находятся в интервале времени, который меньше

45 или равен требуемому времени отключения ° B случаях, когда необходимо заданное спадание тока нагрузки I команды управления могут вьдаваться также и со сдвигом во времени, чтобы ток нагрузки I< уменьшался соответствующими ступенями.

Целесообразно источники среднего напряжения выполнять идентичными, дающими на выходе одинаковое среднее напРяжение Бц, Тогда выходное напря жение U, прн и источниках равно

По Пм

Источник среднего напряжения по фиг.2 работает следующим образом.

1351525

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 пропускающей полярности 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 устI ройством 5 измерения тока (фиг.1) и детектором 4 граничных значений.

Поскольку указанный контроль тока нагрузки обеспечивает задание граничного значения 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 каждый 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 защита 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 обраSOM

Так как источники среднего напряжения выполнены с возможностьн1

5 . при соответствующем управлении мож10

35 мое количество источников среднего

40 напряжение, которые надо включить, чтобы максимально приблизить значе,ние U, к Б

55 индивидуального подключения и отключения, то посредством комбинирования различных средних напряжений но получить различные ступени выходного напряжения Б . Если все источники среднего напряжения выдают одно и то же среднее значение напряжения П, то путем поочередного под— ключения отдельных источников можно получить ступенчатое выходное напряжение от U до и-U . Отклонение фактического значения выходного напряжения Ь от заданного значения может быть в этом случае ограничено максимальной величиной U„/2. Это максимальное отклонение может быть уменьшено, если большинство источников среднего напряжения имеют одинаковое значение U а напряжения остальных источников среднего напряжения по ступеням имеют меньшее среднее напряжение, равное U„/2

m причем m = 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 U, и сигнал с устрой"тва 28 измерения выходного напряжения. Логическая схема 27 управления делит величину заданного напряжения 0>,на величину среднего напряжения 0 и определяет необходиЕсли сверх этого имеются источники среднего напряжения с двоично убывающими средними напряжениями

U„/2, то логическая схема 27 управления по величине остающегося после деления остатка добавочно включает часть ступенчато убывающих по напряжению источников, которые в соответствующей комбинации далее уменьшают отклонение выходного напряжения от заданного П . Результат из логической схемы 27 управления в двоичной форме передается на блок 3, 1 откуда соответствующие команды управления по линиям управления попадают на коммутационные элементы 2.

1351525

Функции управления в зависимости от заданного напряжения Uä внутри логической схемы 27 управления с приоритетом предшествует функция токо 5 вой защиты. Команда отключения из детектора 4 граничного значения прерывает процесс управления и в виде команды отключения для 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 источни15

25

35

В результате выходное напряжение

U увеличивается íà U„ /2, что доста40 точно, чтобы свести к нулю разность

Б — Б . Если выходное напряжение

U и дальше падает,,то в момент t логическая схема управления вновь включает источник среднего напря4 жения U> /2 так, что вновь происходит согласование U и U„. Регули6 рование 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 11ц/2.

Соответственно, сглаженное управление и регулирование получается, если внутри высоковольтного источника имеется множество источников среднего напряжения с двоично-убывающими величинами напряжения Б /2, U /4, U /8, U /16,... ков среднего напряжения по заданной величине напряжения U по истез чении определенного времени.

С помощью устройства 28 измерения напряжения Непрерывно измеряется фактическая величина выходного напряжения У . Результат каждого замера подается на соответствующий вход логической схемы 27 управления, которая сравнивает U u U 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 выше типа для того, чтобы свести к минимуму отклонение U от в

Логическая схема 27 управления предпочтительно образована одним или несколькими микропроцессорами, которые выполняют необходимые для управления регулирования этапы расчета и предпринимают соответствующий выбор источников среднего напряжения.

В этом случае можно также отказаться от отдельного детектора 4 граничного значения, если данные измерения тока нагрузки IL из устройства 5 измерения тока в цифровой форме выдаются на логическую схему

27 управления и там сравниваются также с цифровым и запомненным граничным значением для тока нагрузки

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 схеме фиг.4.

Процесс управления и регулирования во времени воспроизведен в виде кривой П /t (на фиг,5). Штрих-пунктирная огибающая заданного напряжения У„ показывает ход напряжения, который в идеальном случае имело бы и выходное напряжение U, Линейное нарастание U ìåæäó моментами t=О и моментом t, осуществляется последовательным подключением источников среднего напряжения ступенями Б

Так как U в момент, переходит в горизонтальную прямую, которая примерно на Б„ /2 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 U

В момент t начинается колебание нагрузки, которое выражается уменьшением сопротивления нагрузки и снижением выходного напряжения У,. К моменту t 4 U, настолько снижается, что логическая схема управления для ликвидации разности между U и U производит добавочное включение источника среднего напряжения. Источник среднего напряжения с выходным напряжением Б /2 выключается, а другой источник среднего напряжения

Uö подключается.

1351525

Pue. J

Формула изобретения

1. Высоковольтный источник питания постоянного тока с токовой за5 щитой, содержащйй 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 15 входом второго выключателя, выход которого соединен с управляющим входом первого выключателя, о т л и— ч а ю шийся тем, .что, с целью повьппения КПД и надежности, источник

20 высокого напряжения выполнен в виде нескольких источников среднего напряжения, а первый выключатель для быстрого отключения тока нагрузки выполнен в виде тиристоров, каждый из которых включен в выходную цепь соответствующего источника среднего напряжения, причем, выводы источников среднего напряжения соединены между собой последовательно через дополнительно введенные диоды холостого хода, каждый из которых включен в обратном направлении параллельнб 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 m= 1,2,... I

2. Источж к питания по п.1, о тл 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 блока управления соединен с управляющим электродом тиристора, включенного в его другую выходную цепь.

0 о

Составитель Л.Устинкина

Редактор Н.Гунько Техред А.Кравчук, Корректор О,Кравцова

Заказ 5302/59 Тираж 659 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r.Óæãîðoä, ул.Проектная,4