Система автоматического регулирования высокого напряжения
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Соаетскик
Социалистическии
Рвспублик вв997009 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 26.08.81 (21) 3335133/24-07 (ф1) М g 3 с присоединением заявки №(23) ПриоритетОпубликоваио 150283. Бюллетень ¹6
Дата опубликования описания 15.02. 83
G 0S F 1/46
Государственный комитет
СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 314 ° .57(088.8) (72) Автор изобретения
К. К. Власов т
Ленинградское научно-производс,объединение l
"Буревестник" (73) Заявитель
:(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Изобретение. относится к системам автоматического регулирования для.питания высоким напряжением электротехнического оборудования, в частности рентгеновских аппаратов и электрофизической аппаратуры.
Известны быстродействующие системы стабилизации высокого напряжения, обеспечивающие необходимый уровень пульсаций выходного напряжения и заданную стабильность этого напряжения без применения громоздких массивных фильтров. ,В этих системах выходные выпрямители включены по каскадной схеме; регулирование в узком диапазоне изменения выходного выпрямленного напряжения производится с помощью широкополосного трансформаторно-транзисторного регулятора, включенного последовательно с первичной обмоткой трехфазного высоковольтного трансформатора. Глубокое регулирование выходного напряжения производится с помощью узкополосного регулятора переменного напряжения (автотрансформатора с ручным или автоматическим приводом), широко изменяющего питающее напряжение, подаваемое на первичную обмотку высоковольтного тран.сформатора через последовательно включенную первичную обмотку широкополосного регулятора (1 j.
Недостатком такой системы регулирования высокого напряжения является необходимость применения согласующего трансформатора широкополосного регулятора и батарею регулирующих транзисторов, рассчитанных на полную мощность высоковольтной нагрузки. Это требует удвоения "железа" трансформатора и увеличивает габариты соответственно всей системы питания, за счет увеличения мощности силовых элементов, находящихся под низкиМ потенциалом.
Наиболее .близкой к предлагаемому является система автоматического регулирования высокого напряжения. Для повышения надежности регулировка высокого напряжения в системе осуществляется по цепям переменного тока, находящимся под низким потенциалом.
Выходное напряжение в этой систе25 ме представляет собой. сумму напряжений на выходе двух выпрямителей нерегулируемого и регулируемого, шунтируемых конденсатором фильтра. Регу; лирование и стабилизация выходнОго
З0 вы окого напряжения осуществляется
997009
10 ния и узкополосный регулятор переменного напряжения, инвариантный относительно колебаний напряжения пи20
S0 с помощью регулирующего элемента, состоящего иэ коммутирующих вентилей, собранных по 3-фазной мостовой схеме Ларионова, и транзисторов, шунтирующих выходное напряжение выпрямителя регулятора. Сигнал управления транзисторов формируется схемой сравнения, включающей в себя датчик напряжения, подключенный к выходным клеммам высоковольтного источника, источника задающего напряжения и регулятора напряжения, усиливающего разностный сигнал отрицательной обратной связи до необходимого уровня.
При этом вторичные обмотки высоковольтного трансформатора соединены по схеме "треугольник" для одного регулирующего выпрямителя и по схеме
"звезда" — для другого нерегулируемого выпрямителя, что снижает уровень пульсации выходного напряжения при умеренных габаритах емкостного фильтра и соответственно всей системы 2.). Однако при глубокой регулировке выходного напряжения равенство амплитуд переменного напряжения в обмотках "треугольник" и "звезда" нарушается и появляются более низкочастотные составляющие пульсаций, чем основная частота преобразования
f = 600 Гц и, соответственно, увелкчивается уровень пульсаций на выходе выпрямителей. Это, в свою очередь, приводит к необходимости увеличения габаритов фильтра и всей системы. Включение индуктивного элемента в фильтр сильно увеличивает габариты при больших. токах нагрузки системы, так как габариты дросселя пропорциональны L1Hò. При этом ухудшается динамика системы и ее переходный процесс. Повышение требования к уровню пульсаций и получение меньшей величины пульсаций в выходном напряжении высоковольтного источника питания приводит к необходимости увеличивать емкость фильтра, а следовательно, и ее габариты. С другой стороны, увеличение постоянной времени фильтра сужает полосу пропускания регулирующего и выходного элементов системы,снижаетее быстро- действие.
Целью изобретения является снижение уровня пульсаций выпрямленного напряжения при уменьшении габаритов системы автоматического регулирования высокого напряжения.
Указанная цель достигается тем, что в систему автоматического регулирования высокого напряжения, содержащую основной и вольтодобавочный выпрями ели, соединенные по выходу последовательно и подключенные к выходным выводам, датчик напряжения, включенный параллельно выходным выводам, конденсатор фильтра, широко25
60 полосный регулятор переменного напряжения, источник задающего напряжения, регулятор напряжения и сумматор, один вход которого соединен с выходом датчика напряжения, другой вход — с источником задающего напряжения, а выход - c входом регулятора напряжения, дополнительно введены второй датчик напряжения, второй сумматор, второй регулятор напряжетающей сети, причем конденсатор фильтра подключен к выходу основного выпрямителя, к выходу вольтодобавочного выпрямителя подключен вход второго датчика напряжения, выход которого подключен к входу второго сумматора, к другому входу которого подключен выход первого регулятора напряжения, выход второго сумматора подсоединен к входу второго регулятора напряжения, выход которого подключен к одному входу широкополосного регулятора переменного напряжения, один выход которого подключен к входу.вольтодобавочного выпрямителя, другой выход широкополосного регулятора — к входу узкополосного регулятора переменного напряжения, инвариантного относительно колебаний напряжения питающей сети, выход которого соединен с входом основного выпрямителя и с вторым входом широкополосного регулятора переменного напряжения, причем вторичные обмотки каждого из высоковольтных трансформаторов основного и вольтодобавочного выпрямителей соединены в "звезду" и в "треугольник", и их "лучи" и
"вершины" подключены к своему мостовому двухполупериодному выпрямителю, соединенным между собой последовательно.
На чертеже представлена принципиальная схема системы автоматического регулирования.
Система содержит основной выпрямитель 1 со сглаживающим фильтром 2 и последовательно с их выходом подключен вольтодобавочный выпрямитель
3 с включенным на его выход дат иком 4 напряжения, Выход выпрямителей 1 и 3 подключен к выходным клеммам 5 системы, а также датчик напряжения б, входящий в цепь отрицательной обратной связи, содержащей сумматор 7, с входами которого соединены выходы источника задающего напряжения 8 и датчика напряжения б. Выход сумматора 7 через регулятор на- . пряжения 9 подсоединен к одному из входов второго сумматора 10, к другому входу которого подсоединен выход датчика напряжения 4. Выход сумматора 10 через второй регулятор 11 напряжения подсоединен к входу 12
997009 широкополосного регулятора 13 переменного напряжения, к второму входу
14 которого, а также к входу основного выпрямителя, подключен выход узкополосного регулятора 15 переменного напряжения, инвариантного относительно колебаний питающего напряжения. Один выход 16 широкополосного регулятора 13 переменного напряжения соединен с входом 17 узкополосного регулятора 15, а другой выход 18 широкополосного регулятора 13 подсоединен к входу вольтодобавочного выпрямителя 3. Вольтодобавочный выпрямитель 3, датчик 4, второй сумматор . 10, второй регулятор 11 и широкополосный регулятор 13 переменного напряжения образуют внутренний контур стабилизации 19, а внешним контуром является вся система.
Система автоматического регулирования работает следующим образом.
На входы второго сумматора 10 поступает задающее воздействие 0„ от регулятора. напряжения 9 и напряжение отрицательной обратной связи
p
5 задающего напряжения 8 и с выхода дат-40 чика напряжения 6, напряжение отрицательной обратной связи, (U +U<) где „ — коэффициент обратйой связи всей системы, стабилизирующей выходное напряжение 0н РавНое 0» + Ue< 45 где U - выходное напряжение основного выпрямителя 1, отфильтрованное конденсатором фильтра 2. Напряжение
0 выбирается как л 0,15 выходного напРЯжениЯ 0н, поэтомУ мощность воль- 5О тодобавочного выпрямителя Р " 0,15 Р>, следовательно, и габариты его соответственно меньше, чем остальная часть системы. Напряжение на выходе
U@ всей системы автоматического регулирования устанавливается в результате воздействия напряжения U на замкнутый контур стабилизации О», причем, так как 0 является только частью напряжения основного выпрямителя 1, то при увеличении сигнала, 60 поступающего на вход 12 широкополосного регулятора 13 переменного напряжения до определенного уровня величины, которая близка к границе выходного динамического диапазона регу- б5 лятора 13 по его выходу 18, включается его выход 16 и воздействует на вход 17 узкополосного регулятора 15 переменного напряжения до того момента, пока напРЯжение 0н не Увеличится (уменьшится), а следовательно, и не уменьшится (увеличится), и динамический диапазон регулирования регулятора 13 не будет превьиаать уставки порога срабатывания на включение канала воздействия регулятора
13 на регулятор 15 ° Так как выходное напряжение узкополосного регулятора
15 переменного напряжения изменяется одновременно и на входе выпрямителя
1 и на входе 14 регулятора 13 (а следовательно, и на выпрямителе 3), то соотношение напряжений 0 < 0,15. UH сохраняется во всем диапазоне регулирования выходного напряжения 0„. Таким образом, осуществляется подчиненный принцип регулирования контура стабилизации напряжения 0„ в зависимости от изменения напряжения нагрузки U .
Контур стабилизации U не содержит инерционных элементов при 01<= const, поэтому обладает высоким быстродействием и стабилизирует выходное НаI пряжение 0< с заданной точностью и с заданным коэффициентом,пульсаций.
Полоса пропускания такой разомкнутой системы не хуже 1 кГц, что необходимо для подавления пульсации выпрямителя 3: 1 = 600 Гц. Уровень собственных пульсаций в напряжении О» не более ЗЪ (теоретические — 1,4% при включении вторичных обмоток выпрямителя 3 по схеме треугольник" и "звезда"). Такой же уровень пульсаций на выходе выпрямителя 1 (без подключения фильтра-конденсатора) . Небольшим по номинальной емкости конденсатором можно снизить этот уровень пульсаций до величины, меньшей 1Ъ, что составляет меныае 10% для выходного динамического диапазона вольтодобавочного выпрямителя 3. Узкополосный регулятор 15 переменного напряжения выбираем инвариантным относительно колебаний питающей сети с точностью до Я 1%, что составляет также 10Ъ для вольтодобавочного выпрямителя 3 при возложении на него дополнительной функции сглаживания остаточной нестабильности выходного напряжения и пульсаций основного выпрямителя 1.
Полоса пропусканий контура широкополосной стабилизации напряжения Uz позволяет это сделать, так как для сигнала управления передаточная функция замкнутого контура И»(Р)Ф-г-трт
Й представляет собой коэффициент передачи к 10 дБ (при 0,,Ф 10 кВ, à 0к .
=10 В) почти до частоты среза этого контура, и, по крайней мере, до 5 Ф
= 0,6 кГц. Передаточная функция с
997009
60 выхода выпрямителя 3 на выход системы представляется выражением
M (Р) °
Вц Р . .С + PCrtj+ 1
4-H Rq Lq !
К„где L6 - индуктивность рассеяния высоковольтного трансформатора выпрямителя 1;
R - внутренне активное сопротинление выпрямителя 1, С - емкость конденсатора фильтра.
Соотношение параметров получается такое, что вначале проявляется дифференцирую .ее действие коэффициента передачи К (на более низких частотах), а затем интегрирующее действие. Это дает подъем частотной характеристики в диапазоне 50-300 Гц, что облегчает получение желаемой частотной характеристики системы при использовании в качестве быстродействующего регулятора вольтодобавочного выпрямителя с широкополосным регулятором 13 переменного напряжения. Устойчивость системы обеспечивается, если внутренний контур стабилизации 19 более быстродействующий, чем внешний контур. Это условие нами выполнено, так как внутренний контур содержит широкополосный регулятор переменного напряжения, а внешний узкополосный.
Таким образом, осуществляется широкополосная стабилизация напряжения на вольтодобавочном выпрямителе с помощью малоинерционного регулятора, функции регулирования которого расширяются путем воздействия на инвариант* ный относительно колебаний питающей сети О< узкополосный регулятор переменного напряжения с выходом на основной выпрямитель и одновременно на широкополосный регулятор совместно с включением конденсатора фильтра только к выходу оснонного выпрямителя ° Это позволяет улучшить динамическую характеристику системы, уменьшить пульсации в ее выходном напряжении и одновременно сократить ее габариты путем уменьшения габаритов высоковольтного конденсатора, мощности широкополосного регулятора, составляющего приблизительно десятую часть от мощности нагрузки, Формула изобретения
Система автоматического регулирования высокого напряжения, содержащая основной и вольтодобаночный вы5
tG
55 прямители, соединенные по выходу последовательно и подключенные к ныходным выводам, датчик напряжения, включенный параллельно выходным выводам, конденсатор фильтра, широкополосный регулятор переменного напряжения, источник задающего напряжения, регу- лятор напряжения и сумматор, один вход которого соединен с выходом датчика напряжения, другой вход - с источником задающего напряжения, а ныход — с входом регулятора напряжения, о т л и ч à ю щ а я с я тем, что, с целью снижения уровня пульсаций выпрямленного напряжения при уменьшении габаритов системы, в нее дополнительно введены второй датчик напряжения, второй сумматор, второй регулятор напряжения и узкополосный регулятор переменного напряжения, ин- . вариантный относительно колебаний напряжения питающей сети, причем конденсатор фильтра подключен к выходу основного выпрямителя, к выходу ноль..одобавочного выпрямителя подключен вход второго датчика напряжения, выход которого подсоединен к входу второго сумматора, к другому входу которого подключен выход первого регулятора напряжения, выход второго сумматора подсоединен к входу второго регулятора напряжения, выход которого подключен к одному входу широкополосного регулятора переменного напряжения, один выход которого подключен к входу вольтодобавочного выпрямителя, другой выход широкополосного регулятора подключен к входу узкополосного регулятора переменного напряжения, инвариантного относительно колебаний напряжения питающей сети, выход которого соединен с входом основного выпрямителя и с вторым входом широкополосного регулятора переменного напряжения, а вторичные обмотки каждого из высоковольтных трансформаторов основного и нольтодобавочногО выпрямителей соединены в
"звезду" и в "треугольник", и их
"лучи" и "вершины" подключены соответственно к одному иэ днух мостовых двухполупериодных выпрямителей, соединенных между собой последовательно, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Альбертинский Б. И,, Свинкин М. П. Каскадные генераторы. N.;
Атомиздат, 1980, с. 186-188, рис. 5, 16.
2. Белопольский,И. И., Тихонон В.И.
Транзисторные стабилизаторы на повышенные и высокие напряжения. М., "Энергия", 1971, с. 60-61, рис. 4-6, 997ОО9
Составитель Ю. Андреев редактор И, Бандура Техред Т.Фанта КоРРектоР И ° Шулла
Заказ 932/65 Тираж 872 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4
