Электронно-лучевая технологическая установка

СООЭ СОВЕТСКИХСОЗВЦМЛЮЕПМНРЕСПУБЛИК 11204 1191 ИЗОБРЕТЕНИЯ О АН В ТОМСК ВИДЕТЕЛЬСТ всГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТМРЫТИ(54) (57) ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ. УСТАНОВКА, содержащая высоковольтный трансформатор с выпрямительным мостом, отрицательный полюс которого подключен через ключ,выполненный в виде электронно-луче. -вой лампы с блоком сеточного управления, к катоду электронно-лучевой 05 В 7/6; Н О 1 . 37/3 пушки, установленной через лучеводна заземленной камере-аноде, и датчики тока и напряжения пушки, выходыкаждого из которых через пороговыеэлементы подключены к входам элемента И, связанного выходом с блокомсеточного управления, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения надежности в работе установкн,она снабжена группой дросселей,подключенных одними концами к катодам вентилей катодной группы моста,а другими - соединенных в звезду,группой обратных диодов, катоды которых также подключены к катодам вентилей, а анодЫ соединены в звезду изаземленычерез последовательнуюбб-цепочку, и датчиком ионного тока, МРустановленным в лучеводе и связанным выходом через дополнительныйпороговый элеменФ с блоком сеточногоуправления ключа.1 11204Изобретение относится к электро- .технике, в частности к высовольтным системам питания и управленияэлектронными потоками, применяемымв электротермин. 5Известен источник питания электронно-лучевой технологической установки, содержащий трехфазный преобразовательный трансформатор, в цепьсетевой обмотки которого включены 1 Отакоограничивающие реакторы и тиристорный ключевой элемент, а вентильные обмотки подключены к мостовомувыпрямителю, положительный полюскоторого заземпен, а отрицательный 15подключен к катоду электронной пуш"ки,Источник снабжен датчиком токав цепи выпрямителя, связанным стриггерной схемой, формирующей сигнал на отключение сетевого тиристорного ключевого элемента. При возникновении технологического КЗ вэлектронной пушке срабатывает тиристорный ключ, осуществляя прерывание, тока на стороне переменноготока сетевой обмотки трансформатора 111.Недостатком такого источникапитания является высокий коэффициент пульсации выходного напряжения, что ограничивает его диапазонприменения в относительно маломощных технологических установках скриволинейным потоком электронов.Применение мощного сглаживающегофильтра, разряжающегося после возникновения технологического КЗ черезэлектронную пушку, резко снижаетресурс основного оборудования. Время отключения источника на сторонесетевой обмотки трансформаторасоставляет не менее половины периода сетевого напряжения, а ток КЗ вцепи пушки достигает ударного значения, что существенно влияет наресурс работы электронно-лучевоготракта установки.Тиристорный ключ в цепи переменного тока работает в тяжелых условиях отключения тока КЗ, содержащего намагничивающую апериодическуюсоставляющую, что в мощных установках приводит к отказам и быстромувыходу из строя ключевого элемента,Наиболее близкой к предлагаемой 55по технической сущности являетсяэлектронно-лучевая технологическаяустановка, содержащая высоковольтный 95 2трансформатор с выпрямительным мостом, отрицательный полюс которогоподключен через ключ, выполненныйв виде электронно-лучевой лампыс блоком сеточного управления, ккатоду электронно-лучевой пушки,установленной через лучевод назаземленной камере-аноде, и датчикитока и напряжения пушки, выходыкаждого из которых через пороговыеэлементы подключены к входам элемента И, связанного выходом с блоком сеточного управления.При увеличении тока в электронной пушке вследствие развития дугового разряда возрастает ток в цепитрансформаторно-выпрямительногоблока и сигнал от схемы сравнениязапускает блок управления электронной лампой, который запирает ее посетке,Б стационарном режиме при флуктуациях проводимости лучевого тракта лампа в цепи пушки поддерживаетпостоянство тока 2 1. Недостатком известного технического решения является динамическаянесовместимость медленных переход"ных электромагнитных процессов вцепи трансформаторно-выпрямительного блока и быстрых процессов в цепи электронно-лучевого тракта, приводящая к ограничению уровня мощности и снижению надежности устройства. Характерное время пробоя впушке составляет менее одной микросекунды, а коммутационные интервалыв лампе - единицы и десятки микросекунд, Электромагнитная энергия,запасаемая в реактивных звеньях источника питания, не успевает рас"сеяться и в процессе ее преобразования возникают перенапряжения, опасные для выпрямителя и элементов элек-,тронно-лучевого тракта.Кроме того, использование электрон,ной лампы для стабилизации тока призначительных изменениях проводимостипушки приводит к увеличению потерьв лампе, снижая тем самым ее надежность и ресурс,Цель изобретения - повышение надежности источника питания в стационарном режиме и при технологическихКЗ и увеличение уровня мощности установки.Для достижения поставленной целиэлектронно-лучевая установка, содер95 424 напряжения пушки, и вход 25,связанный с зондовым датчиком 26ионного тока, установленным у входав технологическую камеру в лучеводе.В цепи датчика ионного тока включены пороговое устройство 27, источник 28 отрицательного потенциалаи электронное реле 29. В контур обратных диодов введен защитный резистор 30,Блок 20 управления лампой можетсодержать источник 31 постоянногонапряжения, соединенный последовательно с управляющим ключом 32 (например, маломощной электронной лампой). Сигналы 33 управления подаются на вход управляемого ключа 34 че"рез промежуточный развязывающийтрансформатор 35 и выпрямитель 36.Блок 20 управления содержит такжеисточник 37 смещения и балластныерезисторы 38 и 39, При отсутствиивходного сигнала 33 ключ 32 и.соответственно мощная лампа 5 открыты. Блок 19 сравнения еодержитдва пороговых устройства 40 и 41,на входы которых поступают соот-ветственно сигналы 22 и 23. Далеесигналы поступают на логическийэлемент И 42, .триггер 43, управляе-.мый ключ 44 и высокочастотный генератор 45. Сигнал от датчика 26ионного тока поступает в блок 19 навход 46 и после элемента И - непосредственно на вход триггера 43,связанного с устройством 47 автоматического повторного включения(АВ).Устройство работает следующимобразом.При отпирании электронной лампы5, в качестве которой используетсяэлектронно-лучевой вентиль (ЭЛВ),в промежутке катод 4 - сетка 5 происходит ускорение электронного потока с последующим глубоким его торможением на аноде. При этом происхо-дит быстрое включение трансформаторно-выпрямительного блока 1,2 на элекютронную пушку б. Дроссели 15, введенные в контур вентильной коммутации мостового выпрямителя 2 и одновременно в цепь анодного тока пушкиобеспечивают плавное нарастаниеФока в электронно-лучевом тракте и,выход на рабочий режим, задаваемыйсемейством регулировочных характеристик мощного ЭЛВ (фиг. 2).,Катодяая группа вентилей 13 мос- ф 5 тового выпрямителя соединена с группой обратных диодов 14, соединенных в звезду, и группой дросселей 15, также соединенных в звезду, Общая точка обратный диодов заземлена через 50 резистор 16 и конденсатор 17.Датчик 18 тока пушки в цепи мостового выпрямителя через блок 19 срав" нения связан с блоком 20 сеточного управления электронно-лучевой лам" 55 пы 21.Кроме входа 22 блок 19 сравнения имеет вход 23, связанный с датчиком 3 11204жащая высоковольтный трансформаторс Эыпрямительным мостом, отрицатель ный полюс которого подключен черезключ, выполненный в виде электроннолучевой лампы с блоком сеточного управления, к катоду электронно-лучевой пушки, установленной черезлучевод на заземленной камере-аноде,и датчики тока и напряжения пушки,выходы каждого из которых через 1 Опороговые элементы подключены квходам элемента И, связанного выходом с блоком сеточного. управления,снабжена группой дросселей, подключенных одними концами к катодам15вентилей катодной группы моста,а другими - соединенных в звезду,группой обратных диодов, катоды которых также подключены к катодамвентилей, а аноды соединены в 26звезду и заземлены через последовательную ВС-цепочку, я датчикомионного тока, установленным в лучеводе и связанным выходом через дополнительный пороговый элемент с 25блоком сеточного управления ключа.На фиг. 1 изображена блок-схемаустаяовки,.на фиг. 2 - семейство1 характеристик электронно-лучевой лампы; на фиг. 3 - характеристики ионного тока; на фиг, 4 - один из вариантов блока управления лампой иблока сравнения.Устройство содержит высоковольтный траясформатор 1 и мостовой выпрямитель 2, отрицательный полюс 3которого соединен с катодом 4 элек.тронно-лучевой лампы 5, Электроннаяпушка б, содержащая катод 7 я заземленный анод 8, формирует аксиальносимметричный пучок 9, проходящий через систему 10 дифференциальной от-качки в технологическую камеру 11 через лучевод 12.На фиг. 2 приняты обозначения: Э - анодный ток вентиля 5, 0 - анодное напряжение Оу - ускоряющее напря жение вцепи сетки, создаваемое блоком 20. Уровень тока в цепи пушки 5 задается уровнем ускоряющего напряжения Оу.между катодом 4 и сеткой 5 ЭЛВ, причем Оу ъ 0 ъ ОВ квазистатическом режйме устрой. ство работает как мостовой выпря" 10 митель с фильтрацией высших гармо-. ник дросселями 15, что обеспечивает стабильность кроссовера пучка9 в электронно-лучевом тракте и низкий уровень потерь тока пучка на 15 аноде и диафрагмах системы промежуточной откачки. При этом сигналы от датчика 18 и датчика 24 в блоке 19 сравнения заблокированы, а на датчик 26 ионного тока подан отри" 20 цательный потенциал от источника 28. Одной из наиболее вероятных причин развития технологического КЗ в мощной электронно-лучевой установ-. ке является взрьвной процесс освобождения примесей на поверхности метал" ла, бомбарднруемого пучком электронов, В этом случае пары примесей движутся от объекта нагрева вдоль дифференциально откачиваемого тракта пучка и попадают в рабочий объем пушки 6. Датчик 26 ионного тока регистрирует этот процесс и при превышении некоторого уровня ионного тока, заданного лоро.35 говым устройством 27, срабатьвает электронное реле 29, формируя сигнал, который запускает источник запирающего потенциала, вхбдящий в блок 20. Характеристики тока в цепи40 датчика 26 (фиг. 3).имеют участок плавного роста 3 Е (Р), где Э;- зондовый ионный ток, Р - локальное давление у входа в лучевод 12. При45 некоторых критических значениях плотности и скорости движения примесей (паров) ионный ток на зонд (датчик 26) начинает резко возрастать, что позволяет с опережением зафиксировать начало процесса, при 50 водящего к развитию дуги в промежутке катод 7 - анод 8 электронной пушки. Запаздывание пробоя в пушке 6 по отношению к моменту фиксации датчиком 26 роста ионного тока зави сит от длины электронно-лучевого тракта, количества и мощности промежуточных откачных систем и др. и составляет для мощных установок величину порядка ста и более микросекунд. Таким образом, осуществляется профилактическое гашение ускоряющего поля в пушке,6 путем быст рого запирания ЭПВ 5, Цепь источни- ка питания из режима номинального рабочего тока за время порядка 20- 30 мкс переводится в режим холостого хода. При этом в дросселях 15 наводится ЭДС самоиндукции обратного знака и происходит отпирание группы обрат" ных диодов 14, соединенных в звезду. Энергия, накопленная в реактивных звеньях 15 источника питания, сбрасывается в контур, замкнутый на резис. тор 16 и конденсатор 17, в ходе колебательного процесса длительность которого определяется соотношением величин индуктивности и емкости звеньев 15 и 17, После изменения знака напряжения диоды 14 запираются и цепь источника питания готова к повторному включению на пушку 6 вакуум в которой быстро восстанавливается, поскольку аварийная ситуация не сопровождалась появлением дуги, а также нагревом и распылением материала электродов.Блоки 19 и 20 взаимодействуют следующим. образом. При увеличении ионного тока в технологической камере 11 сигнал с датчика 26 поступает на вход триггера 43, вызывая его опрокидывание, в результате чего открывается ключ 44, подающий питание на высокочастотный генератор 45. При этом высокочастотный сигнал по каналу 33 через развязывающий трансформатор 35 поступает на выпрямитель 36 и ключевой элемент 34 запирается, что приводит к снятию ускоряющего напряжения на сетке мощной лампы 5 и ее запиранию.В момент прихода сигнала с датчика 26 на вход триггера 43 запускается блок АПВ 47, который может быть собран по схеме одновибратора. Через заданный интервал времени блок АПВ переводит триггер в исхоДное состояние, в результате чего лампа 5 снова вьводится на рабочий режим.Если в пушке произошло все же технологическое КЗмеханизм которого связан с увеличением ионного тока в технологической камере, то датчики 18 и 24 тока и напряжения выдают сигналы, которые, проходя че.7рез пороговые устройства 40 и 41 иэлемент И 42, запускают триггер 43,в результате чего происходит быстроее отключение лампы 5, Использование двух сигналов, пропорциональных увеличению Фока.и уменьшениюнапряжения на нагрузке, позволяетотстроиться от частичных разрядов иискровых пробоев в электронно-лучевом тракте, когда имеет место толь"Око падение напряжения бев уменьшения рабочего тока, Такие .режимы явля- .ются самовосстаиавливаюшимися и неподлежат отключению с помощью лампы 5,Сигнал с датчика 26 поступает в элек 15тронное реле 29 (мультивибратор,блокинг-генератор и т.д.), котороевырабатывает импульс напряжениякаждый раз когда амплитуда ионногоУ20тока превышает уровень, заданныипороговым устройством 27.Положительный эффект от примененияизобретения обусловлен согласованиембыстрых переходных процессов в цепиэлектронно-лучевого тракта и медлененных электромагнитных процессовв трансформаторно-выпрямительномблоке. Профилактическое гашениеускоряющего поля в пушке с помощьюмощного бшстродействующего вентиля, ЗОсопровождаемое сбросом избыточной электромагнитной энергии в цепи преобразователя, позволяет избежать в большинстве случаев режима технологического КЗ, существенно влияющего на ресурс и надежность мощных технологических установок,Кроме того,. в предлагаемом устройстве расширяются функциональные возможности электронной лампы в цепи постоянного тока, поскольку пентод - ные характеристики прибора с электрокинетическим типом преобразования энергии согласованы с введением инерциальных дросселей в контур вентильных обмоток силового трансформатора, осуществляющих ограничение тока в интервалах вентильной коммутации и сглаживание. пульсаций напряжения в цепи пушки. 1 Предлагаемое техническое решениие позволяет увеличить надежность и ресурс работы основного оборудования технологической установки и увеличить допустимый потолок мощности установки, применяемой для плавки тугоплавких металлов и сплавов, покой лучения фасонных отливок, глубоко рафинировки свеРхчистых металлов идр. Ф Ф120495 П Редактор За писное омитета СССРоткрытийкая наб., д. 4/5"Патент", г. Ужгород, ул. Лроектна иал 7762/45ВНИИПИпо113035,Составитель О. ТуТехред М,Кузьма Тираж 782 Государственного лам изобретений осква, Ж, Рауш орректор А, Зимокосов