Устройство высоковольтного питания ионных источников инжекторов термоядерных реакторов

Устройство высоковольтного питания ионных источников инжекторов термоядерных реакторов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. УСТРОЙСТВО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ ИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНЖЕКТОРОВ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ, содержащее низковольтный управляемый источник питания постоянного тока, зарядный реактор, генератор импульсного напряжения и повьшающий импульсный трансформатор, о тличающееся тем, что, с целью повьшения надежности, снижения габаритов и повышения точности стабилизации выходного напряжения устройства высоковольтного питания , генератор импульсного напряжения выполнен в виде набора формирующих линий, каждая пара которых одним выходом через разрядные ключи подключена к крайним вьюодам первичных обмоток импульсных трансформаторов , другим - к средней точке этих обмоток, а вторичныеобмотки трансформаторов подключены к входам неуправляемых высоковольтных выпрямителей, одни выходы которых соединены с нагрузкой, а другиемежду собой через датчик пробоев. 2. Устройство по п. 1, о т л ичающееся тем, что с целью повышения точности стабилизации выходного напряжения, в него введены делители напряжения заряда формирующих линий, делитель напряжения ионного источника, блоки сравнения, цифровой источник опорных напряжений микропроцессор, блок цифрового фазового управления, блок преобразования кодов , шифратор, оптический канал связи, дешифратор, анало (Л го-цифровой преобразователь и цифровой фильтр, при этом средние выводы делителей напряжения заряда формирующих линий связаны с первыми входами блоков сравнения, вто00 00 О) рые входы которьк соединены с выходом цифрового источника опорных напряжений , средний вывод делителя наО5 пряжения ионного источника подключен к входу аналого-цифрового преобразосо со вателя, выходы которого соединены с входами цифрового фильтра, выходы цифрового фильтра через шифратор с оптическим выходом, оптический канал связи и дешифратор соединены с входами приема сигнала обратной связи микропроцессора, входы внешнего управления которого через блок преобразования кодов микропроцессора подключены к магистрали внешней связи, первые выходы цифрового управления микропроцессора подключены к входам блока цифрового фазового управления, выход которого подключен к входу уп

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

„.И4 886699 сю 4 Н 03 К 3/53

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, "

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 2872451/18-21 (22) 14.01.80 (46) 23.03.86. Бюл. 11 - 11 (72) О.А. Гусев, Б.A. Кузнецов и А.Г. Нечаев (53) 521.373.431 (088.8) (56) Smith В.Iu: Proc. of the

workshop on Switch, Red. for fusion

Reactors. Pelo.Altr, 1976, EPRI

ER376 — SR, sec. 18, р. 1.

Иссерлин Е.Б., Куперман Г.И., Рябина В.М; 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 ИСТОЧНИКОВ

ИНЖЕКТОРОВ ТЕРМОЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ, содержащее низковольтный управляемый источник питания постоянного тока, зарядный реактор, генератор импульсного напряжения и повышающий импульсный трансформатор, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения надежности, снижения габаритов и повышения точности стабилизации выходного напряжения устройства высоковольтного питания, генератор импульсного напряжения выполнен в виде набора формирующих линий, каждая пара которых одним выходом через разрядные ключи подключена к крайним выводам первичных обмоток импульсных трансформаторов, другим — к средней точке этих обмоток, а вторичные обмотки трансформаторов подключены к входам неуправляемых высоковольтных выпрямителей, одни выходы которых соединены с нагрузкой, а другиемежду собой через датчик пробоев.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что с целью повьппения точности стабилизации выходного напряжения, в него введены делители напряжения заряда формирующих линий, делитель напряжения ионного источника, блоки сравнения, цифровой источник опорных напряжений микропроцессор, блок цифрового фазового управления, блок преобразования кодов, шифратор, оптический канал связи, дешифратор, анало- го-цифровой преобразователь и цифровой фильтр, при этом средние выводы делителей напряжения заряда формирующих линий связаны с первыми входами блоков сравнения, вторые входы которых соединены с выходом цифрового источника опорных напряжений, средний вывод делителя напряжения ионного источника подключен к входу аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с входами цифрового фильтра, выходы цифрового фильтра через шифратор с оптическим выходом, оптический канал связи и дешифратор соединены с входами приема сигнала обратной связи микропроцессора, входы внешнего управления которого через блок преобразования кодов микропроцессора подключены к магистрали внешней связи, первые выходы цифрового управления микропроцессора подключены к входам блока цифрового фазового управления, выход которого подключен к входу уп886б равления низковольтного источника питания постоянного тока, при этом вторые выходы цифрового управления микропроцессора подключены к входам цифрового источника опорных напряжений, а дополнительный вход шифратора подключен к выходу датчика пробоев °

3. 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 разрядни99 ка, 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 клюI чей, выходы микропроцессора через модуляторы подключены к управляющим входам разрядных ключей, а дополнительный выход микропроцессора подключен через модулятор к зарядному ключу первой формирующей линии.

Изобретение относится к системам высоковольтного питания ионных источников инжекторов термоядерных реакторов.

Известны устройства высоковольтного питания, состоящие из повьппающего 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 повьппающий импульсный трансформатор.

Однако недостатком такого устройства, помимо значительных габаритов (так как в нем требуются высоковольтный фильтр и защитное разрядное устройство) является необходимость обеспечения совместной работы двух раз. личных по типу устройств: мощного модулятора и инвертора, поскольку частоту мощных инверторов невозможно повысить до 100 кГц, при которой

1О обеспечивается требуемая длительность фронтов ускоряющего напряжения (не более 10 мкс). Кроме того, необходимость согласования работы двух различных по типу устройств

1S значительно снижает надежность работы установки.

Целью изобретения является повышение надежности, снижение габаритов и повьппение точности стабили о зации выходного напряжения устройства высоковольтного питания.

Поставленная цель достигается г тем, что в устройстве высоковольтного питания ионных источников инжекг5 торов термоядерных реакторов, содержащем низковольтный управляемый источник питания постоянного тока, зарядный реактор, генератор импульсного напряжения и повышающий имЗО пульсный трансформатор, генератор импульсного напряжения выполнен в

vl. виде набора формирующих линий, каждая пара которых одним выходом через разрядные ключи подключена к крайним

886699 выводам первичных обмоток импульсных трансформаторов, другим — к средней точке этих обмоток, а вторичные обмотки трансформаторов подключены к входам неуправляемых высоковольтных выпрямителей, одни выходы которых соединены с нагрузкой, а другие - между собой через датчик пробоев, Кроме того, в устройство введены делители напряжения заряда формирующих линий, делитель напряжения ионного источника, блоки сравнения, цифровой источник опорных напряжений, микропроцессор, блок цифрового фазового управления, блок преобразования кодов, шифратор, оптический канал связи, дешифратор, аналого-цифровой преобразователь и цифровой фильтр, при этом средние выводы делителей напряжения заряда формирующих линий связаны с первыми входами блоков сравнения, вторые входы которых соединены с выходом цифрового источника опорных напряжений, средний вывод делителя напряжения ионного источника подключен к входу аналогоцифрового преобразователя, выходы которого соединены с входами цифрового фильтра, выходы цифрового фильтра через шифратор с оптическим выходом, оптический канал связи и дешифратор соединены с входами приема сигнала обратной связи микропроцессора, блок преобразования кодов, входы внешнего управления которого через блок преобразования кодов микропроцессора подключены к магистрали внешней связи, первые выходы цифрового управления микропроцессора подключены к входам блока цифрового фазового управления, выход которого подключен к входу управления низковольтного источника питания постоянного тока, при этом вторые выходы цифрового управления микропроцессора подключены к входам цифрового источника опорных напряжений, а дополнительный выход шифратора подключен к выходу 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 разрядников

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 выходами блоков сравнения через модуляторы поджигающих импульсов, причем выходы блоков сравнения подключены через модуляторы к управляющим электродам зарядных ключей, выходы микропроцессора через модуляторы подключены к управляющим входам разрядных

10 ключей, а дополнительный выход микропроцессора подключен через модулятор к зарядному ключу первой формирующей линии.

Функциональная схема устройства высоковольтного питания ионных источников инжекторов термоядерных реакторов изображена на фиг. 1, на фиг. 2 — диаграмма выходного высо- ковольтного напряжения питания ион20 ного источника.

Устройство состоит из набора формирующих линий 1, 2, 3 и 4, ко-. торые через зарядные ключи иэ последовательно соединенных диодов 5, 25 6, 7 и 8 и управляемых разрядников

9, 10, ll и 12, и общий зарядный реактор 13 подключены к управляемому источнику 14 питания постоянного тока.

30 Через разрядные ключи на управляемых разрядниках 15, 16, 17 и 18 и два разделительных импульсных трансформатора 19 и 20 со средней точкой на первичной стороне формирующие линии 1, 2, 3 и 4 связаны с высоковольтной платформой 21, на которой расположены выпрямители 22 и 23, подключенные к вторичным обмоткам .импульсных трансформаторов

40 19 и 20, выпрямители 22 и 23 включены последовательно с общей нагрузкой — ионным источником 24 и датчиком 25 пробоев.

886699

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 39Ъоджигающих .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 срав-50 кения 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 1 поджигающих импульсов. В резульды которых подключены к выходам микропроцессора 34, через блок преобразования входных кодов 35 микропроцессор 34 подключен к магистрали

36 внешней связи, другие выходы микропроцессора 34 соединены с входами цифрового источника 37 напряжения и с входами блока 38,цифрового фаэового управления с обратной связью от . 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 сравнения подключен к дополнительному выходу микропроцессора 34, формирующие линии 1, 2, 3 и 4 через делители напряжения заряда формирующих линий

47, 48, 49 и 50 подключены к входам блоков сравнения 43, 44, 45 и 46, другие входы этих блоков подключены,2S к выходу цифрового источника 37 опорных напряжений, шифратор 29 через оптический канал 51 связи подключен к входу дешифратора 52, выходы которого подключены к соответствую- З0 щим входам микропроцессора 34. тате включается ключ заряда формирующей линии 3, состоящий из диода 7 и управляемого разрядника 11. Ключ заряда формирующей линии l при этом запирается разностью напряжений заряженных формирующих линий 1 и 3, подключаемой через реактор 13 к низковольтному управляемому источнику

l4 питания. После разряда формирующей 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 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 выпря886699 мнтелей 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 че-. рез 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 об\9 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 сигнал с датчика 25 пробоев поступает на шифратор 29 и через оптический канал

51 связи и дешифратор 52 — в микро5 процессор 34 и задерживает срабатывание управляемого разрядника следующей по времени вступления в работу формирующей линии на время, требуеО мое для восстановления электрической прочности ионного источника после пробоя.

Описанное устройство позволяет получить выходное высоковольтное на15 пряжение с параметрами, необходимыми для питания ускоряющих промежутков ионных источников инжекторов в квазинепрырвном режиме работы для дополнительного нагрева плазмы термоядерных реакторов.

Достоинством устройства является возможность унифицированного исполнения его и регулирование выходного

25 напряжения в.широких пределах с использованием микропрограммного принципа управления в режиме местного управления или дистанционного от центральной УВМ.

Регулирование напряжения на ионном источнике возможно как за счет регулирования низковольтного управляемого источника питания формирующих линий при установленных данных.им35: пульсных трансформаторов, так и за счет изменения их коэффициента трансформации без изменения формирующей части схемы. Практически предлагаемое устройство может обеспечить уров4О ни выходного напряжения от 50.10З В

Д до 500.10 В и вьппе при мощности в десятки МВт, причем габариты оборудования, применяемого в устройстве, практически не меняются.

В устройстве автоматически обеспечивается защита ионных источников при высоковольтных дуговых про50 боях и тем самым повьппается надежность устройства в целом, так как разрядный ток пробоя ограничивается амплитудой, только в два раза превьппающей номинальное значение, благодаря использованию формирующих

55 линии и длительностью его протекания в ионном источнике в течение времени работы одной формирующей линии, т.е. не более 100 мкс.

886699 сек

02 03

Фиг. 2

Составитель В. Чорба

Техред И.Верес Корректор M. Шароши

Редактор О. Кузнецова

Заказ 1338/3 Тираж 816

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4