ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКИ

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКИ


RU (11) 2199814 (13) C2

(51) 7 H02M7/537 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2000126962/09 
(22) Дата подачи заявки: 2000.10.30 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2000.10.30 
(43) Дата публикации заявки: 2002.09.20 
(45) Опубликовано: 2003.02.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1108608 А, 15.08.1984. SU 1134998 А, 15.01.1985. SU 1171938 А, 07.08.1985. ЕР 0387435 А, 19.09.1990. 
(71) Заявитель(и): Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство РФ по атомной энергии 
(72) Автор(ы): Буранов С.Н.; Горохов В.В.; Карелин В.И.; Селемир В.Д. 
(73) Патентообладатель(и): Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно- исследовательский институт экспериментальной физики; Министерство РФ по атомной энергии 
Адрес для переписки: 607190, Нижегородская обл., г. Саров, пр. Мира, 37, РФЯЦ- ВНИИЭФ, начальнику ОПИНТИ А.А. Кимачеву 

(54) ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ НАГРУЗКИ 

Изобретение относится к электротехнике, к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках питания с импульсной формой выходного напряжения, работающих на нелинейную нагрузку: излучатели газовых лазеров, плазмохимические реакторы и т.п. Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости при регулировании мощности нагрузки в широких пределах. Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным источником питания нелинейной нагрузки, содержащим последовательно соединенные задающий генератор, формирователь импульсов, последовательный резонансный инвертор и повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, новым является то, что задающий генератор выполнен по цифровой схеме, обеспечивающей формирование периодических циклов генерации (серий), причем частота следования импульсов постоянна, а число импульсов в сериях определяется кодом числа на входе задающего генератора. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике, к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках питания с импульсной формой выходного напряжения, работающих на нелинейную нагрузку: излучатели газовых лазеров, озонаторы и т.п.

Для питания нелинейных нагрузок, включающих газоразрядный промежуток применяются импульсные источники электропитания на основе инверторов напряжения (тока), так как они работают в широком диапазоне частот, обладают высокими динамическими характеристиками и обеспечивают регулирование мощности в широких пределах.

Известен источник питания нелинейной нагрузки (заявка 57-53283, Япония, МПК С 01 В 13/11, Н 02 М 7/00, опубл. 12.11.1982 г.), содержащий последовательно соединенные задающий генератор, инвертор напряжения и повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке.

Недостатком известного устройства является низкая помехоустойчивость, так как регулирование мощности производится аналоговой схемой управления. Кроме того, схема инвертора обеспечивает переключение при прямоугольной форме напряжения и тока в элементах силового контура. Это вызывает высокий уровень высокочастотных колебаний на фронтах напряжения и тока, ухудшает электромагнитную обстановку и снижает помехоустойчивость устройства.

Уменьшить уровень нежелательных высокочастотных колебаний позволяет применение схемы инвертора с резонансным контуром (резонансный инвертор), так как она обеспечивает в силовой цепи импульсы тока синусоидальной формы (В.В. Макаров "Электронная техника в автоматике", Сборник статей под ред. Ю. И. Конева, Москва, "Радио и связь". Вып. 16, стр. 44, 1985 г.).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является источник питания нелинейной нагрузки (С.Н. Буранов и др., "Транзисторный генератор высоковольтных импульсов чередующейся полярности", опубликованный в журнале "Приборы и техника эксперимента", 1, 1999 г., стр. 134-136). Известный источник питания нелинейной нагрузки содержит последовательно соединенные задающий генератор, формирователь импульсов, последовательный резонансный инвертор напряжения (тока) и повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке.

В прототипе задающий генератор выполнен по аналоговой схеме, формирующей последовательность импульсов, частота следования которых задается управляющим напряжением. При широкодиапазонном регулировании (более 2 порядков) из-за малых величин управляющего сигнала (<0,1 В) работа схемы очень чувствительна к электромагнитным помехам. Вследствие этого данное устройство имеет низкую помехоустойчивость. Кроме того, при переменной частоте импульсов питания не выполняются оптимальные условия работы, в том числе с точки зрения обеспечения необходимой электромагнитной совместимости, что также снижает помехоустойчивость.

При создании изобретения решалась задача обеспечения надежного электропитания нелинейных нагрузок с газоразрядным промежутком, поскольку работа подобных приборов сопровождается мощными электромагнитными помехами.

Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости при регулировании мощности нагрузки в широких пределах.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным источником питания нелинейной нагрузки, содержащим последовательно соединенные задающий генератор, формирователь импульсов, последовательный резонансный инвертор напряжения (тока) и повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, новым является то, что задающий генератор выполнен по цифровой схеме, обеспечивающей формирование периодических циклов генерации (серий), причем частота следования импульсов постоянна, а число импульсов в сериях определяется кодом числа на входе задающего генератора.

Постоянную частоту следования импульсов в сериях выбирают из условия, чтобы интервал между импульсами питания превышал время завершения переходных процессов в нагрузке и силовой цепи. При этом на нагрузке формируются импульсы напряжения со стабильной "гладкой" формой. Это позволяет получать быстрозатухающий спектр помех и ограничивать их частотный диапазон, что весьма важно для эффективной защиты от помех и повышения помехоустойчивости.

Период повторения серий образует интервал регулирования, в пределах которого число импульсов К в сериях изменяется от одного до максимальной величины N. При этом средняя мощность нагрузки составляет Рк=(KIN)Pном, где Рном - номинальная мощность, когда К=N. Количество импульсов в сериях определяется двоичным (двоично-десятичным) кодом числа на входе задающего генератора, выполненным па основе цифровой схемы код-время. По сравнению с аналоговыми схемами схема кодового (цифрового) управления имеет более высокое соотношение сигнал-шум во всем диапазоне регулирования, что повышает помехоустойчивость источника питания.

На фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого источника питания нелинейной нагрузки. На фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Источник питания содержит последовательно соединенные задающий генератор 1, формирователь импульсов 2, последовательный резонансный инвертор 3 и повышающий трансформатор 4, вторичная обмотка которого подключена к нелинейной нагрузке 5.

Задающий генератор 1 выполнен по цифровой схеме. Он предназначен для формирования периодических серий импульсов с постоянным интервалом между смежными импульсами и регулирования количества импульсов в сериях согласно коду числа на входе.

Вариант выполнения задающего генератора 1 показан на фиг.1. Задающий генератор 1 содержит тактовый генератор 6, делитель частоты 7, вычитающий счетчик 8 и вентиль 9, выполненный в виде двухвходового элемента ИЛИ, причем вход разрешения записи в счетчик 8 подключен к точке соединения выхода тактового генератора 6 с первым входом вентиля 9 через делитель частоты 7, выход переноса счетчика 8 соединен со вторым входом вентиля 9, выход которого подключен к входу формирователя 2 и тактовому входу счетчика 8. Количество импульсов в сериях на выходе задающего генератора 1 определяется двоичным кодом числа К на информационном входе счетчика 8.

В схеме задающего генератора 1 использовались микросхемы КМОП серии К561: К561 ЛА7 - тактовый генератор 6, К561 ИЕ10 - делитель частоты 7, К561 ИЕ14 - вычитающий счетчик 8, К561 ЛЕ6 - вентиль 9. Делитель 7 и счетчик 8 выполнены по каскадным схемам, обеспечивающим необходимую разрядность для заданного диапазона регулирования количества импульсов в сериях от 1 до N.

Элементы 2-4 на фиг. 1 выполнены как указано в прототипе.

Формирователь импульсов 2 управляет силовыми ключами резонансного инвертора 3. Схема формирователя 2 выполнена на двух ждущих мультивибраторах (один корпус микросхемы КР1561 АГ1), включенных по кольцевой схеме и двухтактных усилителях мощности с трансформаторной развязкой.

Последовательный резонансный инвертор 3 аналогичен используемым в источниках питания различных технологических установок (электронно-лучевых, сварочных). Инвертор 3 выполнен на транзисторах КП 955А по мостовой или полумостовой схеме с обратными диодами 2Д 2990А, в диагональ которой включен последовательный колебательный контур.

Выполнение повышающего трансформатора 4 аналогично используемым в импульсных высоковольтных электроразрядных установках. Он служит для формирования импульсов напряжения на газоразрядном промежутке нелинейной нагрузки 5. Первичная обмотка трансформатора 4 включена в диагональ переменного тока инвертора 3 последовательно с колебательным контуром, а его вторичная обмотка подключена к нагрузке 5.

На фиг.2 приведены следующие диаграммы:

а - напряжение на выходе тактового генератора 6;

б - напряжение на выходе делителя частоты 7;

в - напряжение на выходе переноса счетчика 8;

г - напряжение на выходе вентиля 9;

д - ток Iк в резонансном контуре инвертора 3;

е - напряжение на нагрузке 5.

На приведенных диаграммах использованы следующие обозначения:

Т - период следования импульсов тактового генератора 6;

Тоткр - время открытого состояния вентиля 9;

Тр - интервал регулирования.

Работает устройство следующим образом. Формирователь импульсов 2 управляет силовыми транзисторами, обеспечивая в резонансном инверторе 3 режим прерывистого тока дросселя (фиг. 2, д). При этом во время первой полуволны тока Iк на нагрузке 5 формируется импульс питания (фиг. 2, е), а в газовом промежутке происходит электрический пробой и вложение энергии. После перехода Iк через ноль на нагрузке формируется обратный выброс, амплитуда которого не достигает напряжения пробоя. Поэтому разряд обрывается, а неиспользованная в импульсе часть энергии во время второй полуволны Iк возвращается через обратные диоды в источник питания. При регулировании мощности нагрузки частота импульсов питания остается постоянной и изменяется только их количество в сериях.

Серии импульсов вырабатываются задающим генератором 1 следующим образом. При включении устройства счетчик 8 обнулен и сигналом логической единицы (лог.1) с выхода переноса удерживает вентиль 9 в закрытом состоянии. Формирователь 2 в это время не работает и нагрузка обесточена. Одновременно импульсы тактового генератора 6, следующие с периодом Т (фиг. 2, а), поступают на вход делителя частоты 7 с коэффициентом деления N, который через N периодов вырабатывает синхроимпульс (фиг. 2, б), разрешающий запись числа К, представленным в параллельном двоичном виде, в счетчик 8. Пусть К соответствует десятичному числу три. Тогда после занесения этого числа в счетчик сигнал на его выходе переноса переключается в состояние логического нуля (лог. 0) и вентиль 9 открывается, пропуская импульсы на вход формирователя 2 и тактовый вход счетчика. Последний просчитывает их до нуля, что возвращает выход переноса в состояние лог. 1 (фиг. 2, в), и вентиль закрывается. В результате в течение времени Тоткр = 3Т (фиг. 2, в) на выходе задающего генератора 1 формируется серия, состоящая из трех импульсов (фиг. 2, г). По окончании интервала регулирования Тр = NT делитель частоты вырабатывает вновь синхроимпульс, производящий запись текущего кода в счетчик (фиг. 2, б). Пусть к этому моменту код сигнала управления изменился и соответствует десятичному числу два. Тогда согласно вышеописанному алгоритму счетчик 8 открывает вентиль 9 на время Тоткр = 2Т и формируется пачка из двух импульсов. Всего на интервале регулирования умещается серия из N импульсов. При этом источник питания развивает максимальную (номинальную) мощность.

Предложенное устройство испытывалось при нагрузке на излучатель СО2-лазера и озонатор. В случае озонатора величина интервала регулирования Tр выбиралась с учетом допустимых колебаний выходной концентрации озона (10%) и составляла 1 сек. При рабочей частоте следования импульсов в сериях 10 кГц диапазон регулирования достигал четырех порядков. Были получены стабильные квазисинусоидальные импульсы питания длительностью 5 мкс, причем интервал между смежными импульсами в сериях превышал время завершения переходных процессов (~50 мкс). Это позволило по сравнению с прототипом сузить спектральный диапазон до 0,15-30 МГц и уменьшить уровни напряжений помех в цепях управления на 3-6 дБ, что объясняется некоторым "скруглением" кратковременных выбросов напряжений и токов на интервалах между импульсами питания (фиг. 2, г).

В прототипе допустимое напряжение помехи в цепях управления составляло 1% от напряжения питания (Uпит = 15 В). Испытания показали, что для бесперебойного управления цифровой схемой задающего генератора было допустимо напряжение помехи до 30% от Uпит, что по сравнению с прототипом повысило помехоустойчивость. В результате при регулировании в пределах четырех порядков экранирование узлов источника питания и нелинейной нагрузки не применялось, что упростило и удешевило конструкцию устройства.

Таким образом, можно заключить, что предлагаемое техническое решение позволяет повысить помехоустойчивость источника питания нелинейной нагрузки при широкодиапазонном регулировании мощности. Высокая помехоустойчивость обеспечивается постоянной частотой и кодовым управлением задающего генератора. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Источник питания нелинейной нагрузки, содержащий последовательно соединенные задающий генератор и формирователь импульсов, управляющий силовыми ключами последовательного резонансного инвертора напряжения или тока, в диагональ переменного тока которого включена первичная обмотка повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, отличающийся тем, что задающий генератор выполнен по цифровой схеме, обеспечивающей формирование периодических серий импульсов, причем частота следования импульсов в серии постоянна, а число импульсов в каждой серии определяется кодом числа на входе задающего генератора.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru