Устройство высоковольтного питания ионных источников инжекторов термоядерных реакторов

СО 103 СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН А 94 Н 03 КЗ/5 ТЕТ СССРИ ОТКРЫТИИ еет 1ФЯ уфЯ с г К АВТО ТЕЛЬСТВ МУ С мотки к входа ных вып рых сое ямителе иены с ой чер ройств е с я жду с 2. У а юовьпп ем, что с цель ны ру х л ионног ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕН ОПИСАНИ(53) 621.373.431 (088.8) (56) Яи 11 Ь В.и: Ргос. оГ 1 Ье ЧогКзйор оп ЯЫСсЬ, Вей. Гог Гцзоп Веасогз. Ре 1 о.А 11 г, 1976, ЕРВ 1 ЕВ 376 - ЯВ, зес. 18, р. 1.Иссерлин Е.Б Куперман Г.И., Рябина В,И; Комплекс мощных импульсных модуляторов для устройств высокочастотного нагрева плазмы, Доклады Всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов (Ленинград, 28-30 июня 1977 г.), т.П-Л., НИИЭФА, 1977, с. 10-16.(54)(57)1. УСТРОЙСТВО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ ИОННЫХ ИСТОЧНИКОВИНЖЕКТОРОВ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ,содержащее низковольтный управляемый источник питания постоянноготока, зарядный реактор, генераторимпульсного напряжения и повышающий импульсный трансформатор, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повьппения надежности, снижения габаритов и повьппения точности стабилизации выходного напряжения устройства высоковольтного питания, генератор импульсного напряжения выполнен в виде набора формирующих линий, каждая пара которыходним выходом через разрядные ключи подключена к крайним выводампервичных обмоток импульсных трансформаторов, другим - к среднейточке этих обмоток, а вторичные об 80 ь 88669 нсформаторов подключены неуправляемых высоковол одни выходы кото- нагрузкой, а другиез датчик пробоев. по п. 1, о т л ия точности стабилизации в ходного напряжения, в него вв делители напряжения заряда Фо ий, делитель напряженияисточника, блоки сравнени цифровои источник опорных напряжений микропроцессор, блок цифровогофазового управления, блок преобразования кодов, шифратор, оптический канал связи, дешифратор, анало-го-цифровой преобразователь и цифровой фильтр, при этом средние выводы делителей напряжения зарядаформирующих линий связаны с первыми входами блоков сравнения, вторые входы которых соединены с выходом цифрового источника опорных напряжений, средний вывод делителя напряжения ионного источника подключенк входу аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены свходами цифрового фильтра, выходыцифрового Фильтра через шифратор соптическим выходом, оптический каналсвязи и дешифратор соединены с входами приема сигнала обратной связимикропроцессора, входы внешнего управления которого через блок преобразования кодов микропроцессора подключены к магистрали внешней связи,первые выходы цифрового управлениямикропроцессора подключены к входамблока цифрового фазового управления,выход которого подключен к входу уп88 бб равления низковольтного источникапитания постоянного тока, при этомвторые выходы цифрового управлениямикропроцессора подключены к входамцифрового источника опорных напряжений, а дополнительный вход шифратора подключен к выходу датчика про.боев3. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е. е с я тем, что в .качестве зарядных ключей генератора импульсного напряжения включены цепочки, состоящие из последовательно соединенных диода и управляемого разрядни 99ка, а в качестве разрядных ключей - управляемые разрядники, управляющие электроды разрядников соединены с выходами импульсного управления микропроцессора и выходами блоков сравнения через модуляторы поджигающих импульсов, причем выходы блоков сравнения подключены через модулятор к управляющим электродам зарядных клю 1чей, выходы микропроцессора через модуляторы подключены к управляющим входам разрядных ключей, а дополнительный выход микропроцессора подключен через модулятор к зарядному ключу первой формирующей линии.1Изобретение относится к системам высоковольтного питания ионных источников инжекторов термоядерных реакторов.Известны устройства высоковольтного питания, состоящие из повышаю щего трансформатора, регулируемого высоковольтного выпрямителя, моду лятора на электронных лампах (мощных ключевых триодах), и защитных разрядных устройств.Недостатком таких схем являются значительные весогабаритные характеристики оборудования, которое дблжно быть рассчитано на полное напряжение высоковольтного выпрямителя, что значительно увеличивает его габариты, Кроме того, надежность таких устройств невысока, так как возможны высоковольтные пробои в самих лампах при формировании заднего фронта импульсных ускоряющих напряжений, необходимость формирования которых в заданных пределах при авариях в ионных источниках имеет особое значение.Наиболее близким к данному изобретению является устройство высоковольтного питания ионных источников инжекторов термоядерных реакторов, содержащее низковольтный управляемый источник питания постоянного тока, зарядный реактор, генератор импульсного напряжения и повышающий импульсный трансформатор. 2Однако недостатком такого устройства, помимо значительных габаритов(так как в нем требуются высоковольтный фильтр и защитное разрядное устройство) является необходимость обеспечения совместной работы двух различных по типу устройств: мощногомодулятора и инвертора, посколькучастоту мощных инверторов невозможно повысить до 100 кГц, при которойО обеспечивается требуемая длительность фронтов ускоряющего напряжения (не более 10 мкс). Кроме того,необходимость согласования работыдвух различных по типу устройств15 значительно снижает надежность работы установки,Целью изобретения является повышение надежности, снижение габаритов и повышение точности стабилио зации выходного напряжения устройства высоковольтного питания.Поставленная цель достигаетсятем, что в устройстве высоковольтного питания ионных источников инжек 25 торов термоядерных реакторов, содержащем низковольтный управляемыйисточник питания постоянного тока,зарядный реактор, генератор импульсного напряжения и повышающий имЗо пульсный трансформатор, генераторимпульсного напряжения выполнен вЪ.виде набора формирующих линий, каждая пара которых одним выходом черезразрядные ключи подключена к крайнимвыводам первичных обмоток импульсныхтрансформаторов, другим - к среднейточке этих обмоток, а вторичныеобмотки трансформаторов подключенык входам неуправляемых высоковольтных выпрямителей, одни выходы которых соединены с нагрузкой, адругие - между собой через датчикпробоев,Кроме того, в устройство введеныделители напряжения заряда формирующих линий, делитель напряженияионного источника, блоки сравнения,цифровой источник опорных напряжений, микропроцессор, блок цифровогофазового управления, блок преобразования кодов, шифратор, оптическийканал связи, дешифратор, аналого-цифровой преобразователь и цифровойфильтр, при этом средние выводы делителей напряжения заряда формирующихлиний связаны с первыми входами блоков сравнения, вторые входы которыхсоединены с выходом цифрового источника опорных напряжений, средний вывод делителя напряжения ионного источника подключен к входу аналогоцифрового преобразователя, выходыкоторого соединены с входами цифрового Фильтра, выходы цифрового фильтра через шифратор с оптическим выходом, оптический канал связи и дешифратор соединены с входами приемасигнала обратной связи микропроцессора, блок преобразования кодов, входы внешнего управления которого через блок преобразования кодов микропроцессора подключены к магистраливнешней связи, первые выходы цифрового управления микропроцессора подключены к входам блока цифровогофазового управления, выход которогоподключен к входу управления низковольтного источника питания постоянного тока, при этом вторые выходыцифрового управления микропроцессораподключены к входам цифрового источника опорных напряжений, а дополнительный выход шифратора подключен квыходу датчика пробоев.Кроме того, в устройство в качестве зарядных ключей генератора импульсного напряжения включены цепочки, состоящие из последовательно соединенных диода и управляемого разрядника, а в качестве разрядных ключей - управляемые разрядники, управляющие электроды разрядников45 50 55 Через делитель Напряжения ионного источника 26 ионный источник 24 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 27, выходы которого подсоединены к входам цифрового фильтра 28, а выходы цифрового фильтра подключены к входам шифратора 29 с оптическим выходным информационным .сигналом, дополнительный вход шифратора 29 подключен к выходу датчика 25 пробоев.Управляющие электроды управляемых разрядников 15, 16, 17 и 18 подключены к выходам модуляторов 30, 31, 32 и 33, поджигающих импульсов вхосоединены с выходами импульсного управления микропроцессора и выходамиблоков сравнения через модуляторыподжигающих импульсов, причем выходы блоков сравнения подключенычерез модуляторы к управляющим электродам зарядных ключей, выходы микропроцессора через модуляторы подключены к управляющим входам разрядных1 О ключей, а дополнительный выходмикропроцессора подключен черезмодулятор к зарядному ключу первойформирующей линии.Функциональная схема устройствавысоковольтного питания ионных источников инжекторов термоядерныхреакторов изображена на фиг. 1, нафиг. 2 - диаграмма выходного высо-ковольтного напряжения питания ион 20 ного источника,Устройство состоит из набораформирующих линий 1, 2, 3 и 4, ко-,торые через зарядные ключи иэ последовательно соединенных диодов 5,25 6, 7 и 8 и управляемых разрядников9, 10, 11 и 12, и общий зарядныйреактор 13 подключены к управляемому источнику 14 питания постоянноготока.З 0 Через разрядные ключи на управляемых разрядниках 15, 16, 17 и 18и два разделительных импульсных трансформатора 19 и 20 со средней точкой на первичной стороне формирующие линии 1, 2, 3 и 4 связаны свысоковольтной платформой 21, накоторой расположены выпрямители 22и 23, подключенные к вторичным обмоткам .импульсных трансформаторов40 19 и 20, выпрямители 22 и 23 включены последовательно с общей нагрузкой - ионным источником 24 идатчиком 25 пробоев.О В микропроцессор 34 записывается микропрограмма работы всего устройства с установкой необходимого начального уровня высоковольтного напряжения на ионном источнике (нагрузка 24), Ввод необходимых данных производится от центральной УВМ через магистраль 36 связи и преобраватель кодов 35. По команде "Пуск" 40 микропроцессеор 34 вырабатывает импульс, который поступает на вход модулятора 39 поджигающих .импульсов, срабатывает ключ заряда формирующей линии 1, состоящий из диода 5 и управляемого разрядника 9, и происходит резонансный разряд формирую- щей линии 1 от низковольтного управляемого источника 14 питания через зарядный реактор 13. На блок 45 сравкения поступает сигнал с источника 37 опорных напряжений и сигнал с делителя напряжения заряда Формирующих линий 47, несущего информацию об уровне заряда формирующей линии 1, При равенстве этих сигналов срабатывает блок 45 сравнения и модулятор 11 поджигающих импульсов. В резульды которых подключены к выходам микропроцессора 34, через блок преобразования входных кодов 35 микропроцессор 34 подключен к магистрали536 внешней связи, другие выходы микропроцессора 34 соединены с входамицифрового источника 37 напряжения ис входами блока 38,цифрового фазового управления с обратной связьюот .источника 14,Управляющие электроды управляемых разрядников 9, 10, 11 и 12 подключены к выходам модуляторов 39,40, 41 и 42 поджигающих импульсов,их входы подключены к выходам блоков сравнения 43, 44, 45 и 46, дополнительный вход блока 43 сравне"ния подключен к дополнительному выходу микропроцессора 34, формирующие 20линии 1, 2, 3 и 4 через делителинапряжения заряда формирующих линий47, 48, 49 и 50 подключены к входамблоков сравнения 43, 44, 45 и 46,другие входы этих блоков подключены ,25к выходу цифрового источника 37опорных напряжений, шифратор 29 через оптический канал 51 связи подключен к входу дешифратора 52, выходыкоторого подключены к соответствую- З 0щим входам микропроцессора 34. тате включается ключ заряда формирующей линии 3, состоящий из диода 7 и управляемого разрядника 11. Ключ заряда формирующей линии 1 при этом запирается разностью напряжений заряженных формирующих линий 1 и 3, подключаемой через реактор 13 к низковольтному управляемому источнику 14 питания. После разряда Формирую- щей линии 3 происходит аналогичный процесс заряда формирующей линии 2 и 4. Среднее время заряда каждой формирующей линии выбрано равным длительности рабочего импульса по уров,ню 0,5, на которую расчитана каждая линия. Командные импульсы разряда формируются в микропроцессоре 34 и при условии генерации формирующими линиями импульсов одинаковой длительности по уровню 0,5, следуфт с интервалами друг относительно друга, равными длительности импульса генерации одной формирующей линии по уровню 0,5.Первый командный импульс разряда, поступающий на управляемый разрядник 15, задержан относительно первого командного импульса на заряд формирующей линии 1, поступающего на управляемый разрядник 9, на время в 1,5 раза больше длительности рабочего импульса по уровню 0,5, на которую рассчитана каждая формирующая линия.Второй и последующие командные импульсы на разряд формирующей линии 1, поступающие на, управляемый разрядник 9 через модулятор 39 поджигающих импульсов, формируются блоком 43 сравнения. При соответствующем подборе параметров формирующих линий и временного сдвига командных импульсов на заряд и разряд обеспечивается надежное запирание зарядных ключей после резонансного заряда каждой формирующей линии, причем передний и задний фронты импульсов, формируемых соответствующим 1 формирующими линиями с помощью импульсных трансформаторов 19 и 20 складываются так, что закон изменения напряжения на нагрузке 24 близок к кваэинепрерывному (см. Фиг. 2).При совместной работе импульсных -. трансформаторов 19 и 20 высоковольтные напряжения, снимаемые с выпрямнтелей 22 и 23 складываются на наг. рузке 24, причем при работе одного импульсного трансформатора ток через нагрузку 24 замыкается через плечи выпрямителя, подключенного к другому импульсному трансформатору. Стабилизация уровня выходного высоковольтного напряжения предлагаемого устройства осуществляется с помощью импульсной стабилизации напряжения заряда формирующих линий 1, 2, 3 и 4. Сигнал обратной связи с делителя напряжения ионного источника 26 через аналого-цифровой преобразователь 27 поступает на цифровой фильтр 28, с выхода которого информация в, цифровой форме поступает на шифратор 29 с оптическим выходом. По ка" калу 51 оптической связи на гибком стекловолокне информация с высоковольтной платформы 21 поступает через дешифратор в микропроцессор 34, По сигналу обратной связи в микропроцессоре 34 вырабатывается сигнал коррекции, который, воздействуя на блок цифрового фазового управления 38 и общую величину опорного напряжения с выхода источника 37 опорного напряжения изменяет в конечном итоге постоянную составляющую высоковольтного напряжения на нагрузке 24 до уровня, который записан в программе микропроцессора 34.Такое построение системы управления и стабилизации позволяет осуществить глубокое регулирование выходного напряжения на нагрузке 24, используя управление от центральной УВМ.Амплитудная пульсация напряжения на нагрузке 24, возникающая из-за различных характеристик ячеек контуров, устраняется путем формирования в микропроцессоре 34 сигнала подкоррекции и наложения его на сигнал обФ щего опорного напряжения. Точность стабилизации предлагаемого устройства обеспечивается применением цифровой системы регулирования и стабилизации и обеспечивается точностью заряда конденсаторов формирующих линий 1, 2, 3 и 4 при реализации импульсной стабилизации напряжения заряда каждой ячейки устройства и параметрической стабильностью соответствующих элементов, входящих в него. При пробоях в нагрузке 24 сигналс датчика 25 пробоев поступает нашифратор 29 и через оптический канал51 связи и дешифратор 52 - в микропроцессор 34 и задерживает срабатывание управляемого разрядника следующей по времени вступления в работуформирующей линии на время, требуе- О мое для восстановления электрической прочности ионного источника после пробоя. Описанное устройство позволяетполучить выходное высоковольтное напряжение с параметрами, необходимыми для питания ускоряющих промежутков ионных источников инжекторов в квазинепрырвном режиме работы для дополнительного нагрева плазмы термоядерных 20 реакторов. Достоинствум устройства являетсявозможность унифицированного исполнения его и регулирование выходного 25напряжения в,широких пределах сиспользованием микропрограммного принципа управления в режиме местногоуправления или дистанционного от центральной УВМ.Регулирование напряжения на ионном источнике возможно как за счетрегулирования низковольтного управляемого источника питания формируюшихлиний при установленных данных.им пульсных трансформаторов, так и засчет изменения их коэффициента трансформации без изменения формирующейчасти схемы. Практически предлагаемое устройство может обеспечить уров- "О ни выходного напряжения от 50.10 З ВфДдо 500.10 В и вьппе при мощности вдесятки МВт, причем габариты оборудования, применяемого в устройстве,практически не меняются.45 В устройстве автоматически обеспечивается защита ионных источников при высоковольтных дуговых пробоях и тем самым повьппается надежность устройства в целом, так какразрядный ток пробоя ограничиваетсяамплитудой, только в два раза превьппающей номинальное значение, благодаря использованию формирующих 55члинии и длительностью его протекания в ионном источнике в течениевремени работы одной формирующейлинии, т.е. не более 100 мкс.После пробоя в ионном источнике срабатывание следующих формирующих линий может быть задержано на время, требуемое для восстановления электрической прочности ионного источника , запретом срабатывания следующих по времени формирующихлиний.5886699 О Составитель В. ЧорбаТехред И.Верес Корректо М. Шароши едактор О. Кузнецов сно 4/5 илиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Заказ 1338/3 Ти ВНИИПИ Государственного по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Р816 П митета СССР открытий ская наб д.