Стабилизированный управляемый универсальный источник высокой»- напряжения (варианты) Группа изобретений относится к импульсной высоковольтной технике и может быть использована для зарядки низковольтных и высоковольтных емкостных накопителей, питания высокочастотных и сверхвысокочастотных модуляторов, в рентгеновской технике, электронно-лучевой сварке и иных областях техники, использующих низковольтные и высоковольтные источники питания большой мощности. Известен источник постоянного напряжения [а. с. СССР _Ч°752684, БИ .8, 1980]. Данное устройство содержит высоковольтный трансформатор 1 , имеющий первичную обмотку W ₀ и N вторичных обмоток (W 1, ... W _N ). К каждой из N вторичных обмоток трансформатора подключен вход выпрямительного узла с емкостным фильтром 2, 3, 4 ... N, причем по выходу все выпрямительные узлы соединены последовательно. Выпрямительный узел представляет собой диодный мост, в выходную цепь которого включен фильтрующий конденсатор.

Высоковольтный источник постоянного напряжения работает следующим образом. Переменное напряжение питающей сети поступает на первичную обмотку трансформатора. Трансформатор преобразует уровень напряжения на первичной обмотке в заданный уровень напряжения на каждой из вторичных обмоток. Переменное напряжение на каждой из вторичных обмоток поступает на вход соответствующего выпрямительного узла. На выходе каждого выпрямительного узла формируется постоянное напряжение U. С учетом последовательного соединения всех вьшрямительных узлов по выходу на выходе источника питания формируется суммарное значение постоянного напряжения, поступающего на нагрузку, равное N-U.

Важным достоинством данного устройства является возможность получения высоких напряжений при использовании относительно низковольтных элементов. Однако данное техническое решение не обеспечивает уменьшение влияния пробоев в нагрузке.

Наиболее близким техническим решением является высоковольтный источник питания для электронно-лучевого оборудования [патент РФ RU 2349020 С1, 2007г.] (прототип). Данное устройство содержит высоковольтный трансформатор с N вторичными обмотками и N вьшрямительных узлов с емкостным фильтром, причем каждая из вторичных обмоток трансформатора подключена ко входу одного из N вьшрямительных узлов, а по выходу все выпрямительные узлы соединены последовательно. Источник питания основан на использовании трехфазного повышающего трансформатора, причем каждая из вторичных обмоток трансформатора подключена ко входу одного из N трехфазных выпрямительных узлов, а по выходу все вьшрямительные узлы соединены последовательно. Для обеспечения режима ограничения выходного тока в случае дугового разряда в нагрузке применены регуляторы понижающего типа, подсоединенные к каждому из N выпрямительных узлов. Достоинством этого устройства является исключение влияния пробоев на величину тока.

Однако недостатками известного устройства является отсутствие управления по мощности, т.к. введен только режим ограничения выходного тока источника питания при возникновении в нагрузке дугового разряда.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание стабилизированного источника питания, обеспечивающего следующие основные особенности:

• напряжение и ток в нагрузке по заранее заданной временной или вольтамперной зависимости в заданных пределах по току и напряжению;

· работу как в режиме источника напряжения (ток определяется резистивностью нагрузки), так и в режиме источника тока (напряжение определяется резистивностью нагрузки);

• адаптация к типу нагрузки (резистивная, емкостная, комплексная);

• толерантность по отношению к короткому замыканию без специальных средств защиты;

Перечисленные особенности заявляемого изобретения (варианты) определяют универсальность его использования в различных технологических системах (электронно- лучевая сварка; зарядка высоковольтных емкостных накопителей энергии; системы питания высокочастотных и сверхвысокочастотных модуляторов в области лазерной, ускорительной, радарной техники; в составе оборудования ионной имплантации, электронной и ионной литографии; в составе оборудования электронной микроскопии, томографическом оборудовании, в рентгеновских установках).

Технический результат, который может быть получен при осуществлении вариантов изобретения:

· возможность работы устройства, как в режиме управляемого источника тока, так и в режимах управляемого источника напряжения и управляемого источника мощности, (в зависимости от характера нагрузки, устройство может переключаться в один из вышеперечисленных режимов в течение одного рабочего цикла);

• временное или граничное изменение параметров тока, напряжения или мощности в соответствующем режиме (источник тока, источник напряжения, источник 0

3 мощности);

• теоретически неограниченная точность и скорость регулирования, достигаемая за счет применения собственного метода цифрового управления;

• возможность наращивания передаваемой в нагрузку мощности благодаря модульности устройства;

• высокий по сравнению с аналогами такой же мощности КПД за счет работы каждого силового модуля в оптимальном режиме с максимальным КПД;

Для достижения технического результата при решении поставленных задач предлагается стабилизированный управляемый универсальный источник высокого напряжения по варианту I, включающий силовой модуль, содержащий трансформатор с m секциями вторичных обмоток и m вьшрямительных узлов, к каждой секции вторичных обмоток трансформатора подключен вход соответствующего выпрямителя узла, а по выходу все выпрямительные узлы соединены последовательно, и который оснащён источником первичного постоянного напряжения, дозатором мощности, генератором импульсов дозирования энергии, модулем мониторинга выходных тока и напряжения, машинным интерфейсом и микроконтроллером, при этом генератор импульсов дозирования энергии включает электрически связанные между собой генератор опорной частоты, конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии и компаратор, при этом дозатор мощности подключён к первичной обмотке трансформатора и имеет четыре входа, два из которых связаны с источником первичного постоянного напряжения, а два других входа связаны с выходами конвейерного распределителя импульсов дозирования энергии, каждый из m вьшрямительных узлов выполнен в виде выпрямителя, соединённого с накопительными ёмкостями, к выходам которых подключён вход модуля мониторинга выходных тока и напряжения, а выходы последнего связаны с компаратором и микроконтроллером, вход которого соединён с машинным интерфейсом, а выходы с компаратором генератора импульсов дозирования энергии;

Также для достижения технического результата при решении поставленных задач в стабилизированном управляемом универсальном источнике высокого напряжения по варианту I в генераторе импульсов дозирования энергии конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии имеет два входа, один из которых которого связан с выходом генератора опорной частоты, второй - с выходом компаратора, а каждый из m вьшрямительных узлов оснащён чётным количеством накопительных ёмкостей, смонтированных симметрично относительно выпрямителя;

Также для достижения технического результата при решении поставленных задач в стабилизированном управляемом универсальном источнике высокого напряжения источник первичного постоянного напряжения по варианту I может быть вьшолнен либо по схеме однофазного, либо по схеме трехфазного выпрямителя; а дозатор мощности вьшолнен по мостовой схеме, входы ключей которого связаны с выходами источника первичного постоянного напряжения.

Для достижения технического результата при решении поставленных задач в стабилизированном управляемом универсальном источнике высокого напряжения по варианту II, включающем силовой модуль, содержащий трансформатор с m секциями вторичных обмоток и m выпрямительных узлов, к каждой секции вторичных обмоток трансформатора подключен вход соответствующего выпрямителя узла, а по выходу все выпрямительные узлы соединены последовательно, силовой модуль оснащён источником первичного постоянного напряжения, дозатором мощности, модулем мониторинга выходных тока и напряжения, генератором импульсов дозирования энергии, машинным интерфейсом и микроконтроллером, совместно формирующими силовой блок, в устройство введены генератор опорной частоты с п выходами, средство внешнего управления и N силовых блоков, при чём в каждом из N силовых блоков генератор импульсов дозирования энергии включает электрически связанные между собой, конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии и компаратор, дозатор мощности подключён к первичной обмотке трансформатора и имеет четыре входа, два из которых связаны с источником первичного постоянного напряжения, а два других входа связаны с выходами конвейерного распределителя импульсов дозирования энергии, каждый из m выпрямительных узлов вьшолнен в виде выпрямителя, соединённого с накопительными ёмкостями, к выходам которых подключён вход модуля мониторинга выходных тока и напряжения, а выходы последнего связаны с компаратором и микроконтроллером, вход которого соединён с машинным интерфейсом, а выходы с компаратором генератора импульсов дозирования энергии, при этом вход конвейерного распределителя импульсов дозирования энергии каждого их N силовых блоков соединён с соответствующим из п выходов генератора опорной частоты, а каждый из N силовых блоков подключён на выходе к средствам внешнего управления параллельно друг другу;

Также для достижения технического результата при решении поставленных задач в стабилизированном управляемом универсальном источнике высокого напряжения по варианту II машинные интерфейсы каждого из N силовых блоков параллельно соединены между собой посредством микроконтроллерной шины, а каждый из m выпрямительных узлов силового модуля оснащён чётным количеством накопительных ёмкостей, смонтированных симметрично относительно выпрямителя; Также для достижения технического результата при решении поставленных задач в стабилизированном управляемом универсальном источнике высокого напряжения по варианту II источник первичного постоянного напряжения может быть вьшолнен либо по схеме однофазного, либо по схеме трехфазного выпрямителя; а дозатор мощности выполнен по мостовой схеме, входы ключей которого связаны с выходами источника первичного постоянного напряжения.

Также для достижения технического результата при решении поставленны задач в стабилизированный управляемый универсальный источник высокого напряжения по варианту II могут быть введены чётное или нечётное количество силовых блоков, а генератор опорной частоты может бьггь вьшолнен с соответствующим количеством выходов.

Указанные признаки заявляемой группы изобретений являются существенными и взаимосвязанными между собой причинно-следственной связью с образованием совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата.

Указанные отличительные признаки являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенные варианты изобретений соответствующим критерию «новизна».

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет решить поставленные задачи, а также достижение нового технического результата в совершенствовании вариантов конструкции стабилизированного управляемого универсального источника высокого напряжения, что характеризует предложенные технические решения существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа.

Сущность изобретения (варианты) поясняется чертежами:

Фиг.1 - диаграмма функционирования силового блока стабилизированного управляемого универсального источника высокого напряжения (вариант I); Фиг.2 - диаграмма функционирования силового блока стабилизированного управляемого универсального источника высокого напряжения (вариант I) Фиг.З - диаграмма функционирования силового блока стабилизированного управляемого универсального источника высокого напряжения при нагрузке

(вариант I)

Фиг.4 - функциональная схема стабилизированного управляемого универсального источника высокого напряжения (вариант II);

Фиг.5 - диаграмма функционирования силового блока (вариант II);

Фиг.6 - диаграмма функционирования силового блока при нагрузке(вариант II); Фиг.7 - графическое представление предложенного метода управления выходными параметрами для общего случая(вариант II); Фиг.8 - диаграмма функционирования 2-х параллельно работающих силовых блоков; (вариант II);

Фиг.9 - диаграмма функционирования 4-х параллельно работающих силовых блоков

(вариант II);

Фиг 10 - диаграмма функционирования 8-лш параллельно работающих силовых блоков (вариант II).

Заявляемое изобретение (варианты) поясняется конкретными примерами исполнения, которые наглядно демонстрируют возможность достижения заданного технического результата указанной выше совокупностью существенных признаков

ВАРИАНТ I

Стабилизированный управляемый универсальный источник высокого напряжения содержит силовой модуль 1 (Фиг 1), включающий частотный трансформатор 2 с первичной обмоткой 3 и одной 4.1 или несколькими 4.Х 4.т вторичными обмотками, обеспечивающими гальваническую развязку выходного и первичного напряжения. Каждая вторичная обмотка последовательно соединена с одним из выпрямителей 5.1 5.т, преобразовывающих разнонаправленный ток вторичных обмоток 4.1-^4. , поступающий на вход соответствующего выпрямителя 5.1 5.т, В «поплечевой» однонаправленный ток на выходе. Каждый из выпрямителей 5.1^-5.т оснащён двумя или несколькими накопительными ёмкостями 6.1-Η».»ι., обеспечивающими накопление энергии, сообщаемой «поплечевыми» токами с выхода соответствующих выпрямителей 5.1^-5.т и удвоение напряжения, создаваемого поплечевыми токами. Крайние выходы последовательной цепи ёмкостей 6Л+6.т соединены со входом модуля мониторинга выходных тока и напряжения 7.

К первичной обмотке 3 подключен дозатор мощности 8, который реализован по мостовой схеме и работает в режиме поочерёдной коммутации прямого и обратного тока через первичную обмотку 3 трансформатора 2. Два входа дозатора мощности 8 связаны с выходами генератора импульсов дозирования энергии 9 для приёма доз энергии, генерируемых последним в виде прямоугольных управляющих импульсов, ширина которых определяет дозу энергии. Два других его входа связаны с источником первичного постоянного напряжения 10, который может быть выполнен либо по схеме однофазного, либо по схеме трехфазного выпрямителя, в зависимости от необходимой выходной мощности стабилизированного управляемого универсального источника высокого напряжения. Генератор импульсов дозирования энергии 9 включает электрически связанные между собой генератор опорной частоты 11, генерирующий опорную частоту импульсов, конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 12, регенерирующимися последним на основе опорной частоты, и компаратор 13, при этом у конвейерного распределителя импульсов дозирования энергии 12 один вход связан с выходом генератора опорной частоты 11, второй его вход - с выходом компаратора 13. Два входа компаратора 13 связаны с выходами модуля мониторинга выходных тока и напряжения 7. Устройство оснащено также микроконтроллером 14 и машинным интерфейсом 15, при этом микроконтроллер 14 адаптирован машинному интерфейсу 15. Входы микроконтроллера 14 связаны с выходами модуля мониторинга выходных тока и напряжения 7 и выходами компаратора 13, а его выход выведен на стандартный машинный интерфейс 15, обеспечивающий связь со стандартными средствами внешнего управления.

ВАРИАНТ II

Стабилизированный управляемый универсальный источник высокого напряжения содержит от 2-х до я силовых блоков, обозначаемых I (Фиг 4), подключаемых на выходе к внешней нагрузке параллельно друг другу, и включает генератор опорной частоты 111 с и выходами. Силовые блоки I N выполнены аналогичными друг другу, в связи с чем структурное содержание каждого из силовых блоков I+N подробно описывается на примере силового блока I.

Силовой блок I включает силовой модуль 101.1, состоящий из частотного трансформатора 102.1 с первичной обмоткой 103.1 и одной 104.1.1 или несколькими 104.1+104.1.#ι вторичными обмотками, обеспечивающими гальваническую развязку выходного и первичного напряжения. Каждая вторичная обмотка 104.1. l-HL04.1.m последовательно соединена с одним из выпрямителей 105.1.1+105.1./», преобразовывающих разнонаправленный ток вторичных обмоток 104.1 104 n, поступающий на вход соответствующего выпрямителя 105.1.1 105.1.»!, в «поплечевой» однонаправленный ток на выходе. Каждый из выпрямителей 105.1.1 105.1.т оснащён двумя или несколькими 106.1. l-=-106.1.m накопительными ёмкостями, обеспечивающими накопление энергии, сообщённой «поплечевыми» токами с выхода соответствующих выпрямителей 105.1.1 105.1./М и удвоение напряжения, создаваемого поплечевыми токами. Крайние выходы последовательной цепи ёмкостей 106.1.1 106.1./И соединены со входом модуля мониторинга выходных тока и напряжения 107.1.

Силовой модуль 101.1 оснащён дозатором мощности 108.1, источником напряжения 110.1, генератором импульсов дозирования 109.1, включающим электрически связанные между собой конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 112.1 и компаратор 113.1, а также машинным интерфейсом 115.1 и адаптированным к последнему микроконтроллером 114.1 Дозатор мощности 108.1, подключенный к первичной обмотке 103.1 трансформатора 102.1 силового модуля 101.1, реализован по мостовой схеме и работает в режиме поочерёдной коммутации прямого и обратного тока через первичную обмотку 103.1 трансформатора 102.1. Два входа дозатора мощности 108.1 связаны с выходами конвейерного распределителя импульсов дозирования энергии 112.1 генератора импульсов дозирования энергии 109.1 для приёма генерируемых последним прямоугольных управляющих импульсов, ширина которых определяет дозу энергии, «выхватываемую» от источника первичного постоянного напряжения 108.1 по двум другим входам дозатора мощности 108.1, связанным с источником первичного постоянного напряжения 110.1, который может быть выполнен либо по схеме однофазного, либо по схеме трехфазного выпрямителя, в зависимости от необходимой выходной мощности стабилизированного управляемого универсального источника высокого напряжения. Один вход конвейерного распределителя импульсов дозирования энергии 112.1 связан с одним из п выходов генератора опорной частоты 111, взаимодействием с которым генерируются импульсы дозирования, а второй вход конвейерного распределителя импульсов дозирования энергии 112.1 связан с выходом компаратора 113.1. Два входа компаратора 113.1 соединены с выходами модуля мониторинга выходных тока и напряжения 107.1. Входы микроконтроллера 114.1 связаны с выходами модуля мониторинга выходных тока и напряжения 107.1 и выходами компаратора 113.1, а выход последнего вьшеден на стандартный машинный интерфейс 115.1, обеспечивающий связь со стандартными средствами внешнего управления. Кроме того, микроконтроллер 114.1 имеет вывод на микроконтроллерную шину через её ответвление 116.1 для информационного взаимодействия с работающими параллельно силовому блоку I силовыми блоками II -s- N и вывод на стандартный машинный интерфейс 115.1 для связи со средствами внешнего управления.

В силу того, что каждый из силовых блоков I-HV (Фиг.4) выполнен аналогично силовому блоку I, то вход каждого из конвейерных распределителей импульсов дозирования энергии 112.2 112.П связан с соответствующим из п выходами генератора опорной частоты 111

Кроме того, подключение одного из микроконтроллеров 114.1- 114.Я к соответствующему машинному интерфейсу для связи со средствами внешнего управления автоматически делает этот микроконтроллер «ведущим», в то время как все остальные из микроконтроллеров 114.1-^114.η становятся «ведомыми» (Фиг.4), в качестве одного из вариантов, «ведущим» является микроконтроллер 114.2). Стабилизированные управляемые универсальные источники высокого напряжения работают следующим образом.

ВАРИАНТ I

Работа устройства осуществляется по командам от средств внешнего управления, поступающим через машинный интерфейс 15 к микроконтроллеру 14, который транслирует их в виде сигналов на генератор импульсов дозирования 9 и компаратор 13. Посредством генератора опорной частоты 11, компаратора 13 и конвейерного распределителя 12 формируются, «опираясь» на несущую частоту f _s , два прямоугольных импульса дозирования со строго заданной скважностью: Доз. Имп.1 и Доз. Имп.2. которые поступают на дозатор мощности 8. Дозатор мощности 8 обеспечивает получение от источника первичного постоянного напряжения фиксированного количества энергии, равного Е = 17 · I - τ^ ,

где: U - напряжение источника первичного постоянного напряжения;

I - ток, диктуемый параметрами первичной обмотки 3;

Тда - ширина дозирующих импульсов Доз.Имп. , Доз.Имп.2.

Доз. Имп.1 открывает соответствующую пару ключей дозатора мощности 8, обеспечивая прохождение прямого тока 1т _р в виде прямой полуволны (сплошная линия) (Фиг. 2) от источника первичного постоянного напряжения 10 через первичную обмотку 3 трансформатора 2. Амплитуду прямой полуволны определяет источник первичного постоянного напряжения 10, длительность обусловлена резонансными параметрами трансформатора 2 и является жестко фиксированной величиной, зависящей только от конструктивных особенностей трансформатора 2: магнитных свойств трансформатора (В- Н curve), количества витков первичной обмотки, количества вторичных обмоток и числа витков в каждой из них.

Так, например, при индуктивности первичной обмотки 3 трансформатора 18.8 тН длительность полуволны составляет 8 μβ.

Большая часть энергии прямой полуволны поступает на вторичные обмотки 4.1 + 4.ш трансформатора 2 и аккумулируется в накопительных ёмкостях 6.1-И>.т; остальная часть «запасается» в индуктивностях трансформатора 2 и «паразитных» ёмкостях, обусловленных конструктивными особенностями схемных компонентов.

По концу прямой полуволны происходит естественная рекуперация этой остальной части энергии обратно, к источнику первичного постоянного напряжения 10; создавая на первичной обмотке 3 трансформатора 2 обратную полуволну той же длительности (пунктирная линия), энергия которой также поступает на вторичные обмотки 4.1 4.ш и аккумулируется в накопительные ёмкости 6.1-Н>.т, значительно повышая, соответственно, КПД силового модуля 1.

При генерации Доз. Имп.2 происходит тот же самый процесс, только в обратном направлении. Но целесообразность обратного процесса заключается в том, что производится симметричное «размагничивание» трансформатора 2, исключая, тем самым, смещение магнитной составляющей в сторону насыщения, в котором трансформатор 2 теряет свои рабочие характеристики. При этом ширина импульса не должна быть меньше длительности полуволны, чтобы не обрывать естественный ход резонансного процесса. Рабочую же длительность импульса целесообразно превысить на 5 - 10% длительности резонансной полуволны, чтобы исключить чрезмерное уменьшение длительности импульса от прецессии схемотехнических параметров.

При работе устройства на нагрузку энергия накопительных емкостей 6.1-^-б.ш будет отбираться, и диаграмма функционирования силового модуля 1 несколько видоизменится (Фиг. 3). Угол а обозначает характер падения напряжения на накопительных ёмкостях 6.1-H>.m и обусловлен величиной нагрузки. Таким образом, каждый импульс обеспечивает строго фиксированную дозу энергии для передачи от источника первичного постоянного напряжения 10 к накопительным ёмкостям 6.1-^б.ш с постоянной частотой, ограничиваемой сверху резонансными параметрами трансформатора 2.

Средствами внешнего управления по машинному интерфейсу 15 (Фиг.1) через микроконтроллер 14 задаётся значение напряжения Uyer, которое должно быть достигнуто и поддерживаться на нагрузке током, не превьппающим значения 1уст. Командой «Старт» запускается «процесс подачи» Доз.Имп.1 и Доз.Имп.2 на дозатор мощности 8. В накопительные ёмкости 6.1-Н>.т начинают поступать с постоянной частотой строго фиксированные дозы энергии, восполняя энергию накопительных ёмкостей 6.1-6.Ш, расходуемую на нагрузку. При этом ток и напряжение на нагрузке изменяются в соответствии с характером нагрузки (преимущественно ёмкостной, преимущественно резистивной или той и другой одновременно).

Измеренные значения тока 1из и напряжения иизм нагрузки с модуля мониторинга выходных параметров тока и напряжения 7, поступают на компаратор 13, где сравнивается с заданными величинами густ и Uycr. При 1изм > Густ или иизм > Uycr компаратор 13 выдаёт команду запрета выдачи импульсов Зпр fs на конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 12. Конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 12, не ранее чем по концу текущего импульса, если таковой действует в момент выдачи команды Зпр fs, прекращает передачу импульсов, чем задерживает поступление очередных доз энергии в накопительные ёмкости 6.1-^-б.т, в результате чего ток и вслед за ним напряжение на нагрузке начнут падать.

Как только наступит состояние 1шм< 1уст или UmM< Uycr, компаратор 13 выдаёт команду разрешения на передачу импульсов Рзрш fs на конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 12, который возобновляет передачу импульсов со строго очередного (в данном случае из двух) импульсов, перед которым была остановлена его передача. Этим обеспечивается ранее упомянутое симметричное «размагничивание» трансформатора 2 при прерываниях «процесса подачи» Доз.Имп.1 и Доз.Имп.2 на дозатор мощности 8. Конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 12 обеспечивает конвейерную передачу импульсов одинаково как при отслеживании параметров тока, так и при отслеживании параметров напряжения, так как авторегулирование производится через энергетический параметр (дозы энергии), а распределение между током и напряжением происходит «саморегуляцией» в зависимости от характера нагрузки. Пока напряжение на нагрузке не достигло заданного значения наличествует «режим источника тока», в котором напряжение на нагрузке определяется текущей резистивностью нагрузки, (термин «текущая резистивность» предполагает нелинейную нагрузку, например - ёмкостную). Если напряжение на нагрузке достигает заданного значения до того, как ток достигнет заданное значение, наступает «режим источника напряжения», в котором ток определяется «текущей резистивностью». Очевидно, что если в процессе функционирования изменять задаваемые значения тока 1уст и напряжения иуст в заданных пределах по току и напряжению, то система «мониторинг выходных тока и напряжения 7 - компаратор 13 - конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 12 будет автоматически отрабатывать эти изменения по мере их поступлений.

Используя средства внешнего управления, по машинному интерфейсу 15 можно задать микроконтроллеру 14 значения Uycr и 1уст, которые он подает на компаратор 13, не в виде константы, а в виде запрограммированной последовательности значений, разнесённых во времени, по определённой заданием закономерности.

При возникновении в нагрузке короткого замыкания произойдет быстрый разряд содержимого накопительных ёмкостей 6.1-Н>.т при одновременном прерывании «процесса подачи» импульсов Доз. Имп.1 и Доз. Имп.2 на дозатор мощности 8 вследствие выхода величины тока за пределы заданного значения - и только. Даже если состояние короткого замыкания будет продолжаться, то после падения тока ниже заданного уровня возобновлённая подача импульсов Доз.Имп.1 и Доз.Имп.2 будет 0

12

осуществлять только то минимальное дозирование, которое необходимо для поддержания заданного тока нагрузки при практически нулевом напряжении.

ВАРИАНТ II

Работа устройства осуществляется по командам от средства внешнего управления, поступающих через соответствующий из машинных интерфейсов 115.1+115» к одному из » микроконтроллеров, например к микроконтроллеру 114.2 (Фиг.4), называемым в данном случае «ведущим», через микроконтроллерную шину и её ответвления 116.l-i-116.ii к каждому из остальных микроконтроллеров 114.1, 114.3+114.п, называемых «ведомыми», или адресно к любому из 114.1, 114.3+114.П микроконтроллеров. Микроконтроллеры, дешифрировав содержимое полученных команд, задают значение напряжения Uycm, которое должно быть достигнуто и поддерживаться на нагрузке током lycm. Командой «Старт» запускается «процесс подачи» Доз.Имп.1 и Доз.Имп.2 на дозаторы мощности 108.1+108.» силовых блоков 100.1+100.»

Дозаторы мощности 108.1+108.» силовых блоков 100.1+100.» обеспечивают получение от источников первичного постоянного напряжения 110.2 110.» фиксированного количества энергии, равного Е = U - / · г _ди ,

где: U— напряжение источника первичного постоянного напряжения;

/- ток, диктуемый параметрами первичной обмотки 3;

Гди— ширина дозирующих тлиупъсоъ Доз.Имп.1, Доз.Имп.2.

Доз.Имп.1 открывает соответствующую пару ключей дозатора мощности 108.1+108.η, обеспечивая прохождение прямого тока Ιχ _ρ в виде прямой полуволны (сплошная линия) (Фиг. 5,6,7) от источника первичного постоянного напряжения 110.1 110.11 через первичную обмотку 103.1+103.П трансформатора 102.1+102.11. Амплитуду прямой полуволны определяет источник первичного постоянного напряжения 110.1+110.П, длительность обусловлена резонансными параметрами трансформатора 102.1+102.П и является жестко фиксированной величиной, зависящей только от конструктивных особенностей трансформатора 102.1+102.п: магнитных свойств трансформатора (В-Н curve), количества витков первичной обмотки, количества вторичных обмоток и числа витков в каждой из них.

Сигнал Доз.Имп.1 открывает соответствующую пару ключей дозатора мощности 108,2 обеспечивая прохождение прямого тока 1т в форме полуволны от источника первичного постоянного напряжения 110.2 через первичную обмотку 103.2 трансформатора 102.2. Амплитуду полуволны прямого тока Ιχ _ρ определяет источник первичного постоянного напряжения 110.2 длительность обусловлена резонансными параметрами трансформатора 102.2 и является строго фиксированной величиной, задаваемой шириной импульсов опорной частоты fs, и зависящей только от конструктивных особенностей трансформатора 102.2: магнитных свойств трансформатора (В-Н curve), количества витков первичной обмотки, количества вторичных обмоток и числа витков в каждой из них.

Так, например, при индуктивности первичной обмотки 103.2 трансформатора 18.8 тН длительность полуволны составляет 8 β.

Большая часть энергии прямой полуволны поступает на вторичные обмотки 104.2.1 104.2,/и трансформатора 102.2 и аккумулируется в накопительных ёмкостях 106.2.1+106.2./»; остальная часть «запасается» в индуктивностях трансформатора 102.2 и «паразитных» ёмкостях, обусловленных конструктивными особенностями схемных компонентов.

По концу полуволны прямого тока lj _p происходит естественная рекуперация этой остальной части энергии обратно, к источнику первичного постоянного напряжения 110.2; создавая на первичной обмотке 103.2 трансформатора 102.2 полуволну обратного тока 1т _р той же длительности, энергия которой также поступает на вторичные обмотки 104.2.1 104.2т и аккумулируется в накопительные ёмкости 106.2.1-5-106.2.»!, значительно повышая, соответственно, КПД силового блока 101.2.

При генерации Доз.Имп.2 происходит тот же самый процесс, только в обратном направлении. Но целесообразность обратного процесса заключается в том, что производится симметричное «размагничивание» трансформатора 102.2, исключая, тем самым, смещение магнитной составляющей в сторону насыщения, в котором трансформатор 102.2 теряет свои рабочие характеристики. При этом ширина импульса не должна быть меньше длительности токовой полуволны, чтобы не обрывать естественный ход резонансного процесса. Рабочую же длительность импульса целесообразно превысить на 5 - 10% длительности резонансной полуволны, чтобы исключить чрезмерное уменьшение длительности импульса от прецессии схемотехнических параметров.

Таким образом, каждый импульс обеспечивает строго фиксированную дозу энергии для передачи от источника первичного постоянного напряжения 110.2 к накопительным ёмкостям 106.2.1-5-106.2./И с постоянной частотой, ограничиваемой сверху резонансными параметрами трансформатора 102.2.

По команде «Старт» в накопительные ёмкости 106.2.1+106.2т начинают поступать с частотой сигналов Доз.Имп.1 и ДохИмп.2 строго фиксированные шириной импульсов опорной частоты fs дозы энергии, восполняя энергию накопительных ёмкостей 106.2.1- 106.2.m, расходуемую на нагрузку. , ,

PCT/RU2015/000870

14

При этом ток и напряжение на нагрузке изменяются в соответствии с характером нагрузки (преимущественно ёмкостной, преимущественно резистивной или той и другой одновременно).

При работе устройства на нагрузку энергия накопительных ёмкостей 106.2.1-f-106.2#i будет отбираться, и диаграмма функционирования силового модуля II несколько видоизменится Угол а обозначает характер падения напряжения на накопительных ёмкостях 106.2.1+106.2т и обусловлен величиной нагрузки. Таким образом, каждый импульс обеспечивает строго фиксированную дозу энергии для передачи от источника первичного постоянного напряжения 110.2 к накопительным ёмкостям 106.2.1-*-106.2#п с постоянной частотой, ограничиваемой сверху резонансными параметрами трансформатора 102.2.

Измеренные значения тока 1изм и напряжения UIUM нагрузки с модуля мониторинга выходных параметров тока и напряжения 107.2, поступают на компаратор 113.2, где сравнивается с заданными величинами Iycm и Uycm.

При 1изм > Iycm или 11изм > Uycm компаратор 113.2 выдает команду запрета выдачи импульсов Зпр fs на конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 112.2.

Конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 112.2, не ранее чем по концу текущего импульса, если таковой действует в момент выдачи команды Зпр fs, прекращает передачу импульсов, чем задерживает поступление очередных доз энергии в накопительные ёмкости 106.2.1-*-106.2..2#я, в результате чего ток и вслед за ним напряжение на нагрузке начнут падать.

Как только наступит состояние 1изм< Iycm или 11тм< Uycm, компаратор 113.2 выдаёт команду разрешения на передачу импульсов Рзрш fs на конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 112.2, который возобновляет передачу импульсов со строго очередного импульса, перед которым была остановлена его передача. Этим обеспечивается ранее упомянутое симметричное «размагничивание» трансформатора 102.2 при прерываниях «процесса подачи» Доз.Имп.1 и Доз.Имп.2 на дозатор мощности 108.2.

Конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 112.2 обеспечивает конвейерную передачу импульсов одинаково как при отслеживании параметров тока, так и при отслеживании параметров напряжения, так как авторегулирование производится через энергетический параметр (дозы энергии), а распределение между током и напряжением происходит «саморегуляцией» в зависимости от характера нагрузки. Пока напряжение на нагрузке не достигло заданного значения наличествует режим источника тока, в котором напряжение на нагрузке определяется текущей резистивностью нагрузки, (термин «текущая резистивность» предполагает нелинейную нагрузку, например - ёмкостную). Если напряжение на нагрузке достигает заданного > значения до того как ток достигнет заданного значения, наступает режим источника напряжения, в котором ток определяется текущей резистивностью.

Очевидно, что если в процессе функционирования изменять задаваемые значения тока lycm и напряжения Uycm в заданных пределах по току и напряжению, то система «мониторинг выходных тока и напряжения 107.2 - компаратор 113.2 - конвейерный ) распределитель импульсов дозирования энергии 112.2» будет автоматически отрабатывать эти изменения по мере их поступлений.

Используя средства внешнего управления, по машинному интерфейсу 115.2 можно задать микроконтроллеру 114.2 значения Uycm и lycm, которые он подает на компаратор 113.2, не в виде константы, а в виде запрограммированной последовательности значений, разнесённых во времени, по определённой заданием закономерности.

При возникновении в нагрузке короткого замыкания произойдёт быстрый разряд содержимого накопительных ёмкостей 106.2.1+106.2.т при одновременном прерывании «процесса подачи» импульсов Доз.Имп.1 и Доз.Имп.2 на дозатор мощности 108.2 вследствие выхода величины тока за пределы заданного значения - и только. Даже если состояние короткого замыкания будет продолжаться, то после падения тока ниже заданного уровня возобновлённая подача импульсов Доз.Имп.1 и Доз.Имп.2 будет осуществлять только то минимальное дозирование, которое необходимо для поддержания заданного тока нагрузки при практически нулевом напряжении.

Генератор опорной частоты 111 (Фиг.4) генерирует импульсные последовательности fs.l fs.n одинаковой частоты и скважности, но смещённые по фазе относительно друг - друга в зависимости от количества параллельно работающих силовых блоков Ι-*·Ν, например, 2-х силовых блоков 1Д1 или например, для

4-х силовых блоков WV (Фнг.6) или, например, для 8-л силовых

Каждая из последовательностей fs.l+fs.n является опорной частотой для того из конвейерный распределитель импульсов дозирования энергии 112.1 П2.п, на который она подана (Фиг4), и опираясь на «свои» несущие частоты, конвейерные распределители 112.1+ 112.И формируют каждый «свою» пару сигналов Доз.Имп.1 и Доз.Имп.2 (Фиг. 4+7).

Так как подача «доз энергии» посредством Itr к первичным обмоткам трансформаторов каждого из I N параллельно работающих силовых блоков (Фиг.4) смещены во времени относительно друг - друга суммарный заряд накопительных ёмкостей 106.1.1-ИОб.п.т «восполняется» тем равномернее, чем выше число N, а, следовательно, и пульсации по току и напряжению на нагрузке, также сглаживаются.

! Вместе с тем, в случае использования Ь-Ν параллельно работающих силовых блоков, для получения заданной мощности на выходе, каждый из N силовых блоков должен обладать в и раз меньшей мощностью, а значит иметь в своём составе меньших габаритов трансформаторы и менее мощные ключевые элементы дозаторов мощности.

)

Заявляемая группа изобретений охарактеризована всей совокупностью существенных признаков во всех пунктах представленной формулы.

Заявляемая группа изобретений соответствует условиям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость», поскольку их реализация возможна при 5 использовании существующих средств производства с применением известных технологических операций.

0

!5