Устройство импульсного питания

Устройство импульсного питания

Реферат

 

Использование: Устройство импульсного питания предназначено, главным образом, для стабилизированного питания ударных бамп-магнитов в системе перезарядной инжекции частиц бустера протонного синхротрона, работающих в низко-частотном импульсно-периодическом режиме. Сущность изобретения: повышение экономичности устройства и стабильности тока на вершине и срезе импульса в ударных бамп-магнитах достигается путем стабилизации напряжения первого накопительного конденсатора 1, использования искусственной последовательно-дроссельной коммутации разрядного тиристора 7 и обеспечения возврата энергии в первый 1, второй 4 и третий 11 конденсаторы, для чего последовательно с катушкой индуктивности 8 включен зарядный импульсный трансформатор 9. Вторичная обмотка трансформатора 9, зашунтированная диодом 10, включена последовательно с шунтирующим диодом 5, а величины напряжений конденсаторов 1, 4 и 11 выбираются в соотношении: И1>И1>И2. Изменением напряжения первого накопительного конденсатора в устройстве импульсного питания обеспечивается подстройка характера срезов импульсов тока в различных группах ударных бамп-магнитов, имеющих отличные друг от друга значения индуктивностей цепей питания, что важно для качественной работы системы перезарядной инжекции частиц бустера протонного синхротрона. 1 с.п.ф. 4 ил. 1

Изобретение относится к ускорительной технике и, в частности, предназначено для импульсного питания ударных бамп-магнитов в системе перезарядной инжекции ускоряемых частиц бустера протонного синхротрона У-70.

В режиме перезарядной инжекции импульс тока ударных бамп-магнитов должны иметь довольно продолжительный плоский рабочий участок и крутой, и стабильный участок среза импульса тока. Требования к переднему фронту не регламентируются.

Известно (1) "Устройство формирования импульсов тока с плоской вершиной в электромагнитах синхротронов", содержащее конденсатор с зарядным источником, подключенный через мостовую схему на тиристорах и электромагнит нагрузки параллельно шунтирующему тиристору, через который протекает стабилизированный ток источника. Достоинством "Устройство формирования." является то, что благодаря исполнению шунтирующего элемента в виде управляемого ключа при определенной последовательности коммутации тиристоров моста удается экономичным образом формировать плоскую вершину в электромагнитах синхротронов сколь угодной продолжительности.

К недостаткам практическим невозможность получения коротких стабильных срезов импульса тока электромагнита и при коротко-импульсном питании малая экономичность, обусловленная достаточно большими потерями в цепи стабилизированного источника тока, т.к. он должен работать, практически, в непрерывном режиме.

Недостатки, обусловленные малой экономичностью при короткоимпульсном режиме работы ликвидированы в импульсном источнике питания электромагнитов синхротронов (2), который и принят за прототип. Он содержит первый и второй конденсаторы C1; C2, первую и вторую индуктивности L1, L_эм, первый, второй и третий тиристоры Т1; Т2; Т3, шунтирующий диод, Д и импульсный источник компенсации потерь первого конденсатора E_кп. При включении тиристоров Т1 и Т2 формируется передний фронт импульса тока электромагнита. Параметры элементов (C и L) рассчитываются таким образом, что до выхода на вершину импульса тока нагрузки конденсатора C1 перезаряжается напряжением обратной полярности и тиристор Т1 запирается. При выходе на вершину импульса тока образуется цепь диод Д электромагнит L_эм-тиристор Т2 и формируется плоская вершина импульса тока с медленным ее спадом. При включении тиристора Т3 тиристор Т2 под действием напряжения обратной полярности на конденсаторе закрывается и ток электромагнита снижается, возвращая энергию в конденсатор C1. В паузе между импульсами импульсный источник компенсации потерь подзаряжает первый конденсатор до исходного значения напряжения.

Недостатком прототипа является то, что по принципу коммутации, заложенному в него в конце плоской вершины имеет место увеличение тока в нагрузке, что является недопустимым в ударных бамп-магнитах системы перезарядной инжекции. Кроме того, в системе перезарядной инжекции используется обычно несколько бамп-магнитов, питаемых по различным причинам от отдельных источников, располагаемых на различных расстояниях от источников и, соответственно, имеющих несколько отличные друг от друга параметры цепей нагрузки. Для качественной же перезарядной инжекции необходимо соблюдение равенства токов на плоской вершине и участке быстрого спада-среза импульса со всех бамп-магнитах.

Целью изобретения является повышение стабильности тока на вершине и срезе импульса в ударном бамп-магните и экономичности его формирования.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство импульсного питания, содержащее первый и второй конденсаторы, подключенные одними полюсами, например отрицательными к общей шине, другие полюса которых соединены через зарядную цепь, источник заряда и стабилизации напряжения первого конденсатора, шунтирующий диод, подключенный катодом к точке соединения положительного полюса второго конденсатора с первым выводом электромагнита нагрузки, второй вывод которого подключен к аноду разрядного тиристора и через цепь возврата энергии к положительному полюсу первого конденсатора, и блок запускающих импульсов, введены управляемое зарядное устройство, датчик напряжения второго конденсатора, источник опорного напряжения, регулятор, импульсный трансформатор, второй диод, катушка индуктивности, второй тиристор, третий диод, третий конденсатор, источник заряда третьего конденсатора и блок задержки времени. При этом управляемое зарядное устройство включено в зарядную цепь между положительными полюсами первого и второго конденсаторов, управляющий вход его через регулятор подключен к выходам датчика напряжения и источника опорного напряжения, катод разрядного тиристора через последовательно соединенные катушку индуктивности и первичную обмотку импульсного трансформатора подключен к общей шине, катод второго тиристора, зашунтированного третьим диодом, подключен к точке соединения катода разрядного тиристора с катушкой индуктивности, анод второго тиристора подключен к положительному полюсу третьего конденсатора и источника его заряда, отрицательные полюса которых подключены к общей шине, первый вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора соединенный с катодом второго диода, подключен к аноду шунтирующего диода, а второй вывод вторичной обмотки и анод второго диода подключены к общей шине, цепь возврата энергии выполнена в виде четвертого диода, блок запускающих импульсов подключен к управляющему входу разрядного тиристора непосредственно, а к управляющему входу второго тиристора через блок задержки времени, коэффициент трансформации импульсного трансформатора выбран таким, что в конце перезаряда третьего конденсатора на первоначальную полярность напряжение на нем принимает исходное значение, а величины напряжений первого, второго и третьего конденсаторов выбраны в соотношении: И_c3 > И_c1 > И_c2 Отличительные признаки заявляемого устройства известны, они проявляют известные функции, однако техническое свойство всей совокупности ново по отношению к свойствам отличительных признаков. Сущность изобретения поясняется чертежами: Фиг.1 Устройство импульсного питания; Фиг.2 Принципиальная схема импульсного питания; Фиг. 3. Диаграмма напряжений и токов на элементах устройства импульсного питания 4; 6; 8; 21 Фиг. 4 Эквивалентная схема перезаряда конденсатора C11 и заряда конденсатора C4.

Устройство импульсного питания содержит первый конденсатор 1, источник заряда и стабилизации напряжения на нем 2, управляемое зарядное устройство 3, второй конденсатор 4, первый диод 5, электромагнит 6, разрядный тиристор 7, катушку индуктивности 8, импульсный трансформатор 9, второй диод 10, третий конденсатор 11, источник заряда третьего конденсатора 12, второй тиристор 13, третий диод 14, четвертый диод 15, датчик напряжения 16, регулятор 17, источник опорного напряжения 18, блок задержки времени 19 и блок запускающих импульсов 20.

Источники заряда конденсатора 2 и 12, например управляемые выпрямители с зарядным резистором, охваченные отрицательной обратной связью по напряжению.

Зарядное устройство 3 может быть выполнено по схемам рис.3.3"в" или 3.3"г", см. О.Г.Булатов и др. "Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии". М. Радио и связь 1986 г. стр. 45.

Регулятор 17 операционной усилитель с усилителем мощности и преобразователем напряжения в частоту в этом случае. Источник опорного напряжения 18 стабилизированный источник напряжения на прецизионных стабилизаторах.

Блок задержки времени 19 выполняется по схеме ждущего мультивибратора см. например, З.П.Важенина и др. "Методы и схемы временной задержки импульсных сигналов" М. Сов.радио. 1971. стр. 15 рис.1.1.

Блок запускающих импульсов 20 серийный генератор импульсов, например Г5-54.

Устройство импульсного питания работает следующим образом. В исходном состоянии конденсаторы 1; 4; 11 заряжены полярностью без скобок, причем, для надежности, выбирают U11 2U1 и U1 2U4. Очередной синхроимпульс с блока 20 в момент времени t₁ (см. фиг.3) включает тиристор 7 и запускает блок задержки времени 19. Конденсатор 4 разряжается по цепи электромагнит 6 катушка индуктивности 8 первичная обмотка трансформатора 9. Диод 10, как видно из черт. фиг. 1 включен таким образом, что вторичная обмотка трансформатора 9 замкнута накоротко и он не мешает формированию фронта импульса тока нагрузки. При достижении максимального значения тока в момент времени t₂ конденсатор 4 разряжается полностью, а цепочка: электромагнит нагрузки 6 - тиристор 7 катушка индуктивности 8 первичная обмотка трансформатора 9 оказывается зашунтированной цепочкой диод 5 диод 10. Формируется плоская вершина импульса тока нагрузки. Блок задержки времени 19 в момент времени t₃ включает второй тиристор 13. При этом тиристор 7 закрывается, диод 15 открывается и напряжение на электромагните 6 фиксируется на уровне напряжения конденсатора 1. Формируется срез импульса тока нагрузки со скоростью спада: Величина емкости конденсатора 1 выбирается в соответствии с допуском на стабильность и линейность среза импульса тока нагрузки. Как видно из фиг. 3 ток в цепи: конденсатор 11 второй тиристор 13 катушка индуктивности 8 - первичная обмотка трансформатора 9 при закрывании первого тиристора 7 сначала возрастает, а затем снижается до нуля. При этом энергия из катушки индуктивности 8 переходит в коммутирующий конденсатор 11, и он оказывается заряженным до значения напряжения, существенно превышающего исходное, но обратной полярности.

При переходе тока этой цепи через ноль к первичной обмотке трансформатора 9 оказывается приложенным напряжение обратной полярности. При этом второй диод 10 запирается, первый диод 5 открывается и в цепи перезаряда конденсатора 11 оказывается включенным конденсатор 4. Эквивалентная схема этой цепи приведена на фиг.4.

Коэффициент трансформации трансформатора 9 выбирается таким, что по окончании импульса перезарядного тока в момент t₇ конденсатор 11 оказывается заряженным до исходного значения напряжения. Из-за неизбежных потерь в элементах схемы конденсатор 4 будет заряжен до меньшего, чем начальное, напряжение. В паузе между импульсами конденсатор 4 дозаряжается от конденсатора 1 через зарядное устройство 3, охваченное отрицательной обратной связью через датчик напряжения 16 и регулятор 17. Уровень стабилизируемого напряжения задается источником опорного напряжения 18. В процессе заряда конденсатора 4 энергия, переданная нагрузкой 6 в конденсатор 1, возвращается обратно во второй конденсатор 4.

С приходом следующего запускающего импульса цикл процессов повторяется. Линейность и стабильность среза импульса в предполагаемом изобретении обеспечивается стабилизацией напряжения первого накопительного конденсатора 1 и выбором его емкости. При нескольких ударных бамп-магнитах в системе перезарядной инжекции изменением уровня напряжения на конденсаторе 1 в соответствии с соотношением (2) просто обеспечивается подстройка характеров срезов импульсов. Последовательно-дроссельная искусственная коммутация позволяет избавиться от выбросов тока в конце импульса, а введение последовательно с катушкой индуктивности импульсного трансформатора, зашунтированного диодом, обеспечивает возврат энергии во второй конденсатор в пропорции, при которой конденсатор искусственной коммутации заряжается до исходного уровня напряжения, за один обратный импульс перезарядного тока. Возврат энергии, и из нагрузки, и из индуктивности катушки цепи коммутации, существенно повышает экономичность формирования импульса тока.

Выбор напряжений на конденсаторах 1; 4; и 11 в соответствии с предлагаемым соотношением (1) позволяет избавиться от одного тиристора (возврата энергии из индуктивности нагрузки), как это необходимо в прототипе и соответственно упростить решение и удешевить устройство импульсного питания.

При больших паузах между импульсами, как это имеет место при работе крупных синхротронов, источник 12 поддерживает напряжение на конденсаторе 11. Дополнительным положительным моментом предложенного устройства является возможность существенного сглаживания плоской вершины импульса за счет индуктивности катушки 8 и большей постоянной времени цепи, т.к. катушка индуктивности 8 размещается не в вакуумном боксе с ограниченным объемом, как бамп-магниты.

Кроме того в предлагаемом устройстве импульсного питания катушка индуктивности 8 исключается из цепи возврата энергии, что позволяет обеспечивать требуемые скорости спада тока на срезе импульса при меньших уровнях напряжений, в то же время она (катушка индуктивности) эффективно подавляет колебания на вершине импульса.

Формула изобретения

Устройство импульсного питания, содержащее первый и второй конденсаторы, подключенные одними полюсами, например, отрицательными, к общей шине, другие полюса которых соединены через зарядную цепь, источник заряда и стабилизации напряжения первого конденсатора, первый шунтирующий диод, катод которого подключен к точке соединения положительного полюса второго конденсатора с первым выводом электромагнита нагрузки, второй вывод которого подключен к аноду разрядного тиристора и через цепь возврата энергии к положительному полюсу первого конденсатора, блок запускающих импульсов, второй тиристор, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности устройства и стабильности тока на вершине и срезе импульса, в него введены управляемое зарядное устройство, датчик напряжения второго конденсатора, источник опорного напряжения, регулятор, импульсный трансформатор, второй диод, катушка индуктивности, третий диод, третий конденсатор, источник заряда третьего конденсатора и блок задержки времени, при этом управляемое зарядное устройство включено в качестве зарядной цепи между положительными полюсами первого и второго конденсаторов, управляющий вход его через регулятор подключен к выходам датчика напряжения и источника опорного напряжения, катод разрядного тиристора через последовательно соединенные катушку индуктивности и первичную обмотку импульсного трансформатора подключен к общей шине, катод второго тиристора, зашунтированного третьим диодом, подключен к точке соединения катода разрядного тиристора с катушкой индуктивности, анод второго тиристора подключен к положительному полюсу третьего конденсатора и источника его заряда, отрицательные полюса которых соединены с общей шиной, первый вывод вторичной обмотки импульсного трансформатора, соединенный с катодом второго диода, подключен к аноду шунтирующего диода, а второй вывод и анод второго диода подключен к общей шине, цепь возврата энергии выполнена в виде четвертого диода, выход блока запускающих импульсов подключен к управляющему входу разрядного тиристора непосредственно, а к управляющему входу второго тиристора через блок задержки времени, коэффициент трансформации импульсного трансформатора выбран таким, что в конце перезаряда третьего конденсатора на исходную полярность напряжение на нем равно первоначальному значению, а величина напряжений первого, второго и третьего конденсаторов выбраны в соответствии с соотношением И3 > И1 > И2.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4