Система высоковольтного электропитания с резервированием

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИН 09) (111 АНИЕ ИЗОБРЕТ ЕЛЬСТВ ющ ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И.ОТКРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВ(56) 1. Патент США Хф 3440492,кл. 317-27 1967.2. Авторское свидетельство СССР(54) (57) СИСТЕМА ВЫСОКОВОЛЬТНОф ГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ, содержащая источник первично го питания и 11 параллельных цепей, каждая из которых состоит ю высоковольтного источника, соединенного с первичным источником через коммутируий элемент высоковольтного источника, а через коммутирующий элемент потребителя - с потребителем, к шинам которого подключен блок анализа напряжения"потребителя, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью снижения энергопотребления и повышения надежности при одновременном снижении габаритов и массы устройства, коммутирующий элемент потребителя содержнтподключенных к высоковольтным источникам питания электродов, вогнутая сферическая поверхность которых покрыта тонким резистивным слоем, и подключенный к потребителю через гибкий соединитель, выполненный в Йоде цилиндрической спирали, полый .сферический электрод, установленный симметрично между электродами с вогнутой сферической поверхностью, кроме того, в него введены генератор тактовых импульсов и регистр сдвига, причем выходы регистра сдвига, соединены с управляющими входами коммутирующих элементов высоковольтных источников, выход тактового генератора соединен с управляющим входом регистра сдвига, запрещающий вход которого соединен с выходом блока анализа напряжения потребителя.Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для бесперебойного питания высоковольтной электрической и радиоэлектронной аппаратуры различного назначения, имеющей ограниченное потребление мощности, например в бортовых системах электростатической защиты космических аппаратов от заряженных частиц.Известно устройство электропитания с резервированием, содержащее источник питания, подключенный к входу двух стабилизаторов напряжения, выход первого иэ которых подключен к входу первой схемы сравнения напряжения, выход второго стабилизатора подключен к входу второй схемы сравнения напряжения. Выход первой схемы сравнения напряжения управляет первым ключом, отклю-. чающим цепь нагрузки от выхода первого стабилизаторе напряжения при отказе и подключающим ее к выходу второго стабилизатора. Выход второй схемы сравнения управляет вторым ключом, отключающим цепь нагрузки от выхода второго стабилизатора напряжения при его отказе Я .Недостатками данного уетройства являются большое потребление мощности и недостаточная надежность и ресурс работы, вызванные постоянным подключением обоих стабилюаторов к первичному источнику питания.Причем известные устройства невозможно использовать для резервирований электропитания устройств с высокими и сверхвысокими напряжениями (выше 1 - 2 кВ) иэ-за отсутствия коммутирующих и ключевых элементов с большим рабочим напряжением.Кроме того, эти устройства имеют только лишь двукратную степень резервирования и не допускают произвольное повышение степени резервирования до любого желаемого уровня. Наиболее близким к изобретениютехническим решением является система высоковольтного электропитания с резервированием, содержащая источник первичного питания и О параллельных цепей, каждая из которых состоит иэ И высоковольтных источников, соединенных с яервичным источником через коммутирующие элементы высоковольтных источников,. а через коммутирующий элемент потребителя - с потребителем, к шинам которого подключен блок анализа напряжения потребителя ,Я. Бель изобретения - снижение энергопотребления и повышение надежностипри одновременном снижении габаритови массы устройства.5 Поставленная цель достигается тем,что в системе высоковольтного электропитания с резервированием, содержащейисточник первичного питания и н параллельных цепей, каждая ю которых состоит из высоковольтного источника, соединенного с первичным источникомчерез коммутирующий элемент высоковольтного источника, а через коммутирующий элемент потребителя - с потреби 15 телем, к шинам которого подключенблок аналюа напряжения потребителя,коммутирующий элемент потребителя содержит И подключенных к высоковопьтнымисточникам питания электродов, вогнутая20 сферическая поверхность которых покрыта тонким резистивным слоем, и подлюченный к потребителю через гибкийсоединитель выполненный в виде цилиндрической спирали, полый сферический25 электрод, установленный симметричномежду электродами с вогнутой сферической поверхностью, кроме того, в неговведены генератор тактовых импульсови регистр сдвига, причем выходы регистрЗ 0 ра сдвига соединены с управляющимивходами коммутирующих элементов высо-.ковольтных источников, выход тактовогогенератора соединен с управляющим вхо:дом регистра сдвига, запрещающий входкоторого соединен с выходом блока щнализа напряжения потребителя.На фиг. 1 представлена функциональная схема системы высоковольтногоэлектропитания с резервированием; на40 фю. 2 - конструктивная схема коммутирующего аппарата .потребителя; на фю.Э- конструктивная схема сферическогоэлектрода.Система содержит первичный источник1 питания, соединенный через коммутирующие элементы 2 с высоковольтнымиисточниками 3 питания, к выходам которых подключены высоковольтные электроды .4. Вогнутая сферическая поверхность 50 высоковольтных электродов 4 покрытареэистивным слоем 5. Потребитель 6высокого напряжения соединен со схемой 7 анализа высокого напряженияи через гибкий соединитель 8 - с полым 5 сферическим высоковольтным электродом9, установленным симметрично относительно высоковоаьтных электродов 4.Выход схемы 7 анализа высокого на3 10563 пряжения соединен с запрещающим входом регистра 10 сдвига, вход которого соединен с выходом тактового генератора 11, а выходы - с управляющими входами оммутируюших элементов 2, 5 Радиусы вогнутой сферической поверхности электродов 4 и попого сферического электрода 9 выбраны одинаковыми, а свми поверхности имеют высокий класс чистоты. Гибкий соединитель 8 выполнен в виде цилиндрической спирали, витки которой плотно прилегают друг к другу. Требуемая гибкость соединителя достигнута путем выбора материала спирали и диаметра провода, 15Устройство работает следующим образом.В исходном состоянии, при выключенном первичном источнике 1 питания,высокое напряжение на электродах 4 20 отсутствует, между поверхностями электродов 4 и 9 не действуют никакие сиды и электрод 9 под действием упругой силы соединителя 8 находится в нейтрвль ном положении на одинаковом рассто янин от электродов 4).При подаче питания на одном иэ выходов регистра 10 сдвига появляется , напряжение логической "1", соответствующий коммутирующий элемент 2, З 0к управляющему входу которого присоединен этот выход, открьгг. Напряжениепитания от первичного источника 1 поступает на вход соответствующего высоковольтного источника 3 питания, квыходу которого подключен высоковольтный электрод 4. Под действием электростатических сид высоковольтный электрод 9 притягивается к электроду 4 (фиг 2) и удерживается Ъ этом саста 40янин за счет падения напряжения нарезистивном слое 5. Выходное высокое , напряжение поступает к потребителю 6высокого напряжения и нв схему 7 анализа высокого напряжения, которая форми,рует сигнал, поступающий на запрещающий вход. регистра 10 и тактовые импельсы генератора 11 не сдвигают ре,гистр 10В случае отказа источников 3 высо кого напряжения или изменения выходного напряжения больше установленных норм, схема 7 анализа высокого напряжения вырабатывает разрешающий сигнал, поступавший на запрещающий вход 55 регйстра. 10 сдвига, который по дейст-" вием тактового импульса сдвигается на один такт и на первом его выходе по 62 4является сигнал логического 0", ко- торый закрывает ранее открытый коммутирующий элемент 2 и прерывает цепь питания ранее включенного высоковольтного источника 3, одновременно на следующем выходе регистра 10 сдвига появляется сигнал логической "1", который поступает на управляющий вход следующего коммутирующего элемента 2, открывает его и подключает следую-щий высоковольтный источник 3 к первичному источнику 1 питания. На выходе этого высоковольтного источника питания и соответствующем элекгроде 4 возникает высокое напряжение. При отключении ранее включенного высоковольтного источника 3 питания высоковольтный электрод 9 под действием сиды упругости соединителя 8 возвращается в нейтральное состояние, а под действием электростатической силы, создаваемой выходным напряжением включенного высоковольтного источника 3, притягивается к соответствующему высоковольтному электроду 4 и выходное высокое напряжение поступает к потребителю 6 и на схемуанализа высокого напряжения, которая формирует запрещающий сигнал, поступающий ца регистр 10 сцвига, тактовые импульсы генератора 11 прекращают сдвиг 10 регистра,В случае отказа второго высоковольтного источника 3 питания процесс повторяется и включается следующий высокО- вольтный источник 3, сферический высоковольтный электрод 9 притягивается к высоковольтному электроду 4, подидюченному к его выходу и т, дКак отмечалось, замкнутое состояние электродов 4 и 9 поддерживается электростатической силой, действующей эа счет падения напряжения на резистивном слое 5 и на эту величину напряжение, получаемое потребителем 6, меньше выходного напряжения соответствующего высоковольтного источника 3 питания. Однако благодаря малой толщине реэистивного слоя, хорошей чистоте поверхности и одинаковых радиусов электродов сила, требуемая ддя удержания электродов в замкнутом состоянии, незначительна, а учитывая, что электростатическая сила обратна пропорциональна квадрату расстояния между электродами, падение напряжения на резистивном слое может быть достаточно малым.Объемное сопротивление реэистивного слоя определяют исходя из минимальноготока нагрузки потребителя высокогонапряжения, создающего падение напряжения, достаточное для удержания электродов в замкнутом состоянии.В предлагаемой системе высоковольтного электропитания с резервированиемзначительно снизилось энергопотреблениеза счет отсутствия энергопотребляющихисполнительных коммутирующих элеметов в цепях высокого напряжения и использования для цепей коммутации электростатических сил.Предлагаемое устройство позволяетзначительно упростить резервированиевысоковольтного электропитания и засчет отсутствия громоздких электромеханических элементов повысить надежность снизить массу и габариты,Преимуществом предлагаемого технического решения является возможность 2 Онеограниченного повышения степенирезервирования практически без усложнения устройства,Наиболее эффективно использованиепредложенного технического решенияв вакуумных системах, например наборту космического аппарата, при использовании естественного космическоговакуума. Исходя из того, что остаточное давление в космическом простран- ЗОстве известно, производят выбор межэлектродных расстояний между высоковольтны-,ми электродами источников питания исферическим высоковольтным электродом потребителя энергии для заданного З 5рабочего напряжения системы высоковольтного электропитания.Для предотвращения пробои за счетусиления электрического поля на криволинейных участках поверхности электродов рассчитывают радиусы закругления.Определив межэлектродные зазоры, радиусы закруглений и размеры электродов,рассчитывают силу взаимодействия междуэлектродами при номинальном рабочем 45напряжении по формуле5г - а согде 0 - номинальное рабочее напряжение;3 - расстояние между электродами; 505 - рабочая площадь взаимодейству ющих электродов;Г - диэлектрическая постоянная,равная 8,85" 10" 1 ф/м,равная для вакуума 1.Зная силу взаимодействия высоковольтных электродов, определяют необЪ ходимую гибкость соединителя, соединяющего полый сферический электрод свходом потребителя энергии и конструктивное исполнение реального соединителя.Далее определяют параметры резистивного слоя, которым покрываетсяповерхность высоковольтных электродовдля удержания полого сферическоговысоковольтного электрода в притянутом состоянии.Зная силу Р , необходимую дляудержания электродов в притянутомсостоянии и задавшись величиной падения напряжения на обьемном сопротивлении резистивного слоя, так чтобы онобыло значительно меньше в 10-10раэ) рабочего напряжения при минимальном токе, по формулеопределяют толщину 3 резистивного слоя и егообъемное сопротивление. По найденнымпараметрам выбирают тип реэистивногопокрытия и проверяют его электрическую прочность, которая, квк правило,у современных резистивных материаловзначительно превышает падение напряжения, необходимое для удержания электродов в притянутом состоянии. В разомкнутом состоянии высоковольтныхэлектродов электрическая прочность резистивного покрытия вообще несущественна, так как ток между электродами отсутствует и падение напряжения нарезистивном слое равно О,Что касается электрической прочнос ти гибкого соединителя, находящегосяв вакууме при высоком напряжении, то она определяется напряженностью и однородностью электрического поля на поверхности соединителя, Для уменьшения напряженности электрического поля элементы конструкции устройства, находящиеся под нулевым потенциалом, располагают на таком расстоянии, чтобы напряженность попя была меньше той величины, при которой возникают токи автоэлектронной эмиссии, инициирующие пробой. Для предотвращения локальных пробоев, высоковольтные электродыи соединитель имеют высокую чистотуповерхности.В предлагаемом техническом решении конструкция гибкого соединителя представляет собойцилиндрическую спираль, выполненную из пружинной проволоки, в однородность электрического поля обеспечивается тем, что при изгибе соединителя зазоры между витками7 1086362спирали не превышают диаметра проволо- водящего полимера (напрнмер, электро- ЮЦ проводящего пентапласта), в этом случае независимо от степени изгиба соВовможен вариант исполнения гибкого единителя однородность элекзрнческого соединителя нз эластичного электропрсь: поля на его поверхности не нарушается.11056362,Редакт атруш Тираж 617 Подписноенного комитета СССРтений н открытий