Система автоматического регулирования высокого напряжения

ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз СаеетскикСоциалистическихРвспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 26.08,81 (21) 3335133/24-07 1 з 1) М, Кд,з с присоединением заявки М(23) ПриоритетОпубликоваио 1502.83. Бюллетень йо 6Дата опубликования описания 15,02, 83 6 05 Р 1/46 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯИзобретение. 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 трансфор. матора. 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 последовательновключенную первичную обмотку широкополосного регулятора (1 ),Недостатком такой системы регулирования высокого напряжения являетсянеобходимость применения согласующего трансформатора широкополосного регулятора и батарею регулирующих транзисторов, рассчитанных на полную мощность высоковольтной нагрузки. Этотребует удвоения "железа" трансформатора и увеличивает габариты соответственно всей системы питания, засчет увеличения мощности силовыхэлементов, находящихся под низкиМпотенциалом.Наиболее близкой к предлагаемомуявляется система автоматического регулирования высокого напряжения. Дляповышения надежности регулировкавысокого напряжения в системе осуществляется по цепям переменного тока,находящимся под низким потенциалом.Выходное напряжение в этой систе 25 ме представляет собой. сумму напряжений на выходе двух выпрямителей нерегулируемого и регулируемого, шунтируемых конденсатором фильтра. Регу.- лирование и стабилизация выходнОго30 высокого напряжения осуществляется997009 10 ния и узкополосный регулятор переменного напряжения, инвариантный относительно колебаний напряжения пи 20 30 50 с помощью регулирующего элемента,состоящего иэ коммутирующих вентилей,собранных по 3-фазной мостовойсхеме 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 напряженияи регулятора напряжения, усиливающе"го разностный сигнал отрицательнойобратной связи до необходимого уровня,При этом вторичные обмотки высоковольтного трансформатора соединеныпо схеме "треугольник" для одногорегулирующего выпрямителя и по схеме"звезда" - для другого нерегулируемого выпрямителя, что снижает уровеньпульсации выходного напряженияпри умеренных габаритах емкостногофильтра и соответственно всей системы2 Однако при глубокой регулировке выходного напряжения равенствоамплитуд переменного напряжения вобмотках "треугольник" и "звезда"нарушается и появляются более низкочастотные составляющие пульсаций,чем основная частота преобразованияГ = 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 увеличиваетгабариты при больших токах нагрузкисистемы, так как габариты росселяпропорциональны 1.1 нт, При этом ухудшается динамика системы и ее переходный процесс. Повышение требованияк уровню пульсаций и получение меньшей величины пульсаций в выходномнапряжении высоковольтного источника питания приводит к необходимостиувеличивать емкость фильтра, а следовательно, и ее габариты. С другойстороны, увеличение постоянной времени фильтра сужает полосу пропускания регулирующего и выходного элементов системы,снижаетее быстро-действие.Целью изобретения является снижение уровня пульсаций выпрямленногонапряжения при уменьшении габаритовсистемы автоматического регулирования высокого напряжения.Указанная цель достигается тем,что в систему автоматического регулирования высокого напряжения, содержащую основной и вольтодобавочныйвыпрямиели, соединенные по выходупоследовательно и подключенные к выходным выводам, датчик напряжения,включенный параллельно выходным выводам, конденсатор фильтра, широко 25 35 40 45 55 60 полосный регулятор переменного напряжения, источник задающего напряжения, регулятор напряжения и сумматор, один вход которого соединен свыходом датчика напряжения, другойвход - с источником задающего напряжения, а выход - с входом регулятора напряжения, дополнительно введены второй датчик напряжения, второйсумматор, второй регулятор напряжетающей сети, причем конденсатор фильтра подключен к выходу основноговыпрямителя, к выходу вольтодобавочного выпрямителя подключен вход второго датчика напряжения, выход которого подключен к входу второго сумматора, к другому входу которогоподключен выход первого регуляторанапряжения, выход второго сумматораподсоединен к входувторого регулятора напряжения, выход которого подключен к одному входу широкополосного регулятора переменного напряжения, один выход которого подключенк входу.вольтодобавочного выпрямителя, другой выход широкополосного регулятора - к входу узкополосногорегулятора 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", иих "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 датчиком 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 выходдатчика напряжения 4, Выход сумматора 10 через второй регулятор 11напряжения подсоединен к входу 12широкополосного регулятора 13 переменного напряжения, к второму входу14 которого, а также к входу основного выпрямителя, подключен выход узкополосного регулятора 15 переменного напряжения, инвариантного относительно колебаний питающего напряжения. Один выход 16 широкополосногорегулятора 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 О от регулятора. напряжения 9 и напряжение отрицательной обратной связиО, где О- напряжение на выходе вольтодобавочного выпрямителя,коэффициент отрицательной обратной связи внутреннего контура стабилизации 19 для выходного напряжения О вольтодобавочного выпрямителя 3 с точностью до сигнала рассогласования = (Ок- ,И ). Замкнутый контур стабилизации 19 отслеживает изменение задающего воздействия О. Напря. жение, Ок на выходе регулятора напря. жения 9 Формируется как усиленный сигнал рассогласования, подаваемый с выхода первого сумматора 7, на входы которого поступает первичное задающее воздействие с источника 5 задающего напряжения 8 и с выхода дат чика напряжения б, напряжение отрицательной обратной связи ,(О.+О), где- коэффициент обратйой связи всей системы, стабилизирующей выходное напряжение О, Равное О+ Оа, 45 где О - выходное напряжение основного выпрямителя 1, отфильтрованное конденсатором фильтра 2. Напряжение О выбирается как л 0,15 выходного напряжения Оо, поэтому мощность воль О тодобавочного выпрямителя Р " 0,15 Р следовательно, и габариты его соответственно меньше, чем остальная часть системы. Напряжение на выходе ОН всей системы автоматического регулирования устанавливается в резуль. тате воздействия напряжения О 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- б 5 лятора 13 по его выходу 18, включается его выход 16 и воздействует навход 17 узкополосного регулятора 15переменного напряжения до того момента, пока напРЯжение Он не Увеличится (уменьшится), а следовательно,и не уменьшится (увеличится), и динамический диапазон регулированиярегулятора 13 не будет превьааать уставки порога срабатывания на включение канала воздействия регулятора13 на регулятор 15Так как выходноенапряжение узкополосного регулятора15 переменного напряжения изменяетсяодновременно и на входе выпрямителя1 и на входе 14 регулятора 13 (а сле.довательно, и на выпрямителе 3), тосоотношение напряжений 0, 0,15 Онсохраняется во всем диапазоне регулирования выходного напряжения 0, Таким образом, осуществляется подчиненный принцип регулирования контурастабилизации напряжения О в зависимости от изменения напряжения нагрузки О,Контур стабилизации О, не содержит инерционных элементов при 01= солкой поэтому обладает высоким быстродействием и стабилизирует выходное Напряжение О с заданной точностьюи с заданным коэффициентом.пульсаций. Полоса пропускания такой разомкнутой системы не хуже 1 кГц, что необходимо для подавления пульсации выпрямителя 3: 1 = б 00 Гц. Уровень собственных пульсаций в напряжении О не более 3 (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 уровеньпульсаций до величины, меньшей 1, что составляет меныае 10 для выходного динамического диапазона вольтодобавочного выпрямителя 3. Узкополосный регулятор 15 переменного напряжения выбираем инвариантным относительно колебаний питающей сети с точностьюдо Я1, что составляет также 510 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 0 позволяет это сделать, так как для сигнала управления передаточная функция замкнутого контура И 1(Р)Ф-гтрк представляет гобой коэффициент передачи кг 10 дБ (при ОФ 10 кВ, а Ок . =10 В) почти до частоты среза этого контура, и, по крайней мере, до 5 Ф = О,б кГц. Передаточная Функция с60 выхода выпрямителя 3 на выход системы представляется выражениемй (Р)бц Р 1.д.С + РС+ 14-Н 8. 1 лй.где 5 - индуктивность рассеяниявысоковольтного трансформатора выпрямителя 1",й " внутренне активное сопротивление выпрямителя 1,емкость конденсатора филь"тра.Соотношение параметров получается такое, что вначале проявляетсядифференцирую 1 ее действие коэффициен.та 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 прииспользовании в качестве быстродействующего регулятора вольтодобавочного выпрямителя с широкополоснымрегулятором 13 переменного напряжения. Устойчивость системы обеспечивается, если внутренний контур стабилизации 19 более быстродействующий,чем внешний контур. Это условие намивыполнено, так как внутренний контурсодержит широкополосный регулятор переменного напряжения, а внешнийузкополосный,Таким образом, осуществляется широкополосная стабилизация напряженияна вольтодобавочномвыпрямителе спомощью малоинерционного регулятора,функции регулирования котоого расширяются путем воздействия на инвариантный относительно колебаний питающейсети О узкополосный регулятор переменного напряжения с выходом на основной выпрямитель и одновременнона широкополосный регулятор совместно с включением конденсатора фильтратолько к выходу основного выпрямителяЭто позволяет улучшить динамическую характеристику системы, уменьшитьпульсации в ее выходном напряжениии одновременно сократить ее габаритыпутем уменьшения габаритов высоковольтного конденсатора, мощности широкополосного регулятора, составляющегоприблизительно десятую часть от мощности нагрузки,Формула изобретения Система автоматического регулирования высокого напряжения, содержащая основной и вольтодобавочный вы 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 прямители, соединенные по выходу последовательно и подключенные к выходным выводам, датчик напряжения, включенный параллельно выходным выводам, конденсатор фильтра, широкополосный регулятор переменного напряжения, источник задающего напряжения, регу-лятор напРяжения и сумматор, одинвход которого соединен с выходом датчика напряжения, другой вход - с источником задающего напряжения, а выход - с входом регулятора напряжения,о т л и ч а ю щ а я с я тем, что,с целью снижения уровня пульсацийвыпрямленного напряжения при уменьшении габаритов системы, в нее дополнительно введены второй датчик напряжения, второй сумматор, второй регулятор напряжения и узкополосный регулятор переменного напряжения, инвариантный относительно колебаний напряжения питающей сети, причем конденсатор фильтра подключен к выходу основного выпрямителя, к выходуволь.одобавочного выпрямителя подклю.чен вход второго датчика напряжения,выход которого подсоединен к входувторого сумматора, к другому входукоторого подключен выход первого регулятора напряжения, выход второгосумматора подсоединен к входу второго регулятора напряжения, выход которого подключен к одному входу широкополосного регулятора переменногонапряжения, один выход которого подключен к входу вольтодобавочного выпрямителя, другой выход широкополосного регулятора подключен к входуузкополосного регулятора переменногонапряжения, инвариантного относительно колебаний напряжения питающей сети, выход которого соединен с входомосновного выпрямителя и с вторым входом широкополосного регулятора переменного напряжения, а вторичные обмотки каждого из высоковольтных трансформаторов основного и вольтодобавочногО выпрямителей соединены в"лучи" и "вершины" подключены соответственно к одному иэ двух мостовыхдвухполупериодных выпрямителей, соединенных между собой последовательно,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Альбертинский Б, И Свинкин М. П. Каскадные генераторы. М,;Атомиздат, 1980, с 186-188, рис. 5,16.2, Белопольский,И. И., Тихонов В.И.Транзисторные стабилизаторы на повышенные и высокие напряжения. М.,997009 Составитель Ю. Андрееведактор И. Бандура Техред Т.Фанта Корре Шулла одпиенР лиал ППП фПатентф, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 аказ 932/65 ВНИИ по 113035