Импульсный модулятор для питания емкостной нагрузки

 

Изобретение относится к импульсным источникам питания и может быть использовано для питания пылеулавливающих электрофильтров. Импульсный модулятор для питания емкостной нагрузки содержит два ключевых элемента, источник питания, систему управления, включающую в себя перезапускаемый таймер с уставкой и канал связи с управляющим входом первого ключевого элемента, а также нагрузку, последовательный LC-разрядный контур и импульсный токовый трансформатор. Достигаемый технический результат - повышение кпд при обеспечении устойчивости к пробоям в нагрузке. 3 ил.

Изобретение относится к импульсным источникам питания (например, модуляторам), работающим на емкостную нагрузку с частичным разрядом емкостного накопителя и предназначено для питания электрофильтров или других устройств, имеющих большую долю емкостной составляющей в нагрузке, особенно, когда пробой в нагрузке является штатным.

Анализ известных электрических схем модуляторов показал, что из-за большого падения напряжения на коммутаторе трудно получить крутые фронты импульсов (единицы мкс) на емкостной нагрузке, например электрофильтре, электрической емкостью 0,15 мкФ и более, при длительности импульса от 10 до 200 мкс, при напряжении более 30 кВ, частоте повторения до 1 кГц, сроке службы не менее 1000 ч.

Известен источник высокого напряжения для электрического пылеуловителя, выполненный с использованием неуправляемого разрядника, который не позволяет осуществлять длительную работу устройства с изменяющейся сравнительно высокой частотой. Пробои в пылеуловителе могут приводить к периодическому сбою в работе источника [1].

Источник не позволяет оперативно изменять длительность импульсов при сохранении крутизны фронтов. Схема не достаточно защищена от электрических пробоев пылеуловителя, имеет низкий кпд и пологие фронты при работе на емкостную нагрузку.

Известен также импульсный модулятор, содержащий источник питания постоянного тока и две последовательно соединенные модуляторные лампы [2,3]. Такие модуляторы способны обеспечить устойчивую работу, однако модуляторные лампы не в состоянии пропустить токи в тысячи ампер за микросекунду. К недостаткам этих модуляторов можно отнести низкий кпд, пологие фронты при работе на емкостную нагрузку.

В качестве прототипа выбран импульсный модулятор [3], содержащий источник питания, две последовательно соединенные модуляторные лампы, первая из которых анодом подключена к положительной шине источника питания, катодом к нагрузке, соединенной с общей шиной, а другая анодом к нагрузке, генератор управляющих импульсов, подключенный через пороговые элементы к входам двух управляющих ключей, две форсирующие цепочки, выход первой из которых включен между управляющей сеткой первой модуляторной лампы и анодом второй, выход второй - между управляющей сеткой второй модуляторной лампы и отрицательной шиной источника питания, а их входы соединены соответственно с анодами первой и второй модуляторных ламп и два управляющих ключа, причем первый управляющий ключ подключен между катодом первой модуляторной лампы и анодом второй, а второй - между катодом модуляторной лампы и отрицательной шиной источника питания.

Целью настоящего изобретения является повышение кпд модулятора при обеспечении устойчивости к пробоям в нагрузке и уменьшение длительности фронтов импульсов, что обеспечивает, в частности, повышение кпд электростатического фильтра (пылеуловителя).

Для достижения поставленной цели в импульсный модулятор, содержащий источник питания постоянного тока, два последовательно соединенных ключевых элемента, анод одного из которых соединен с положительным выводом источника питания, а анод второго - с нагрузкой, введены импульсный токовый трансформатор, включенный в цепь катода второго ключевого элемента, резистор утечки, шунтирующий первый ключевой элемент и последовательный LC - разрядный контур, включенный между анодом второго ключевого элемента и нагрузкой, зашунтированной диодом. При этом в качестве ключевых элементов использованы приборы с "мягкой" характеристикой включения, например, импульсные водородные тиратроны или импульсные частотные тиристоры, имеющие значительно меньшее падение напряжения и значительно большие импульсные токи, а система управления ключами содержит генератор управляющих импульсов, подключенный к управляющему входу второго ключевого элемента, перезапускаемый таймер с уставкой или два последовательно соединенных таймера, один из которых, перезапускаемый, подключен входом к импульсному токовому трансформатору, а второй - через канал связи, например оптический - связан с управляющим входом первого ключевого элемента. Благодаря этому система управления выдает два разделенных по времени импульса управления коммутаторами, первый управляет первым коммутатором, а второй через световодный оптический канал управляет вторым коммутатором. Включение первого коммутатора соответствует фронту, а второго - срезу формируемого высоковольтного импульса на нагрузке. Второй импульс система управления выдает только тогда, когда полностью прекращается ток первого коммутатора. Информация о токе первого коммутатора снимается с импульсного токового трансформатора.

Для пояснения существа изобретения: на фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема импульсного модулятора; на фиг.2 - структурная схема системы управления импульсным модулятором; на фиг.3 - осциллограммы в основных точках системы управления.

Силовая электрическая схема импульсного модулятора (фиг.1) содержит коммутатор 1, соединенный катодом с анодом коммутатора 2 через разрядный дроссель 3 к точке соединения катода коммутатора 1 и дросселя 3, подключена первая обкладка разрядного конденсатора 4, вторая обкладка которого подключена к аноду шунтирующего нагрузку диода 5 и к емкостной нагрузке 6, между катодом коммутатора 2 и землей включена первичная обмотка импульсного токового трансформатора 7, между анодом и катодом коммутатора 1 включен резистор утечки 8, далее анод коммутатора 1 подключен к первому концу зарядного дросселя 9, второй конец которого подключен к первому концу накопительного конденсатора 10 и к катодам диодов высоковольтного выпрямителя 11, второй конец конденсатора и аноды диодов заземлены, к выпрямителю подводится высоковольтное питание переменного напряжения от источника 12. К управляющему электроду коммутатора 2 подключен генератор импульсов 13. Токовый трансформатор 7 подключен к перезапускаемому таймеру 17, выходом соединенного с входом таймера 18, нагруженного на светодиод 19, который с помощью световода 15 соединяется с фотодиодом 16, подключенным через усилитель к управляющему электроду коммутатора 1. Для получения предельно коротких фронтов возможно исключение из схемы дросселей 3 и 9.

Устройство работает следующим образом.

Накопитель энергии источника питания 10 заряжается от источника высокого напряжения 12 через высоковольтную диодную сборку 11. Через дроссель 9, резистор утечки коммутатора 8 и зарядный диод 5 напряжение на конденсаторе 4 становится равным напряжению на конденсаторе питания 10. Напряжение на коммутаторе 2 становится равным питающему, а напряжение на коммутаторе 1 приближается к нулю. При вышеприведенных потенциалах импульсный модулятор находится в исходном состоянии.

Генератор импульсов 13 задает частоту повторения модулятора (фиг.3а), отпирает коммутатор 2, и конденсатор 4 оказывается подключенным параллельно емкости нагрузки 6 через дроссель 3, и напряжение на нагрузке резко возрастает до уровня, соответствующего параллельному соединению конденсаторов 4 и 6. Чем больше электрическая емкость конденсатора 4 по отношению к конденсатору 6, тем до большего по абсолютной величине поднимется напряжение на нагрузке (но не более, чем на конденсаторе 10). Амплитуда импульса напряжения на нагрузке U_нaгp (конденсаторе 6) приблизительно определяется из формулы: где С4, С6 - емкость конденсаторов 4 и 6 - соответственно; U1 - напряжение питания.

С помощью токового трансформатора 7 (фиг.3б) регистрируется ток перезарядки конденсаторов 6 и 4. Как только ток коммутатора 2 прекращается (и он закрывается), в системе управления 14 (фиг.2) включается сначала перезапускаемый таймер 17 и через время, соответствующее времени надежного восстановления запертого состояния коммутатора 2, включается таймер 18 заданной длительности импульса. Перезапускание таймера 17 осуществляется до тех пор, пока не окончится ток коммутатора 2 плюс время выдержки на запирание (устанавливается предварительно по результатам первоначальной настройки, например 30 мкс на фиг.3в). По окончании суммарной выдержки времени таймеров 17 и 18 срабатывает светодиод 19 и световой сигнал по световоду 15 поступает на фотодиод 16 и через усилитель поступает на управляющий электрод коммутатора 1, включая коммутатор (фиг.3г). Его включение приводит к протеканию тока подзарядки конденсатора 4, который потерял частично напряжение при формировании потенциала на конденсаторе нагрузки 6. Ток зарядки через коммутатор 1 и дроссель 9 быстро восстанавливает потенциал конденсатора 4 и срезает импульс напряжения на конденсаторе нагрузки 6, формируя срез импульса. Ток через коммутатор 2 прекращается и схема снова приходит в исходное состояние.

Скорость нарастания напряжения на конденсаторе 6 (фронт) определяется индуктивностью дросселя 3, а среза - индуктивностью дросселя 9 и емкостями 4 и 6 при условии, что величина емкости 10 значительно больше емкости 10.

Особенностью системы управления является то, что импульс на открывание 1-го коммутатора может появиться только после полного запирания коммутатора 2-го, то есть отработки времени задержки перезапускаемым таймером 17 (например, К155АГ3). Таймер 18 (например, К155АГ1) добавляет время задержки для получения заданной длительности импульса. То есть заданное время длительности импульса складывается из суммы длительностей импульсов, вырабатываемых таймерами 17 и 18, и не может быть меньше длительности, задаваемой уставкой таймера 17. Возможна реализация заданного алгоритма работы с помощью только одного перезапускаемого таймера с уставкой, где длительность импульса может изменяться путем изменения времени уставки этого таймера (например, 1006ВИ1).

Использование такой следящей системы управления импульсным модулятором позволяет обеспечить его устойчивую работу при пробоях в нагрузке или сбое в работе одного из коммутаторов, то есть повышает надежность работы устройства.

Источники информации 1. Патент Япония 2-3395, 02.03.83.

2. Патент США 3435378, кл. 332-41, 25.03.1969.

3. А.с. 932610, БИ 20, 30.05.82.

Формула изобретения

Импульсный модулятор для питания емкостной нагрузки, содержащий источник питания постоянного тока, первый и второй последовательно соединенные ключевые элементы и систему управления с генератором управляющих импульсов, подключенным к управляющему входу второго ключевого элемента, причем первый ключевой элемент анодом соединен с положительным выводом источника питания, второй ключевой элемент анодом соединен с нагрузкой, а катодом - с отрицательным выводом источника питания и вторым выводом нагрузки, отличающийся тем, что в него введены импульсный токовый трансформатор, включенный в цепь второго ключевого элемента, резистор утечки, шунтирующий первый ключевой элемент, и последовательный LC разрядный контур, включенный между анодом второго ключевого элемента и соответствующим выводом нагрузки, зашунтированной диодом, анод которого соединен с указанным выводом, при этом в качестве ключевых элементов использованы приборы с "мягкой" характеристикой включения, например импульсные водородные тиратроны или импульсные частотные тиристоры, выходная обмотка импульсного токового трансформатора подключена к входу системы управления, включающей в себя перезапускаемый таймер с уставкой и канал связи с управляющим входом первого ключевого элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3