Т. И. Павлова, И. Т. Серенное, И, В. Черняев
Высоковольтные выпрямители на напряжение от десятков до сотен киловольт средней мощности широко применяются в качестве источников питания ускорителей заряженных частиц и другой электрофизической аппаратуры. Требования к их выходным параметрам очень разнообразны. Поэтому практически каждый раз при проектировании указанных устройств возникает задача создания специального высоковольтного выпрямителя.
В данной статье описан выпрямитель на 250 кВ, 5 мА, разработанный на кафедре ТВН ЛПИ для проведения физических исследований, рассмотрены конструктивные особенности отдельных его элементов. Отличительные параметры выпрямителя: диапазон регулирования выходного напряжения Uвых от 10 до 250 кВ, уровень пульсации не более ±0,1%, допустимая нестабильность Uвых не выше 1013 во всем диапазоне регулирования.
Для получения высокого выпрямленного напряжения применена четырехкаскадная мостовая схема умножения (рис. 1).
Рис. 1. Блок-схема высоковольтного выпрямителя
Высоковольтные вентили и конденсаторы каждого моста рассчитаны на 75 кВ, что позволяет иметь в режиме холостого хода Uвых = 300 кВ. Допустимый уровень пульсации Uвых обеспечивается применением конденсаторов Сф с достаточной емкостью, повышением частоты питающего напряжения, подключением к выходу выпрямителя дополнительного RС-фильтра
(Rф, Сф1).
Для питания схемы умножения разработан преобразователь на 1000 Гц, состоящий из трехфазного управляемого выпрямителя УВ на тиристорах Т-50 со схемой управления, СУВ, выходного фильтра Ф на транзисторах ГТ806Д и автономного инвертора АИ на тиристорах ТЧ-80.
Система стабилизации выпрямителя имеет два кольца обратной связи. Первое кольцо поддерживает постоянство Uвых при колебаниях тока нагрузки. Датчиком устройства обратной связи этого кольца служит высоковольтный делитель R. Сигнал с R сравнивается с опорным напряжением Uon, сигнал рассогласования с выхода усилителя постоянного тока УПТв воздействует на схему управления частотой СУАИ. Стабилизация Uвых производится за счет резонансных характеристик высоковольтного трансформатора ВТр путем изменения частоты питающего напряжения.
Трансформатор обладает значительной паразитной емкостью обмоток Сп, которая вместе с емкостями вентилей каскадной схемы составляет 380 пФ. На частоте 1000 Гц емкостный ток в несколько раз превышает полезный ток установки. Чтобы скомпенсировать паразитный емкостный ток, параллельно высоковольтной обмотке ВТр подключен реактор LK=40 Гн. Повышающий трансформатор с индуктивностью Lтр = 70 Гн, паразитная емкость Сп, регулировочная емкость Ср и индуктивность компенсирующего реактора L„ образуют цепь, обладающую двумя резонансными частотами:
где Lэ= LTpLK/(LTP + LK), Ск = Сп + Ср. На частоте f1 наблюдается минимум потребляемого тока (рис. 2) и коэффициент передачи трансформатора близок к его коэффициенту трансформации ктр = 180, определяемому отношением числа витков обмоток. На частоте U имеет место максимум потребляемого тока и кпер в 2,5—3 раза превышает ктр.
Установка имеет собственные частоты f1 = 950 Гц и f2 = 1190 Гц. Подключение компенсирующего реактора позволило решить две задачи: 1) снизить в несколько раз потребляемый, установкой ток; 2) построить систему стабилизации U вых, использовав его зависимость от частоты в окрестности f1. Кривые Uвыx(f) на рис. 2 иллюстрируют принцип стабилизации. В исходном состоянии Uвых= 0,28U при токе нагрузки
Рис. 2. Частотные характеристики повышающего трансформатора и высоковольтного выпрямителя
2 мА (точка 1) обеспечивается на частоте 975 Гц. При сбросе тока до нуля рабочая точка должна переместиться на верхнюю кривую в положение 2, что приведет к увеличению Uвых. Для сохранения его прежнего уровня схема стабилизации, воздействуя на СУАИ, уменьшает рабочую частоту до f = 950 Гц (точка 3).
Высокая стабильность достигается обеспечением в кольце обратной связи с УПТв на микросхеме К284УД1В коэффициента усиления порядка 1000 на частотах от нуля до 5 Гц, применением в источнике опорного напряжения Uов параметрического стабилизатора на диодах Д818Г с малым выходным сопротивлением и низким ТКН, использованием в качестве датчика прецизионного делителя R. Частотные характеристики кольца корректируются емкостным делителем (см. рис. 1), образованным конденсаторами Сф1, С1 — С3 (СФ1 = 0,0124 мкФ; С1 = 0,12 мкФ; С2 = 40 мкФ; С3 = 4 мкФ; Ry1= 5 МОм; Ry2= 1 МОм).
Второе кольцо стабилизации, содержащее делитель R3 — R4, усилитель УПТН и УВ как регулирующий элемент, предназначено для поддержания Uвых при колебаниях напряжения питающей сети 380 В.
Для установки были спроектированы и изготовлены специальные высоковольтные вентили, конденсаторы, делители напряжения и трансформатор. Высоковольтные вентили мостов рассчитаны на напряжение 75 кВ, 5 мА и собраны из диодов КЦ105Д. Каждый вентиль состоит из 10 диодов, включенных последовательно. Конструктивно вентили Д1 — Д8 и Д9 — Д16 собраны в две колонны. Для равномерного распределения напряжения по цепочке каждый диод зашунтирован конденсатором КВИ-3-470 нФ, 16 кВ. Диоды и конденсаторы смонтированы на изоляционных стойках. В бакелитовые цилиндры диаметром 110 мм и высотой 1000 мм помещены по четыре вентиля. Выводы с них подключены к наружным стальным кольцам и концевым фланцам. Кольца и фланцы защищены от коронирования экранами. Вентили залиты парафином.
Защитные резисторы R1 и R2 из ТВО-60-2 кОм предназначены для ограничения тока перегрузки через вентили в аварийных режимах.
Конденсаторы Сф и Ссв схемы умножения имеют емкость 0,12 мкФ, 75 кВ. Конденсаторы размещены в бакелитовых цилиндрах диаметром 330 мм и залиты конденсаторным маслом. Конденсаторы связи собраны в двух цилиндрах высотой 1500 мм, а фильтровые помещены в два цилиндра по 1000 мм и монтируются в одну колонну.
Прецизионный делитель, рассчитанный на 300 кВ, выполнен из 600 высокостабильных резисторов С2-14-988 кОм. Суммарное сопротивление делителя 588 МОм.
Для измерения выходного напряжения выпрямителя предназначен высоковольтный делитель RH = 288 МОм, 300 кВ, который собран из резисторов МЛТ-2-1 МОм. Резисторы делителей смонтированы на стойках из оргстекла и защищены от коронирования кольцами. Оба делителя помещены в фарфоровую покрышку высотой 1100 мм с внутренним диаметром 210 мм, заполненную элегазом при избыточном давлении 0,5 атм. Для устранения влияния токов утечки на коэффициент деления прецизионного делителя более грубый делитель размещен ближе к стенкам покрышки, а Rв — в ее центре. Распределение напряжения по экранным кольцам задано наружным делителем. Высоковольтные концы делителей подсоединены к верхнему стальному фланцу покрышки, а низковольтные выведены наружу раздельно через нижний фланец из оргстекла.
Высоковольтный трансформатор рассчитан на напряжение 58 кВ. При его проектировании и изготовлении использованы магнитопровод и бак измерительного трансформатора напряжения НОМ-35. Магнитопровод имеет сечение стали 33,6 см2. С учетом повышенной частоты выбрана индукция 0,13 Тл. Первичная обмотка имеет 200 витков. Вторичная обмотка разделена на четыре секции, выполнена из провода d = 0,2 мм и содержит 36-103 витков.
Компенсирующий реактор на 58 кВ содержит четыре катушки, соединенные последовательно. В каждой катушке 9000 витков. Реактор помещен в фарфоровую покрышку высотой 350 мм, заполненную трансформаторным маслом.
Для защиты выпрямителя при коротких замыканиях в нагрузке на его выходе установлен защитный резистор Rзащ. Резистор рассчитан на 600 кВ и имеет сопротивление 770 Ом. Он выполнен на асбоцементной трубе диаметром 120 мм. В винтовую канавку на поверхности трубы с шагом 6 мм уложены 128 витков нихромового провода. Длина резистора 800 мм. На его концах установлены алюминиевые экраны.
Выводы
- Эксплуатация выпрямителя в течение пяти лет показала, что обеспечивается регулирование напряжения от 10 до 250 кВ с пульсацией не более ±0,1% при токе нагрузки до 5 мА.
- На протяжении рабочего дня при повторных включениях, толчках тока нагрузки от 1 до 5 мА система стабилизации удерживает выбранный уровень напряжения от 10 до 250 кВ с погрешностью не более 0,1%.
- Установка допускает неоднократные короткие замыкания в нагрузке при номинальном выходном напряжении.
