Преобразователь постоянного напряжения в постоянное
Использование: изобретение может быть использовано в качестве источника тока высокого напряжения. Сущность изобретения: преобразователь содержит батарею источников постоянного напряжения 8, выводы которой через коммутационный узел с ключевыми элементами 2, 3 подключены к выводам зарядовых колонн каскадного генератора 1, выполненного по диодно-конденсаторной схеме умножения. В задающем генераторе 6 выход соединен с управляющими входами ключевых элементов. Один из выходов каскадного генератора 1 заземлен и соединен с одним из выводов нагрузки 9. Один из полюсов батареи 8 соединен с выводом входа нечетных ключевых элементов, а другой - с выводом входа четных ключевых элементов. Вывод выхода каждого нечетного ключевого элемента соединен с выводом выхода последующего четного ключевого элемента с образованием пар. Выводы выходов пар поочередно соединены с выводами входа каскадного генератора. Задающий генератор обеспечивает поочередную работу соответствующих пар ключевых элементов. 6 ил.
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника тока высокого напряжения. Известны устройства для преобразования низкого постоянного напряжения в высокое постоянное напряжение: электростатические генераторы с механическим переносом зарядов и различные устройства, включающие в себя повышающие трансформаторы и выпрямители переменного напряжения. Одним из типов электростатического генератора является генератор Ван-де-Граафа. Однако область применения таких генераторов ограничена сравнительно небольшой их мощностью (порядка нескольких киловатт), а также теми случаями, когда КПД установки не имеет первостепенного значения. Во втором случае для получения высокого напряжения применяются различные комбинации повышающих трансформаторов и выпрямителей. Наибольшее распространение для получения высоких постоянных напряжений (сотни киловольт и выше) получили генераторы постоянного напряжения, выполненные при включении последовательно нескольких выпрямителей, так называемых каскадных генераторов. Недостатком трансформаторно-выпрямительных устройств является тот факт, что для повышения мощности и КПД преобразователей следует повышать частоту преобразователя, при этом необходимый объем магнитопровода и трансформатора резко сокращаются, однако объем и масса изоляции, оставаясь прежними, часто не позволяют уменьшить размеры магнитопровода. В то же время потери в меди и стали с повышением частоты возрастают. Применение многофазной (трех, четырех и т.д.) системы для трансформаторно-выпрямительных устройств не решает поставленной задачи, так как с ростом мощности устройства падает КПД и значительно увеличиваются массогабаритные характеристики всего устройства, увеличивается элементная база, и падает надежность в работе. На практике в зависимости от поставленной задачи в преобразователе могут быть использованы общеизвестные схемы каскадных генераторов. В маломощных устройствах используют в качестве диодно-конденсаторного блока так называемых однофазных однополупериодные или однофазные симметричные схемы. На устройствах повышенного напряжения и мощности применяют схемы трехфазные однополупериодные, трехфазные двухполупериодные мостовые, трехфазные двухполупериодные циклические и их разновидности, связанные с различной емкостью в каждом из каскадов. Применение многофазной системы (выше трех) питания переменным током каскадных генераторов значительно увеличивает весогабаритные характеристики всего устройства (необходимы дополнительные преобразователи для питания трансформаторов), при относительно малой добавке в мощности, при этом КПД всего устройства падает. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является преобразователь, который может быть в принципе использован для питания каскадного генератора, содержащий батарею источников постоянного напряжения, выводы которой через коммутационный узел, включающий ключевые элементы, подключенные, соответственно, к входным выводам фильтровой и зарядовым колоннам, и задающий генератор. К недостаткам такого устройства необходимо отнести тот факт, что при расстройстве контура, при изменении нагрузки или при увеличении открытых состояний ламп на время сверх половины периода колебаний возникают моменты, когда через лампы протекает контурный большой ток, приводящий к искажению формы напряжения на контуре и резкому увеличению потери мощности и уменьшению КПД. Цель изобретения повышение мощности и КПД преобразователя постоянного напряжения в постоянное. Поставленная цель достигается тем, что в заявленном преобразователе постоянного напряжения в постоянное, содержащим блок питания, к положительному и отрицательному входам которого через коммутационный узел, включающий ключевые элементы, подключены, соответственно, входы зарядных колонн каскадного генератора, выполненного по диодно-конденсаторной схеме умножения напряжения, и задающий генератор, выход которого соединен с управляющими входами ключевых элементов, причем, выходы каскадного генератора образуют выходные выводы, один из которых является общим и заземлен, для подключения нагрузки, блок питания выполнен в виде двух последовательно соединенных источников постоянного напряжения, общая точка соединения которых соединена с общим выводом. При этом, свободный положительный вывод одного из источников подключен к общей точке соединения выводов нечетных ключевых элементов, свободный отрицательный вывод другого к общей точке соединения входов четных ключевых элементов, а выход каждого нечетного ключевого элемента соединен с выходом последующего четного ключевого элемента, и их общая точка соединения подключена к входу соответствующей зарядной колонны каскадного генератора. Задающий генератор выполнен обеспечивающим поочередную работу соответствующих пар ключевых элементов, подключенных к входу одной и той же зарядной колонны каскадного генератора. Благодаря такому выполнению устройства, на вход каскадного генератора подается переменное высокое напряжение типа меандр. В этом случае высокое напряжение типа меандр позволяет в отличие от традиционных целей качественно, по-новому использовать такую форму напряжения при питании каскадных генераторов. На фиг. 1 показана схема преобразователя с использованием однофазного однополупериодного каскадного генератора; на фиг. 2 его упрощенная схема; на фиг. 3 схема преобразователя на основе однофазного симметричного каскадного генератора; на фиг. 4 его упрощенная схема; на фиг. 5 схема преобразователя на основе многофазного каскадного генератора; на фиг. 6 его упрощенная схема. В качестве примеров конкретного исполнения заявляемого преобразователя рассмотрим преобразователи, в которых в качестве диодно-конденсаторного умножителя использованы однофазный однополупериодный каскадный генератор на 50 кВ (фиг. 1, 2), однофазный симметричный каскадный генератор на 100 кВ (фиг. 3, 4) и пятифазный каскадный генератор на 100 кВ (фиг. 5, 6). Диодно-конденсаторный умножитель 1 выполнен из конденсаторов типа ФГТ-И 0,05 мкф 8 кВ и вентилей типа КЦ06Г. В преобразователе на 50 кВ каскадный генератор состоит из десяти каскадов, а на 100 кВ из пятнадцати каскадов. В коммутационном узле в качестве ключей 2, 3 использовались генераторные лампы типа ГИ-39Б. Паспортные данные этих ламп (так как они высокочастотные) указывают на возможность использовать их в качестве ключей с мертвым временем не более 1 мкс. В работе они показали хорошую стабильность и надежность. Согласно схемам (фиг. 1, 3, 5) сетки этих ламп подключены через RC-цепочки 4 ко вторичным обмоткам управляющего трансформатора 5, выполненных каждый на двух ферритовых кольцах типа НМ2000 125х80х12. Первичные обмотки трансформаторов подключены к задающему генератору 6. Его работа заключается в том, чтобы отсутствовал сквозной ток ключа и сохранялась синхронность работы пар. Резисторы RC-цепочек 7 служат для выбора оптимальной работы ламп 2 и 3, образуя обратную отрицательную связь по постоянной составляющей. Входы зарядовых колонн каскадных генераторов 1 соединены с выходами ключевых пар. В качестве батареи постоянного напряжения 8 использовались два трансформатора типа НОМ-10-66 с выпрямительными мостами. Нагрузкой преобразователя служит потребитель 9. При испытании преобразователей в качестве потребителя использовалась ускорительная трубка с источником заряженных частиц и омическим делителем. Преобразователь работает следующим образом. Задающий генератор 6 через трансформаторы 5 подает на сетки ламп 2 и 3 управляющие сигналы типа меандр (см. фиг. 2, 4, 6). В течение одного полупериода ток протекает через лампу 2, а в течение другого через лампу 3. Так как сеточная нагрузка положительной части меандра отличается от отрицательной, то с целью незамагничивания сердечника, трансформатор питает лампы поочередно. В преобразователях с многофазным каскадным генератором задающий генератор 6 управляет в коммутаторе ключевыми парами таким образом, чтобы выполнялись условия: 
где 
угол сдвига между ключевыми парами, n число зарядных колонн каскадного генератора. Резисторы сеточных цепей 4 ограничивают ток положительной части меандра, а емкости обостряют передний фронт. Величина сопротивления резисторов RC-цепочек 7 определяет отрицательное смещение рабочих точек ламп в положительной части меандра, емкости для открытых состояний ламп шунтируют сопротивления по переменной составляющей. На входе каскадного генератора, в зависимости от частоты работы задающего генератора 6, подается поочередно положительный и отрицательный потенциал батареи постоянного тока 8. Нагрузкой каскадного генератора служит потребитель 9, пульсации напряжения в котором определяются конструктивными особенностями каскадного генератора и формой напряжения батареи 8. Испытанные преобразователи отличаются друг от друга количеством ключевых пар в соответствии с типом входящих в преобразователь каскадных генераторов. Наблюдается пропорциональность в повышении мощности преобразователя при увеличении зарядовых колонн, что указывает на незначительную добавку реактивной составляющей электрической энергии. Таким образом, использование формы напряжения типа меандр дает возможность достичь поставленную цель без конструктивных изменений каскадных генераторов.
Формула изобретения
Преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий блок питания, к положительному и отрицательному выходам которого через коммутационный узел, включающий ключевые элементы, подключены соответственно входы зарядных колонн каскадного генератора, выполненного по диодно-конденсаторной схеме умножения напряжения, и задающий генератор, выход которого соединен с управляющими входами ключевых элементов, причем выходы каскадного генератора образуют выходные выводы, один из которых является общим и заземлен для подключения нагрузки, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности и КПД, блок питания выполнен в виде двух последовательно соединенных источников постоянного напряжения, общая точка соединения которых соединена с общим выводом, причем свободный положительный вывод одного из источников подключен к общей точке соединения входов нечетных ключевых элементов, свободный отрицательный вывод другого к общей точке соединения входов четных ключевых элементов, а выход каждого нечетного ключевого элемента соединен с выходом последующего четного ключевого элемента и их общая точка соединения подключена к входу соответствующей зарядной колонны каскадного генератора, при этом задающий генератор выполнен обеспечивающим поочередную работу соответствующих пар ключевых элементов, подключенных к входу одной и той же зарядной колонны каскадного генератора.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000
Извещение опубликовано: 10.11.2000
