Генератор трапецеидального тока

 

Использование: изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, для питания градиентных катушек томографа на основе ядерного магнитного резонанса со сверхпроводящим соленоидом. Сущность изобретения: генератор содержит регулируемые источники 1 и 2 питания, накопительный конденсатор 3, ключи 4 - 8 и 10, нагрузку 9, шунт 11, задатчик 12 тока, сумматор 13, блок 14 измерения производной тока, селектор 15, блок 16 коррекции 16, таймер 17, блок 18 управления ключами и блок 19 управления с соответствующими связями. 3 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, для питания градиентных катушек томографа на основе ядерного магнитного резонанса (ЯМР) со сверхпроводящим соленоидом.

Известны функциональный генератор для приборов на основе ядерного магнитного резонанса (Заявка ФРГ N OS 36-14-155, кл. Н 03 К 3/64) и способ и устройство формирования импульсов для устройства с использованием ядерного магнитного резонанса (Заявка Франции N 2581490, кл. G 01 R 33/20).

Однако известные решения могут быть использованы только для информационных ЯМР-систем с малой апертурой поля в связи с тем, что обладают небольшой мощностью. Для питания градиентных катушек ЯМР-томографа с большой апертурой поля необходима большая мощность источника питания.

Известны высокоточные мощные источники питания, позволяющие получать стабильный ток заданного уровня.

Однако при питании индуктивных нагрузок из-за необходимости компенсации ЭДС самоиндукции во время ввода энергии происходит потребление большой реактивной энергии, что, во-первых, приводит к искажениям в питающей сети, во-вторых, к повышению габаритной мощности источника. Причем при высоких скоростях нарастания тока габаритная мощность источника растет прямо пропорционально скорости нарастания тока в индуктивной нагрузке.

Известны схемы питания индуктивных нагрузок с использованием накопительных конденсаторов, которые являются источниками реактивной энергии и позволяют ввести ток в индуктивную нагрузку, не завышая при этом габаритной мощности.

Недостатком подобных схем является значительная неравномерность вершины импульса.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является генератор трапецеидального тока, включающий два регулируемых источника питания и накопительный конденсатор.

Однако в данном генераторе длительность фронтов и плоского плато трапецеидального импульса, а также неравномерность плато полностью зависят от соотношения параметров схемы, т. е. от величины индуктивности нагрузки, величины емкости накопительного конденсатора, начального напряжения на нем и т. д. Для изменения характеристик импульса необходимо вводить конструктивные изменения схемы. В связи с этим известный генератор не может быть применен для энергообеспечения прецизионных электрофизических установок, к классу которых относится ЯМР-томограф.

Известен формирователь импульсов, позволяющий формировать импульс с одновременным обеспечением регулировки параметров формируемого импульса (авт. св. СССР N 1228238, кл. Н 03 K 4/50).

Однако такой формирователь импульсов существенно отличается от предлагаемого, так как позволяет формировать импульс трапецеидального напряжения, а не тока. Его схемное решение также существенно отличается от предлагаемого.

Анализ известных технических решений-аналогов позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в предлагаемом устройстве. Предлагаемый генератор имеет существенные отличия, т. е. соответствует критерию "изобретательский уровень".

Цель изобретения расширение функциональных возможностей генератора.

Для этого в генератор трапецеидального тока, содержащий два регулируемых источника питания и накопительный конденсатор, дополнительно введены первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой ключи, нагрузка, шунт и блок управления. Параллельно выводам первого регулируемого источничка питания через первый ключ подключен накопительный конденсатор, обкладки которого включены в первую диагональ моста, образуемого вторым, третьим, четвертым и пятым ключами. В другую диагональ моста включена нагрузка. К соответствующим выводам нагрузки через шестой ключ и шунт подключены выходные выводы второго регулируемого источника питания. Блок управления содержит задатчик тока, сумматор, блок измерения производной тока, селектор, блок коррекции, таймер и блок управления ключами. Первый вход сумматора соединен с первым выходом задатчика тока, второй вход сумматора соединен с выходом шунта, а выход сумматора через первый выход блока управления соединен с входом второго управляемого источника питания. Выход шунта через первый вход блока управления соединен также с входом блока измерения производной тока, выход которого соединен с первым входом селектора, второй вход селектора соединен с первым выходом таймера, выход селектора и второй выход задатчика тока соединены с соответствующими входами блока коррекции, выход которого через второй выход блока управления соединен с входом первого регулируемого источника питания. Второй выход таймера соединен с входом блока управления ключами, выходы которого через соответствующие выводы блока управления соединены с управляющими входами первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого ключей.

Таким образом, в результате введения дополнительных блоков и новых конструктивных и функциональных связей по сравнению с прототипом предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Предлагаемый генератор позволяет получать требуемые импульсы тока трапецеидальной формы, обеспечивая при этом высокую скорость нарастания тока нагрузкидо требуемого значения, высокостабильное плоское плато тока трапецеидального импульса и достаточную мощность для питания ЯМР-томографа с большой апертурой поля, причем массогабаритные показа тели источника практически не зависят от скорости нарастания тока нагрузки, а параметры импульса могут быть заданы схемой управления и не зависят от параметров силовой цепи.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема генератора; на фиг. 2 и 3 диаграммы токов и напряжений в элементах схемы.

Генератор трапецеидального тока (фиг. 1) состоит из первого и второго регулируемых источников 1 и 2 питания, накопительного конденсатора 3, подключенного параллельно выходным зажимам первого источника 1 питания через первый ключ 4. Обкладки накопительного конденсатора 3 включены в первую диагональ моста, образованного вторым, третьим, четвертым и пятым ключами 5-8. В другую диагональ моста включена нагрузка 9, к соответствующим зажимам ее через шестой полностью управляемый ключ 10 и шунт 11 подключены выходные зажимы второго регулируемого источника 2 питания. Ключи 4-8 могут быть неполностью управляемыми и выполнены, например, на тиристорах. Задатчик 12 тока, сумматор 13, блок 14 измерения производной тока, селектор 15, блок 16 коррекции, таймер 17 и блок 18 управления ключами содержатся в блоке 19 управления схемой. Вход сумматора 13 соединен с выходом задатчика 12 тока, другой вход сумматора 13 через первый вход блока 19 управления соединен с выходом шунта 11, выход сумматора 13 через первый выход блока 19 управления соединен с входом второго регулируемого источника 2 питания. Выход шунта через первый вход блока управления соединен также с блоком 14 измерения производной тока, выход которого соединен с входом селектора 15. Второй вход селектора 15 соединен с выходом таймера 17, а выход селектора 15 и второй выход задатчика 12 тока соединены с соответствующими входами блока 16 коррекции, выход которого через второй выход блока 19 управления соединен с входом первого регулируемого источника 1 питания. Второй выход таймера 17 соединен с входом блока управления ключами, выходы которого через соответствующие выходы блока 19 управления соединены с управляющими входами первого 4, второго 5, третьего 6, четвертого 7, пятого 8 и шестого 10 ключей.

На фиг. 2 показаны кривая 20 тока, протекающего в нагрузке и кривая 21 напряжения накопительного конденсатора.

Напряжение первого регулируемого источника 1 питания задается задатчиком 12 тока достаточным для заряда накопительного конденсатора 3, который обеспечивает быстрое нарастание тока в индуктивной нагрузке 9 до требуемого значения I₁ (кривая 20, фиг. 2). Напряжение второго регулируемого источника 2 питания задается меньшим, чем напряжение первого регулируемого источника 1 питания. Оно обеспечивает поддержание требуемого стабильного значения тока I₁ на плоском плато трапецеидального импульса тока.

Генератор работает следующим образом.

В исходном состоянии накопительный конденсатор 3 заряжен до напряжения U₁ (кривая 21, фиг. 2).

В момент времени t₁ замыкаются ключи 5, 6 и 10. К зажимам нагрузки 9 прикладывается напряжение U₁ накопительного конденсатора 3 и напряжение U₂ второго регулируемого источника 2 питания. Под действием напряжения U₁ в цепи: конденсатор 3 ключ 5 нагрузка 9 ключ 6 конденсатор 3 начинает протекать ток. При этом напряжение на накопительном конденсаторе 3, а следовательно, и на нагрузке 9, начинает уменьшаться. Так как напряжение U₁ значительно больше напряжения U₂ второго регулируемого источника питания, то потребления тока от него не происходит.

В момент времени t₂ напряжение на нагрузке 9 становится равным напряжению U₂, потребление тока от накопительного конденсатора 3 прекращается, ключи 5 и 6 запираются. Ток в нагрузке достигает заданного значения I₁ и продолжает протекать по цепи: нагрузка 9 шунт 11 ключ 10 источник 2 нагрузка 9. В интервале времени t₂-t₃ (кривая 20, фиг. 2) значение тока I₁ определяется задатчиком 12 тока. Точность поддержания заданного значения тока обеспечивается цепью обратной связи: источник 2 ключ 10 шунт 11 сумматор 13 источник 2.

В заданный момент времени t₃ размыкается ключ 10, отключая второй источник 2 питания от нагрузки 9, и замыкаются ключи 7 и 8. Под действием ЭДС самоиндукции протекающий в нагрузке 9 ток направляется по подготовленной цепи: нагрузка 9 ключ 7 конденсатор 3 ключ 8 нагрузка 9, заряжая накопительный конденсатор 3. В связи с тем, что ключи 5-8 выполнены по мостовой схеме, конденсатор 3 заряжается напряжением той же полярности, что и напряжение U₁.

В момент времени t₄ ток в нагрузке 9 и в цепи становится равным нулю (20, фиг. 2). Ключи 8 и 7 запираются. Накопительный конденсатор 3 заряжен до некоторого напряжения U_к (кривая 21, фиг. 2).

Дозарядка накопительного конденсатора 3 до напряжения U₁ производится во время бестоковой паузы, продолжительность которой задается блоком управления. В момент времени t₅ замыкается ключ 4, подключая накопительный конденсатор 3 к первому регулируемому источнику 1 питания. Напряжение на накопительном конденсаторе 3 начинает повышаться и к моменту времени t₆ достигает заданного значения U₁ (кривая 21, фиг. 2). В этот момент потребление тока от источника 1 прекращается, ключ 4 запирается. Устройство готово к следующему циклу работы.

При изменении параметров схемы под влиянием, например, повышения температуры в момент времени t₂ ток в нагрузке достигнет какого-то отличающегося от заданного I₁ значения. Допустим, что ток достигает меньшего значения, равного I_а (кривая 20, фиг. 2). В этом случае ток, протекающий по цепи: нагрузка 9 шунт 11 ключ 10 источник 2 нагрузка 9, будет продолжать нарастать под действием второго регулируемого источника 2 питания еще в течение какого-то интервала времени t₂-t₂¹ пока не станет равным значению I₁. Сигнал, подаваемый постоянно через первый вход блока 19 управления 19 с шунта 11 на блок 14 измерения производной тока, приводит к появлению в этом случае на выходе блока 14 сигнала, отличающегося от нуля, пропорционального скорости изменения тока. В рассматриваемом случае производная тока положительная. Селектор 15 пропускает сигнал на блок 16 коррекции только в указанном интервале времени t₂-t₂¹, заданным таймером 17. Положительный сигнал поступает на блок 16 коррекции, где он обрабатывается и запоминается. Обработка сигнала заключается в преобразовании типа "напряжение частота" и суммировании (вычитании) полученной последовательности импульсов с первоначально заданным значением сигнала. С момента времени t₂¹ на выходе блока 16 коррекции формируется сигнал, который больше выходного сигнала задатчика 12 тока на величину сигнала коррекции. Суммарный сигнал через второй выход блока 19 управления поступает на вход первого регулируемого источника 1 питания, который увеличивает свое напряжение на заданную величину.

В результате к следующему циклу работы первый регулируемый источник 1 питания зарядит накопительный конденсатор 3 до большего чем U₁ напряжения (кривая 21 а, фиг. 2). Это напряжение обеспечит нарастание тока до заданного значения I₁ к моменту времени t₂.

Если в момент времени t₂ ток в нагрузке 9 достигнет большего чем I₁ значения тока I_б (кривая 20, фиг. 2), то в интервале времени t₂-t₂¹ будет происходить уменьшение тока в цепи нагрузки (кривая 20 б, фиг. 2). Производная в этом случае будет отрицательной. Согласно вышеописанному алгоритму первый регулируемый источник 1 питания уменьшит свое напряжение, накопительный конденсатор 3 зарядится до меньшего чем U₁ напряжения (кривая 21 б, фиг. 2).

Следовательно, к следующему циклу работы генератора напряжение на первом регулируемом источнике 1 питания будет откорректировано до необходимого уровня, обеспечивающего нарастание тока до заданного значения I₁. Так как производная тока измеряется в каждом цикле, а изменение параметров схемы не может произойти скачкообразно, то после первоначального согласования источников питания в процессе последующей работы устройства обеспечивается высокостабильное плато тока трапецеидального импульса.

Таким образом, введение новых блоков и связей позволило расширить функциональные возможности генератора за счет обеспечения возможности формирования трапецеидального импульса тока большой мощности в индуктивной нагрузке, с высокой скоростью нарастания требуемого значения тока, высокой стабильностью тока на плоском плато, причем массогабаритные показатели устройства практически не зависят от скорости нарастания тока в нагрузке. Длительность импульса тока, а также бестоковой паузы могут быть заданы схемой управления и не зависят от параметров силовой цепи.

По сравнению с прототипом, в качестве которого выбран источник питания на основе многозонной импульсной модуляции, предлагаемый генератор имеет лучшие массогабаритные показатели в 2-3 и более раз. Обладая меньшей габаритной мощностью, источник обеспечивает такие же параметры импульсов тока.

Устройство создано для энергообеспечения градиентных катушек со сверхпроводящим соленоидом в ЯМР-томографе с большой апертурой поля.

Формула изобретения

ГЕНЕРАТОР ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОГО ТОКА, содержащий два регулируемых источника питания, накопительный конденсатор, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены шесть ключей, нагрузка, шунт и блок управления, причем параллельно выходным выводам первого регулируемого источника питания через первый ключ подключен накопительный конденсатор, обкладки которого включены в первую диагональ моста, образуемого вторым - пятым ключами, в другую диагональ моста включена нагрузка, к соответствующим выводам которой через шестой ключ и шунт подключены выходные выводы второго регулируемого источника питания, а блок управления содержит задатчик тока, сумматор, блок измерения производной тока, селектор, блок коррекции, таймер и блок управления ключами, причем первый вход сумматора соединен с первым выходом задатчика тока, второй вход с выходом шунта, а выход сумматора через первый выход блока управления соединен с входом второго регулируемого источника питания, выход шунта через первый вход блока управления соединен также с входом блока измерения производной тока, выход которого соединен с первым входом селектора, второй вход селектора соединен с первым выходом таймера, выход селектора и второй выход задатчика тока с соответствующими входами блока коррекции, выход которого через второй выход блока управления соединен с входом первого регулируемого источника питания, второй выход таймера соединен с входом блока управления ключами, выходы которого через соответствующие выходы блока управления соединены с управляющими входами всех ключей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3