Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого нагрева
Приведены основные результаты разработки и испытаний высоковольтного источника электропитания для электронно-лучевых пушек технологических установок. The basic results of development and tests of a high-voltage source of the power supplies for electron beam guns of technological installations are gi...
Saved in:
| Published in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Date: | 2010 |
| Main Authors: | , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2010
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96137 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого нагрева / В.В. Мартынов, Ю.П. Монжеран, А.Г. Можаровский, Б.Б. Лебедев, Г.Е. Смитюх, Н.В. Чайка, А.М. Иванов // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 2 (99). — С. 57-60. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96137 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Мартынов, В.В. Монжеран, Ю.П. Можаровский, А.Г. Лебедев, Б.Б. Смитюх, Г.Е. Чайка, Н.В. Иванов, А.М. 2016-03-11T18:08:31Z 2016-03-11T18:08:31Z 2010 Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого нагрева / В.В. Мартынов, Ю.П. Монжеран, А.Г. Можаровский, Б.Б. Лебедев, Г.Е. Смитюх, Н.В. Чайка, А.М. Иванов // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 2 (99). — С. 57-60. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96137 621.314 Приведены основные результаты разработки и испытаний высоковольтного источника электропитания для электронно-лучевых пушек технологических установок. The basic results of development and tests of a high-voltage source of the power supplies for electron beam guns of technological installations are given ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Информация Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого нагрева High-voltage power source for electron beam heating Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого нагрева |
| spellingShingle |
Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого нагрева Мартынов, В.В. Монжеран, Ю.П. Можаровский, А.Г. Лебедев, Б.Б. Смитюх, Г.Е. Чайка, Н.В. Иванов, А.М. Информация |
| title_short |
Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого нагрева |
| title_full |
Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого нагрева |
| title_fullStr |
Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого нагрева |
| title_full_unstemmed |
Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого нагрева |
| title_sort |
высоковольтный источник питания для электронно-лучевого нагрева |
| author |
Мартынов, В.В. Монжеран, Ю.П. Можаровский, А.Г. Лебедев, Б.Б. Смитюх, Г.Е. Чайка, Н.В. Иванов, А.М. |
| author_facet |
Мартынов, В.В. Монжеран, Ю.П. Можаровский, А.Г. Лебедев, Б.Б. Смитюх, Г.Е. Чайка, Н.В. Иванов, А.М. |
| topic |
Информация |
| topic_facet |
Информация |
| publishDate |
2010 |
| language |
Russian |
| container_title |
Современная электрометаллургия |
| publisher |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
High-voltage power source for electron beam heating |
| description |
Приведены основные результаты разработки и испытаний высоковольтного источника электропитания для электронно-лучевых пушек технологических установок.
The basic results of development and tests of a high-voltage source of the power supplies for electron beam guns of technological installations are given
|
| issn |
0233-7681 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96137 |
| citation_txt |
Высоковольтный источник питания для электронно-лучевого нагрева / В.В. Мартынов, Ю.П. Монжеран, А.Г. Можаровский, Б.Б. Лебедев, Г.Е. Смитюх, Н.В. Чайка, А.М. Иванов // Современная электрометаллургия. — 2010. — № 2 (99). — С. 57-60. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT martynovvv vysokovolʹtnyiistočnikpitaniâdlâélektronnolučevogonagreva AT monžeranûp vysokovolʹtnyiistočnikpitaniâdlâélektronnolučevogonagreva AT možarovskiiag vysokovolʹtnyiistočnikpitaniâdlâélektronnolučevogonagreva AT lebedevbb vysokovolʹtnyiistočnikpitaniâdlâélektronnolučevogonagreva AT smitûhge vysokovolʹtnyiistočnikpitaniâdlâélektronnolučevogonagreva AT čaikanv vysokovolʹtnyiistočnikpitaniâdlâélektronnolučevogonagreva AT ivanovam vysokovolʹtnyiistočnikpitaniâdlâélektronnolučevogonagreva AT martynovvv highvoltagepowersourceforelectronbeamheating AT monžeranûp highvoltagepowersourceforelectronbeamheating AT možarovskiiag highvoltagepowersourceforelectronbeamheating AT lebedevbb highvoltagepowersourceforelectronbeamheating AT smitûhge highvoltagepowersourceforelectronbeamheating AT čaikanv highvoltagepowersourceforelectronbeamheating AT ivanovam highvoltagepowersourceforelectronbeamheating |
| first_indexed |
2025-11-25T01:05:06Z |
| last_indexed |
2025-11-25T01:05:06Z |
| _version_ |
1850503360920158208 |
| fulltext |
УДК 621.314
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОГО НАГРЕВА
В. В. Мартынов, Ю. П. Монжеран, А. Г. Можаровский,
Б. Б. Лебедев, Г. Е. Смитюх,
Н. В. Чайка, А. М. Иванов
Приведены основные результаты разработки и испытаний высоковольтного источника электропитания для элект-
ронно-лучевых пушек технологических установок.
The basic results of development and tests of a high-voltage source of the power supplies for electron beam guns of
technological installations are given
Ключ е вы е с л о в а : высокочастотный преобразова-
тель; высоковольтный источник питания; многофазный ин-
вертор; трансформаторно-выпрямительный модуль; элект-
ронно-лучевая пушка; высоковольтные пробои; накопленная
энергия
При использовании в промышленности современ-
ных электротехнологий, в которых применяют
электронно-лучевые, плазменные, дуговые, лазер-
ные и другие способы обработки материалов, воз-
никает потребность в создании специализирован-
ных источников электропитания. Кроме обычных
требований по регулированию и стабилизации вы-
ходного напряжения или тока, к ним предъявляют-
ся специфические, отражающие свойства электро-
технологических установок (обеспечение непре-
рывности технологического процесса при возник-
новении пробоев в вакуумной камере или в элект-
ронной пушке, приводящих к короткому замыка-
нию выхода высоковольтного источника; поддер-
жание режима тлеющего разряда без перехода его
в дуговой разряд; ограничение уровня выходного тока
при динамических возмущениях в нагрузке и т. п.).
Источник электропитания должен обеспечивать эф-
фективную работу установки в режимах от холостого
хода до короткого замыкания и при этом отличаться
хорошими динамическими характеристиками.
Применение устройств силовой электроники, ра-
ботающих на частоте промышленной сети, для целей
электротехнологии зачастую не позволяет реализовы-
вать все преимущества новых технологических про-
цессов и ограничивает их производительность.
Мощность современных электронно-лучевых
пушек превышает сотни киловатт при напряжении
на нагрузке в несколько десятков киловольт. Осо-
бенностью работы электронно-лучевых пушек яв-
ляется наличие периодических пробоев, поэтому
при больших мощностях требуются минимизация
запаса энергии в системе электропитания и быстро-
действующее ограничение уровня выходного тока
высокого напряжения.
Эти требования вступают в противоречие с по-
казателями качества электроэнергии, в частности
по уровню пульсаций выходного напряжения, ко-
торый традиционно обеспечивается применением
энергоемких электрических фильтров.
В таких устройствах пробои в цепях пушки при-
водят к мгновенному разряду емкости фильтра, что
является одной из причин возникновения сверхто-
ков разряда, многократно превышающих рабочий
ток и приводящих к возникновению дефектов в из-
делии и на поверхности катода. Наличие большой
индуктивности в выходной цепи источника способ-
ствует улучшению условий перехода кратковремен-
ных импульсных пробоев в длительные дуговые, что
приводит к повышению частоты дуговых разрядов.
Кроме того, при пробое напряжение может меняться
со значительной скоростью, что вызывает появле-
ние импульсных токов смещения, способствующих
сбою и даже выходу из строя электронных узлов.
Указанным требованиям к качеству электро-
энергии при наличии нестационарных пробоев меж-
© В. В. МАРТЫНОВ, Ю. П. МОНЖЕРАН, А. Г. МОЖАРОВСКИЙ, Б. Б. ЛЕБЕДЕВ, Г. Е. СМИТЮХ,
Н. В. ЧАЙКА, А. М. ИВАНОВ, 2010
57
ду электродами пушки удовлетворяет специализи-
рованный высоковольтный источник питания
«ДЖЕН 30-15», предназначенный для питания
электронно-лучевых пушек с «холодным катодом»
[1]. Он разработан в Институте электродинамики
Национальной Академии наук Украины по техни-
ческому заданию специалистов международной
компании «Антарес».
В высоковольтных источниках питания этого ти-
па преобразование электроэнергии происходит на
частоте 20 кГц. В качестве переключающих элемен-
тов использованы транзисторы IGBT [2]. Примене-
ние модульного принципа позволило равномерно
распределять электрические и тепловые нагрузки
между узлами конструкции и тем самым снижать
плотность энергии тепловыделения, упростить кон-
струкцию преобразователя. Благодаря синхронно-
му несинфазному управлению токи отдельных мо-
дулей смещены во времени, что обеспечивает улуч-
шение параметров электроэнергии как на входе, так
и на выходе источника питания.
Одновременное использование синхронного не-
синфазного управления и высокочастотного преоб-
разования энергии дало возможность, с одной сто-
роны, существенно уменьшить выходную емкость
источников питания, а в некоторых случаях, и от-
казаться от использования конденсаторов фильтра
на стороне высокого напряжения, с другой, – ре-
ализовать быстродействие отработки сигналов управ-
ления источником питания, добиться оптимальных пе-
реходных процессов при возмущениях в нагрузке.
Основными узлами высоковольтного источника
питания являются модульный инвертор и трансфор-
маторно-выпрямительный модуль (ТВМ). Струк-
турная схема высоковольтного источника питания
представляет собой последовательное соединение
силового выпрямителя с емкостным фильтром, мо-
дульного инвертора и ТВМ.
Модульный инвертор – это многофазный регу-
лируемый высокочастотный инвертор с импульсной
модуляцией, формирующий на выходе двухполяр-
ные импульсы напряжения прямоугольной формы,
которые в ТВМ трансформируются до необходимо-
го уровня высокопотенциальными обмотками высо-
кочастотного трансформатора и выпрямляются
многокаскадным выпрямителем. Для снижения
скачков потребляемого тока при подключении уст-
ройства к питающей сети в силовом выпрямителе
реализована функция плавного заряда входного ем-
костного фильтра.
Регулирование и стабилизация высокого напря-
жения источника при колебаниях тока нагрузки и
напряжения питающей сети осуществляются путем
соответствующего изменения относительной дли-
тельности импульсов управления транзисторами
инвертора.
В источнике устранено техническое противоре-
чие между требованием высокого качества выход-
ной электроэнергии и количеством запасаемой
энергии, накапливаемой в выходных цепях, за счет
выполнения высокочастотной преобразовательной
части устройства в виде многофазной схемы, в ко-
торой инверторная часть представляет собой группу
полумостовых инверторов с токоограничивающими
дросселями на выходе.
При выключении инвертора энергия, запасенная
в дросселях, возвращается в конденсаторы фильтра
силового выпрямителя, минуя первичную цепь
ТВМ, что позволяет осуществлять быстрое отклю-
чение высокого напряжения от нагрузки и мгновен-
ное ограничение тока при любых перегрузках.
Высоковольтный источник питания может рабо-
тать в одном из двух режимов стабилизации: вы-
ходного напряжения или выходного тока. Стаби-
лизация выходного напряжения – это основной
режим работы системы управления, когда выход-
ной ток изменяется в диапазоне от 0 до 15 А.
При обнаружении дугового разряда или возник-
новении условий, которые можно трактовать как
начало дугового разряда, система управления пере-
ходит в режим ограничения тока. Это позволяет в
случае пробоя в электронно-лучевой пушке предот-
вращать развитие дугового разряда.
Если ток нагрузки не уменьшается в течение не-
которого времени, система управления отключает
источник питания на время от 0,2 до 100 мс и затем
вновь возвращает его в основной режим работы.
Прекращение разряда приводит к уменьшению
тока нагрузки, и система управления вновь возвра-
щает источник питания в основной режим рабо-
ты – стабилизацию выходного напряжения. Такой
алгоритм обеспечивает стабильную работу высоко-
вольтного источника питания при пробоях в элек-
тронной пушке.
ТВМ обеспечивает эффективную передачу
энергии в выходную цепь источника питания и галь-
ваническую развязку на уровне 50 кВ высоковоль-
тных и низковольтных цепей. Малые габариты
трансформаторно-выпрямительного модуля, высо-
кая электрическая прочность его высоковольтной
изоляции и эффективный отвод тепла от тепловы-
деляющих элементов обеспечены за счет примене-
ния специальной конструкции ТВМ и жидкого синте-
тического диэлектрика.
Разработанный ТВМ характеризуется высокой
эффективностью, удовлетворяет требованиям к ка-
честву выходной энергии при «сбросах—набросах»
нагрузки, отличается стойкостью к коммутационным
перенапряжениям и пробоям.
В источнике питания для электронно-лучевого
нагрева «ДЖЕН 30-15» реализованы следующие
функции:
стабилизация высокого напряжения (осущест-
вляется по многоконтурной схеме с обратными свя-
зями по току модулей инвертора, току нагрузки,
выходному напряжению и др.);
максимальная токовая защита (ограничение то-
ков через переключающие элементы инвертора на
допустимом уровне);
58
автоматический повторный пуск – прерывание
выходного тока инвертора на определенное время,
достаточное для разрушения дугового разряда в
случаях, когда возникают пробои или короткое за-
мыкание, длительность которых превышает задан-
ное значение.
В высоковольтном источнике питания использо-
вано микропроцессорное управление с применени-
ем современных цифровых сигнальных процессо-
ров, реализующее гибкий алгоритм управления ис-
точником в различных режимах работы, что позво-
ляет согласовывать работу системы электропитания
с центральным компьютерным управлением и обес-
печивает непрерывность технологического процесса.
Высоковольтные источники питания «ДЖЕН
30-15» компактны, конструктивно просты и могут
быть установлены рядом с электронно-лучевой ус-
тановкой, что положительно отражается на качестве
переходных процессов при пробое в пушке и поз-
воляет сократить расходы при строительстве элек-
тронно-лучевой установки.
Основные технические параметры источника питания
«ДЖЕН 30-15»
Выходное напряжение, кВ .................... 0… 30
Максимальный выходной ток, А............ 15
Уровень ограничения выходного тока..... 130 %
максимального
значения.
На этапе испытаний изучали динамические ха-
рактеристики высоковольтного источника питания
«ДЖЕН 30-15» в режимах высоковольтных пробо-
ев [3] по схеме, приведенной на рис. 1, при помощи
вспомогательного устройства – эквивалента раз-
рядной нагрузки, позволяющего имитировать вы-
соковольтные пробои. В нем последовательно сое-
динены воздушный разрядник D с балластным ре-
зистором Rb. Разрядник имеет конфигурацию элек-
тродов типа игла—плоскость и регулируемое рассто-
яние между ними в пределах 5…35 мм. Балластное
сопротивление Rb представляет собой набор резис-
торов. Для измерения тока пробоя Id последова-
тельно с эквивалентом разрядной нагрузки включен
резистор Rid = 0,1 Ом. Выход источника соединен
с высокопотенциальным электродом разрядника че-
рез высоковольтный кабель типа КВЭЛ-60 и высо-
ковольтный дроссель индуктивностью Ldr. Часть
испытаний проводили при сопротивлении нагрузки
Rload, подключенным непосредственно к выходу
высоковольтного источника.
При имитации пробоев в нагрузке высоковольт-
ного источника расстояние между электродами раз-
рядника D устанавливали так, чтобы пробой прои-
зошел при заданном выходном напряжении
«ДЖЕН 30-15». Измеряемые токи и напряжения
регистрировали цифровым запоминающим осцил-
лографом типа GDS-806S. Характер динамических
процессов на выходе высоковольтного источника
питания в двух реализациях высоковольтного про-
боя по схеме рис. 1 представлен на рис. 2.
На рис. 2, а показаны переходные процессы на
выходе источника Uн (верхняя кривая) и тока Iн
через разрядник D в режиме холостого хода источ-
ника (Rload = ∞). В начальный момент времени t = 0
выходное напряжение Uн плавно нарастает до ус-
тановленного значения, затем начинается коронный
разряд (появляются характерные всплески на вер-
шине кривой Uн), который в момент времени t =
= 220 мкс переходит в дуговой разряд, и в разряд-
нике D наступает пробой.
Выходное напряжение падает до нуля. Корот-
кий импульс тока разряда Iн на этой начальной
стадии пробоя (рис. 2, а) обусловлен разрядом пара-
зитных емкостей высоковольтных цепей источника,
высоковольтного дросселя Ldr и схемы испытаний.
Рис. 1. Схема исследования влияния высоковольтных пробоев
на динамические характеристики источника электропитания от
трехфазной сети переменного тока
Рис. 2. Пробои в схеме рис. 1 при работе источника в режиме холостого хода (а) и в режиме рабочих токов нагрузки (б)
59
Напряжение на выходе остается равным нулю,
а ток разряда Iн плавно нарастает до заранее вы-
бранного тока ограничения, а затем быстро падает
при включении паузы. Всплески амплитуды тока
разряда на этом интервале связаны с частотой ком-
мутации транзисторов инверторов. Процесс пробоя
заканчивается, ток разряда Iн падает до нуля, вы-
ходное напряжение увеличивается, источник про-
должает работу.
На рис. 2, б представлены переходные процессы
при работе источника в режиме рабочих токов. В
исходном состоянии, на интервале времени от нуля
до 1 мс, источник работает в режиме стабилизации
выходного напряжения Uн (верхняя кривая), а вы-
ходной ток Iн (нижняя кривая в инверсной поляр-
ности) равен току через резистор Rload. В момент
времени t = 1 мс начинается пробой, сопротивление
нагрузки Rload шунтируется цепью короткозамк-
нутого разрядника D и соединенного с ним балласт-
ного резистора Rb. При этом ток Iн равен сумме
токов через резисторы Rload и Rb. Напряжение Uн
падает, а в выходном токе появляется короткий им-
пульс тока разряда паразитных емкостей, по окон-
чании которого в источнике начинается этап стаби-
лизации тока в дуговом промежутке разрядника и
последующий выход на беcтоковую паузу.
Таким образом, при пробоях в нагрузке система
управления источника «ДЖЕН 30-15» переходит в
режим автоматического повторного включения, при
котором принудительно ограничивается выходной
ток, исключая тем самым условия для перехода иск-
рового разряда в дуговой. По истечении определен-
ного времени система управления выключает источ-
ник питания, удерживает заданную временную па-
узу для полного прекращения дугового разряда,
после чего выполняется автоматическое повторное
включение источника питания. Такой режим пов-
торяется циклически.
Проведенные испытания показали, что система
управления вместе с модульным инвертором обес-
печивает регулирование и стабилизацию выходного
напряжения с плавным выходом на установившиеся
значения. Экспериментально подтверждено, что ре-
ализованные в источнике питания «ДЖЕН 30-15»
способы высокочастотного преобразования элект-
роэнергии и активного ограничения токов нагрузки
во время пробоев обеспечивают эффективное прек-
ращение дуговых разрядов, способствуют повыше-
нию производительности и качества технологичес-
кого процесса.
1. Пат. 29547 Украина, МПК В 23 К 15/00, Н02М 7/515.
Устройство электропитания электронно-лучевой установ-
ки / В. В. Мартынов, Н. С. Комаров. – Опубл.
15.11.2000; Бюл. № 6.
2. Дослідження та розробка напівпровідниково-трансформа-
торних перетворювачів для живлення електротехно-
логічного обладнання / К. О. Липківський, В. В. Мартинов,
Ю. В. Руденко та ін. // Інститут електродинаміки НАН
України: Зб. наук. праць. – Київ: ІЕД НАНУ. –
2009. – Вип. 23. – С. 72—82.
3. Шидловская Н. А., Мартынов В. В. Согласование высо-
ковольтного источника питания с электронно-лучевой ус-
тановкой // Технічна електродинаміка. – 2010. – №1. –
С. 73—79.
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
МК «Антарес», Київ
Поступила 13.05.2010
Международная конференция
«Тi-2010 В СНГ»
16—19 мая 2010 г. в г. Екатеринбурге (Россия) сос-
тоялась организованная межгосударственной ассо-
циацией «Титан» традиционная ежегодная между-
народная конференция «Титан в СНГ». В конфе-
ренции приняли участие более 230 участников из
России, Украины, Казахстана, Таджикистана, Ки-
тая, Германии, Франции, Италии, Японии, Люк-
сембурга, Польши и других промышленно разви-
тых стран. На конференции выступили с докладами
ученые и специалисты в области титана из ведущих
научно-исследовательских организаций и промыш-
ленных предприятий России и Украины (ФГУП
ЦНИИ КМ «Прометей», ФГУП «Всероссийский ин-
ститут авиационных материалов», ОАО «Всероссий-
ский институт легких сплавов», ГОУ ВПО «Ураль-
ский государственный технический университет –
УПИ имени первого Президента России Б. Н. Ель-
цина», «МАТИ» – Российского государственного
технологического университета им. К. Э. Циолковс-
кого, Института проблем сверхпластичности метал-
лов РАН, Института структурной макрокинетики
и проблем материаловедения РАН, ОАО «Корпо-
рация «ВСМПО-АВИСМА», ФГУП «Гиредмет»,
ОАО «Уралредмет», ОО «ОКБ Сухого», ОАО
«Электромеханика», ОАО «Калужский турбинный за-
вод», Института электросварки им. Е. О. Патона НАН
Украины, Института металлофизики им. Г. В. Кур-
дюмова НАН Украины, Института проблем мате-
риаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украи-
ны, Донецкого физико-технического института
им. О. А. Галкина НАН Украины, Государственно-
го научно-исследовательского и проектного Инсти-
тута титана, ГП «Антонов» и др.). Всего представ-
лено более 90 докладов на секциях «Сырье. Метал-
лургия» и «Металловедение и технологии титано-
вых сплавов». Кроме того, проведены заседания
дискуссионного клуба «Современные особенности
мирового рынка титана» и тематического семинара
«Плавка титана».
60
|