Статьи о высоковольтных источниках питания. Высоковольтные источники питания для электростатических применений: принципы работы, характеристики и области применения — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как устроены современные высоковольтные источники питания. Какие ключевые компоненты входят в их состав. Каковы основные характеристики и параметры высоковольтных источников. Где применяются высоковольтные источники питания в промышленности и науке. Какие дополнительные функции могут иметь высоковольтные источники питания.

Содержание

Принцип работы высоковольтного источника питания

Высоковольтный источник питания — это ключевой компонент электростатического оборудования. Его основная задача — преобразование низкого входного напряжения в высокое выходное напряжение с заданными параметрами. Рассмотрим основные элементы, входящие в состав типичного высоковольтного источника питания:

Входной фильтр — обрабатывает входной сигнал, выпрямляет и фильтрует его
Инвертор — преобразует постоянный ток в высокочастотный переменный
Высоковольтный трансформатор — повышает напряжение до требуемого уровня
Умножитель напряжения — выпрямляет и умножает высокое напряжение
Цепи управления — обеспечивают стабилизацию и регулировку выходных параметров

Какие преимущества дает такая архитектура высоковольтного источника питания? Применение высокочастотного инвертора позволяет уменьшить габариты трансформатора и накопительных конденсаторов. А использование умножителя напряжения дает возможность получить очень высокие значения выходного напряжения.

Ключевые характеристики высоковольтных источников питания

При выборе высоковольтного источника питания необходимо обращать внимание на следующие основные параметры:

Диапазон выходного напряжения — от единиц киловольт до сотен киловольт
Максимальный выходной ток — от микроампер до десятков миллиампер
Выходная мощность — от единиц ватт до киловатт
Стабильность выходного напряжения — обычно не хуже 0.1%
Уровень пульсаций — как правило, менее 0.1% от выходного напряжения
Диапазон регулировки напряжения и тока

Высокая стабильность и малый уровень пульсаций критически важны во многих применениях. От этих параметров напрямую зависит точность работы электростатического оборудования. Как обеспечить высокую стабильность выходного напряжения?

Методы стабилизации высокого напряжения

Для достижения высокой стабильности выходного напряжения в современных высоковольтных источниках питания применяются следующие методы:

Использование прецизионных опорных источников напряжения
Применение высококачественных аналоговых компонентов (операционных усилителей, АЦП, ЦАП)
Оптимизация высоковольтного делителя в цепи обратной связи
Экранирование и подавление помех
Термостабилизация ключевых компонентов

Особое внимание уделяется высоковольтному делителю, который понижает выходное напряжение до уровня, приемлемого для работы цепей управления. Применяются специальные высокоомные резисторы с низким температурным коэффициентом сопротивления. Почему это так важно?

Области применения высоковольтных источников питания

Высоковольтные источники питания широко применяются в различных областях науки и промышленности:

Электронная микроскопия
Масс-спектрометрия
Рентгеновские установки
Электростатические фильтры и сепараторы
Ускорители заряженных частиц
Электростатическое напыление
Озонаторы

В каждом из этих применений к высоковольтному источнику питания предъявляются свои специфические требования. Например, для электронных микроскопов критически важна высокая стабильность напряжения. А в установках электростатического напыления требуется возможность быстрого изменения выходного напряжения. Как обеспечить выполнение этих требований?

Дополнительные функции высоковольтных источников питания

Современные высоковольтные источники питания часто оснащаются дополнительными функциями, расширяющими их возможности:

Защита от дуговых разрядов
Ограничение тока короткого замыкания
Программируемые профили напряжения
Дистанционное управление
Интерфейсы для подключения к компьютеру

Функция защиты от дуговых разрядов позволяет быстро отключать высокое напряжение при возникновении пробоя. Это предотвращает повреждение дорогостоящего оборудования. Как работает эта функция?

Особенности конструкции высоковольтных источников питания

При разработке высоковольтных источников питания необходимо учитывать ряд важных аспектов:

Изоляция высоковольтных компонентов
Экранирование от электромагнитных помех
Отвод тепла от силовых элементов
Обеспечение безопасности персонала
Компактность и удобство монтажа

Для изоляции высоковольтных узлов применяются специальные диэлектрические материалы — трансформаторное масло, элегаз, эпоксидные компаунды. Почему нельзя использовать обычные изоляционные материалы?

Тенденции развития высоковольтных источников питания

В последние годы наблюдаются следующие тенденции в развитии высоковольтных источников питания:

Повышение удельной мощности
Улучшение массогабаритных показателей
Расширение функциональных возможностей
Повышение КПД
Снижение уровня электромагнитных помех

Применение новых полупроводниковых приборов и магнитных материалов позволяет создавать все более компактные и эффективные высоковольтные источники питания. Какие преимущества это дает пользователям?

Заключение

Высоковольтные источники питания играют ключевую роль в работе электростатического оборудования. Современные модели обеспечивают высокую стабильность выходного напряжения, малый уровень пульсаций и широкие функциональные возможности. При выборе высоковольтного источника питания необходимо тщательно анализировать требования конкретного применения и характеристики доступных на рынке моделей.

High Voltage Power Supplies for Electrostatic Applications

Автор: CLIFF SCAPELLATI

Аннотация

Высоковольтный источник питания – основной компонент электростатической аппаратуры. Разнообразны варианты их использования в промышленных и научных целях, представляющие интерес для инженеров, ученых и заказчиков аппаратуры. Так, в промышленных процессах требуется интенсивный контроль технологических условий в целях получения максимального выхода продукта, повышения качества и снижения себестоимости. Последние достижения в технологии высоковольтных источников позволяют обеспечить более высокие уровни контроля и управления процессами. Качество научных экспериментов также зависит от используемых в них источников питания. В настоящей статье обсуждаются такие влияющие факторы, как погрешность выхода, стабильность, пульсации и методы стабилизации источников питания.

I. Введение

Высокое напряжение повсеместно используется в научной и промышленной сферах. Например, электростатическое оборудование применяются в различных процессах. Электростатика, в широком понимании, занимается явлениями, связанными с электрическими зарядами и полями. Электростатика может использоваться для приведения материалов в движение без механического контакта, разделения материалов на составляющие вплоть до элементарного уровня, для образования однородных смесей и других практических и научных задач. Согласно определению, для того, чтобы произвести работу в электрическом поле, необходимо наличие разности потенциалов между двумя или несколькими объектами. В большинстве случаев эта энергия черпается от высоковольтного источника питания. Современный высоковольтный источник – это прибор, основанный на полупроводниковой и высокочастотной технологиях, с такими характеристиками, которые казались недостижимыми всего несколько лет назад. Существенное продвижение было достигнуто по таким показателям, как надежность, стабильность, управляемость, снижение габаритов и стоимости, повышение безопасности.

Пользователь, осведомленный об этих достижениях, оказывается в выигрышном положении. К этим сведениям следует также добавить и понимание особенностей высоковольтного источника, оказывающих влияние на аппаратуру, экспериментальные исследования, технологические процессы и изделия.

II. Основы работы высоковольтного источника питания

Упрощенная принципиальная схема высоковольтного источника приведена на рис. 1.

ходное напряжение может меняться в широком диапазоне. Входной сигнал переменного тока может иметь частоту от 50 до 400 Гц напряжение от 24 до 480 В. Входное напряжение постоянного тока может меняться от 5 до 300 В. Пользователю важно уяснить, в какой степени параметры входного напряжения будут влиять на всю работу всей системы, и, следовательно, на ее конфигурацию. Следует иметь в виду, что органы регулирования и надзора, например, Underwriters Laboratory, Canadian Standards Association, IEC и другие проводят активную работу с системами, подключенными к энергетическим сетям.

Помимо функции питания главного инвертера источника питания, входное напряжение используется и для питания дополнительных управляющих цепей, и других целей.

На входе имеется фильтрующий каскад, который обеспечивает обработку входного сигнала, обычно в форме его выпрямления и фильтрации по переменному току и дополнительной фильтрации по постоянному току. Здесь же могут находиться цепи защиты от перегрузки, подавления радиопомех, электромагнитной совместимости (ЭМС) и регулирования. Выходом фильтра обычно является напряжение постоянного тока, которое подается на инвертер, преобразующий постоянный ток в высокочастотный сигнал переменного тока. Существует множество различных схем инвертеров, однако, наилучшее решение определяется всего несколькими свойствами, которыми должен обладать высоковольтный источник.

Высокочастотный сигнал с инвертера обычно подается на повышающий высоковольтный трансформатор. Применение высокочастотного сигнала позволяет добиться высоких технических характеристик при одновременном снижении размеров магнитопроводов и накопительных конденсаторов. Однако при подключении трансформатора с высоким передаточным числом к высокочастотному инвертеру возникает проблема: внесение паразитной емкости в первичную обмотку трансформатора с коэффициентом (Nвтор/Nперв)2. Это значительная емкость, и ее необходимо изолировать от ключевых устройств инвертера, в противном случае в нем появятся аномально высокие импульсные токи.

Другая особенность, характерная для высоковольтных источников – широкий диапазон нагрузок. Частыми спутниками высокого напряжения являются пробои изоляции (образование дуги). В этой связи надежность инвертера должна быть достаточно высокой с точки зрения любых возможных сочетаний открытой и короткозамкнутой цепи, а также состояний нагрузки. Все эти вопросы, включая также надежность и стоимость, должны решаться в рамках топологии инвертера высоковольтного источника питания.

Высокочастотный выходной сигнал инвертера подается в первичную обмотку высоковольтного повышающего трансформатора. Для создания качественного трансформатора требуется глубокая теоретическая и практическая проработка, понимание конструкции магнитопровода, включая анализ материалов и электромагнитных процессов. В большинстве экспертных оценок за основу принимается большое число витков и высокое напряжение вторичной обмотки. Вследствие этих факторов геометрия сердечника, технология изоляции и намотки высоковольтных трансформаторов существенно отличаются от традиционных. Могут иметь значение и другие параметры: отношение вольт/число витков вторичной обмотки, коэффициент межслойного влияния и тангенс угла потерь изоляции, геометрия намотки в контексте ее влияния на паразитную емкость и утечку, послойная пропитка намотки изоляционным лаком, уровень коронирования и другие практически важные факторы, такие как запас по перегреву или полная стоимость.

Высоковольтный умножитель выполняет функции выпрямления и умножения напряжения вторичной обмотки трансформатора. В нем применяются высоковольтные диоды и конденсаторы, собранные по схеме удвоителей напряжения. Как и высоковольтный трансформатор, умножитель требует отдельной тщательной проработки. Помимо выпрямления и умножения высоковольтная цепь выполняет также функции фильтрации на выходе, контроля (слежения) значений напряжения и тока, которые подаются в цепи ОС. Необходимо обеспечить возможность принудительного повышения выходного импеданса в целях защиты накопительных конденсаторов от разрядных токов.

Высоковольтные элементы обычно изолируют от земли в целях предотвращения дугового разряда. В качестве изоляции используют различные материалы; наиболее распространенными являются воздух, SF6, трансформаторное масло, твердые герметики (клеи-герметики, эпоксидная смола и др.). Выбор материала изоляции и технологический контроль могут оказаться наиболее важными с точки зрения надежности высоковольтной схемы.

Цепи управления обеспечивают работу всех каскадов в едином комплексе. Степень сложности схемы управления может быть различной – от единственной аналоговой ИС до их большого числа, и даже микропроцессора, регулирующего и контролирующего все параметры высоковольтного выхода. Однако основные требования, которым должна удовлетворять любая цепь регулирования, сводятся к точной стабилизации выходного напряжения и тока в той степени, как это необходимо по условиям нагрузки, входной мощности и заданных установок. Наиболее эффективно это достигается с помощью контура обратной связи. На рис. 2 показано, каким образом обратная связь используется в стабилизации выхода источника питания. Традиционный способ заключается в отслеживании выходных значений напряжения и тока, и сравнении измеренных значений с опорными входными сигналами. Полученная разность (сигнал ошибки) двух сигналов (обратной связи и опорного значения) подается в управляющую цепи инвертера, что в конечном итоге обеспечивает регулирование (стабилизацию) выходной мощности.

Кроме тока и напряжения можно с достаточной точностью стабилизировать и другие параметры. Управление выходной мощностью легко реализуется с помощью функции X Ђ Y = Z, где V Ђ I = W и последующего ее сравнения с заданным опорным уровнем. Фактически любой параметр, подчиняющийся закону Ома, может быть подвергнут стабилизации – сопротивление, напряжение ток и мощность. Помимо этого, можно управлять и конечными переменными, которые зависят от параметров источника питания (интенсивность напыления, скорость потока и др. ).

III. Стабилизация высокого напряжения

Стабилизированный источник высокого напряжения и/или тока постоянной величины играет важнейшую роль в работе электростатической аппаратуры. Изменчивость выходного напряжения или тока оказывает непосредственное влияние на конечные результаты, и по этой причине ее следует рассматривать как источник ошибок. В высоковольтных источниках ошибки опорного напряжения, которое используется для задания требуемого выходного напряжения, могут быть устранены за счет применения стабилизированного опорного источника на основе ИС. В типовых условиях стабильность должна быть не хуже 510-6/С. Соответственно, аналоговые ИС (ОУ, АЦП, ЦАП и др.) должны подвергаться тщательному отбору как <возможные> источники значительной погрешности.

В высоковольтных источниках имеется один принципиальный источник погрешности стабилизации – высоковольтный делитель напряжения в цепи обратной связи, представляющий собой резистивную цепочку (рис. 1), понижающую выходное напряжение до уровня, приемлемого для работы цепей управления (менее =10 В). Вследствие больших значений сопротивлений (обычно не менее 10 МОм, что необходимо для рассеяния мощности и снижения эффектов температурной изменчивости из-за самонагрева) и возникает проблема стабильности резисторов обратной связи. Сочетание высоковольтного напряжения и высокоомных сопротивлений потребовало специальной технологии изготовления резисторов, которые выполняются спаренными с низкоомными резисторами, чтобы позволяет поддерживать величину коэффициента деления при изменении температуры, напряжения, влажности и времени.

Высокоомные резисторы в цепи в ОС делают схему восприимчивой к малым токам наводки. Так, ток величиной 10-9 А может дать относительную ошибку порядка 10-4. По этой причине конструкция резистора и цепи ОС должна учитывать возможность возникновения коронного разряда. Кроме того, ввиду широкого применения в технологии резисторов керамических сердечников и подложек, необходимо учитывать и пьезоэлектрические эффекты. Можно показать, что вибрация в высоковольтном источнике питания может наводить на его выходе сигнал на частоте вибрации.

IV. Дополнительные возможности высоковольтного источника питания
Во многих высоковольтных приложениях могут потребоваться дополнительные функции по управлению обслуживаемого прибора. В этой связи разработчик должен представлять предназначение источника питания не хуже конечного пользователя; это поможет ему расширить функциональные возможности источника питания в интересах конечного результата.

Во многих высоковольтных приложениях могут потребоваться дополнительные функции по управлению обслуживаемого прибора. В этой связи разработчик должен представлять предназначение источника питания не хуже конечного пользователя; это поможет ему расширить функциональные возможности источника питания в интересах конечного результата.

E – напряжение на высоковольтном конденсаторе
R – выходное ограничивающее сопротивление, Ом

Ток дугового разряда, как правило, существенно превышает номинальный ток источника питания, поскольку ограничивающее сопротивление удерживается на минимальном значении, чтобы снизить потери на рассеяние мощности. Сразу после регистрации дуги могут включиться и другие функции. Так, функция гашения дуги («Arc Quench») определяет параметр прекращения дуги при снятии приложенного напряжения. Работа функции гашения показана на рис. 4.

Если отключение источника при первом же дуговом разряде нежелательно, в цепь можно добавить цифровой счетчик разрядов (рис. 5). Отключение или гашение производится после того, как будет зарегистрировано заданное количество разрядов. Можно также ввести время обнуления счетчика, чтобы избежать его накопления за счет редких дуговых разрядов. Например, можно считать фактом регистрации дугового разряда и прибегать к отключению только в том случае, если в течение одной минуты зарегистрировано 8 разрядов.

Одно из полезных применений схемы детектирования дуги – повышение выходного напряжения за счет установления его на уровне чуть ниже уровня разряда. Согласно этому методу, в момент детектирования дуги напряжение слегка понижается до значения, при котором дуга прекращается. Затем оно повышается автоматически в более медленном темпе (рис. 6)

Высоковольтные источники может выполнять также функции прецизионной цепи контроля тока, В стандартной аппаратуре такой контроль может быть прецизионным только уровне не ниже единиц миллиампер или микроампер. Однако в некоторых электростатических приборах может потребоваться точность не хуже 10-15 А, что может быть обеспечено с помощью цепи контроля (слежения) высокого напряжения. Необходимость такой функции пользователю следует указать при оформлении заказа.

V. Generating Constant Current Sources

Во многих областях электростатики требуется поддерживать постоянным ток коронного разряда. Это можно сделать несколькими оригинальными способами. Источник постоянного тока можно представить как источник, у которого импеданс много больше импеданса питаемой нагрузки (см. схему на рис. 7).

Из практических соображений ясно, что изменение сопротивления R2 оказывает пренебрежимо малое влияние на ток сопротивления R1. Поэтому через оба сопротивления –R1 и R2 – течет ток постоянной величины. В аппаратуре с единственным высоковольтным источником это можно реализовать двумя путями. Согласно первому, в схему вводится внешний резистор в качестве токостабилизирующего элемента. По второму способу вводится электронная цепь стабилизации с обратной связью (рис. 2).

В технике, где требуется много токовых выходов, применение нескольких источников питания может оказаться нерациональным. В этом случае представляется полезным применение ряда резисторов, образующих эквивалентное множество источников тока. Типовая область применения таких устройств – электростатическая обработка больших площадей (рис. 8).

Заключение

В статье рассмотрены различные варианты использования высоковольтных источников питания в электростатической аппаратуре. Высоковольтные источники имеют свойства, отличающие их от обычных источников питания. Разработчики должны быть интеллектуальной опорой пользователей электростатической аппаратуры. Высоковольтный источник питания может быть наделен эффективными средствами управления.

Следует также уделить серьезное внимание вопросам безопасности. Высокое напряжение может быть смертельно опасным, и начинающий пользователь должен быть обучен правилам безопасности. Основные правила по безопасности изложены в стандарте IEEE «Руководящие указания по безопасности при испытаниях высоковольтного и силового оборудования» (Recommended Practices for Safety in High Voltage and High Power Testing, IEEE standard 510-1983) [4].

Литература:

C. Scapellati, «High Voltage Power Supplies for Analytical Instrumentation», Pittsburgh Conference, March 1995.
D. Chambers and C. Scapellati , «How to Specify Today’s High Voltage Power Supplies», Electronic Products Magazine, March 1994.
D. Chambers and C. Scapellati, «New High Frequency, High Voltage Power Supplies for Microwave Heating Applications», Proceedings of the 29th Microwave Power Symposium, July 1994.
IEEE Standard 510-1983, IEEE Recommended Practices for Safety In High Voltage and High Power Testing.

Нажмите здесь для просмотра данной статьи в PDF.

Высоковольтные лабораторные источники питания | BETRONIK

В статье представлено описание высоковольтных лабораторных источников питания постоянного напряжения высокой стабильности в настольном исполнении и для монтажа в стойку стандарта Евромеханика.

Современный рынок высоковольтных AC/DC-преобразователей достаточно развит. На нем представлены источники питания (ИП) как настольного исполнения, так и высоковольтные блоки, монтируемые в стойку. Так же весьма широк диапазон выходных мощностей — от десятков ватт до нескольких тысяч киловатт. То же касается и выходного напряжения. Некоторые производители поставляют ИП до нескольких сотен киловольт.

Гораздо сложнее обстоят дела со стабильностью выходного напряжения. Наиболее широко представлены ИП с показателем стабильности выходного напряжения не лучше 0,1%. Правда, большинство производителей предлагают улучшить этот показатель, оговорив требуемое значение при заказе. Вот только стоимость такого «индивидуального» источника возрастает в полтора-два раза по сравнению с базовым вариантом.

Высоковольтные AC/DC-преобразователи таких именитых брендов, как UltraVolt или Glassman, обладают высокой стабильностью, но кроме стройств, выполняющих основную задачу, имеют в своем составе устройства, выполняющие дополнительные, зачастую необязательные и излишние функции, такие как управление и мониторинг с помощью ЭВМ, возможность беспроводного подключения и др. Эти опции являются большим подспорьем при работе высоковольтного ИП в стационарных условиях на ответственных объектах, где необходимо внедрение источника в глобальную инфраструктуру проекта. Но, думаю, нет необходимости говорить о том, что эти возможности делают стабильные и сверхнадежные AC/DC-преобразователи еще и очень дорогими. И чаще всего этот фактор является решающим для большинства малобюджетных задач и проектов.

По этой причине в июне 2014 г. команда инженеров компании Битроник (г. Саранск) разработала серию высоковольтных лабораторных ИП на основе высоковольтных модулей серии А производства компании UltraVolt с высокой стабильностью выходного напряжения, входящих в малую ценовую группу.

За основу базового варианта был выбран высоковольтный модуль 30A24-P15. Он позволяет получить на выходе постоянное регулируемое напряжение до 30 кВ. Мощность модуля 15 Вт, выходной ток до 500 мА. Для питания модуля требуется постоянное напряжение 24 В. Отличительной особенностью всех высоковольтных модулей производства этой фирмы является высокая стабильность выходных параметров. Так, при полной нагрузке двойной размах пульсации выходного напряжения составляет не более 0,039% от напряжения на выходе. Нагрузочная характеристика, то есть отклонение выходного напряжения при изменении нагрузки от холостого хода до номинального значения при максимальном выходном напряжении не превышает 0,01% в статическом режиме.

Все эти параметры были наследованы разработанным высоковольтным лабораторным ИП, которому было присвоено название БТНК15-30П. В этом названии буквенно-цифровое сочетание БТНК15 обозначает серию прибора, его тип, функциональные возможности, а также максимальную мощность. Следующая группа цифр и букв в названии информирует о максимальном напряжении в 30 кВ на выходе устройства, а также о том, что полярность этого напряжения относительно нулевого провода положительная. Электротехнические параметры высоковольтного лабораторного источника питания БТНК15 приведены в таблице. Кроме того, высоковольтный лабораторный источник БТНК выполнен в металлическом корпусе, имеет удобную систему управления и индикации и снабжен внутренним ИП для работы от однофазной сети переменного тока. А кроме всего прочего, БТНК позволяет организовать дистанционное управление источником по аналоговому интерфейсу.

Таблица. Электротехнические параметры высоковольтного лабораторного ИП БТНК15

Параметр	Значение
Напряжение питания, В	85–264
Частота питающей сети, Гц	50 ±10%
Максимальное выходное напряжение, кВ	30
Максимальный выходной ток, мкА	500
Выходная мощность, Вт	15
Двойной размах пульсации выходного напряжения при полной нагрузке, %	0,039
Отклонение выходного напряжения в статическом режиме при максимальном выходном напряжении, %	0,01
Отклонение выходного напряжения в динамическом режиме при максимальном выходном напряжении, В/мА	10
Нелинейность регулирования, %
Диапазон рабочих температур, °С	–20…+65

Как известно, одной из множества проблем работы с высоким напряжением является сложность выбора высоковольтных проводов для передачи высокого напряжения и разъемов к ним. ИП БТНК оснащен специализированным высоковольтным разъемом, расположенным на передней панели корпуса. В комплект входит высоковольтный кабель с ответной частью высоковольтного разъема, который обеспечивает надежное и безопасное подключение нагрузки к источнику. Длина высоковольтного кабеля оговаривается при заказе.

Внешний вид ИП БТНК представлен на рис. 1. Габаритные размеры 55×248,5×225 мм, масса 1,5 кг, что позволяет классифицировать его как переносной ИП. Входящий в комплект поставки сетевой кабель обеспечивает беспроблемное подключение БТНК к бытовой электросети.

Рис. 1. Внешний вид высоковольтного лабораторного ИП БТНК

После подключения БТНК к сети необходимо задействовать клавишный переключатель общего включения, расположенный на передней панели слева (рис. 2). В результате на внутренние схемы БТНК подается питающее напряжение, ИП начинает работать в штатном режиме, но высокое напряжение на его выходе не формируется. Расположенные на передней панели индикаторы светятся зеленым светом. В этом режиме возможно осуществить предустановку желаемого значения высокого напряжения посредством расположенного в правом углу передней панели многооборотного потенциометра. При этом значение предустанавливаемого высокого напряжения индицируется на левом индикаторе в киловольтах.

Рис. 2. Клавишный переключатель общего включения

Именно в этом режиме рекомендуется подключать нагрузку к высоковольтному выходу БТНК, причем высоковольтный вход нагрузки должен подключаться к высоковольтному выходу ИП посредством входящего в комплект поставки высоковольтного кабеля, а контакт низкого потенциала нагрузки подключается к клемме низкого потенциала, расположенной в нижнем левом углу передней панели, с помощью обычного провода.

После завершения предустановочных операций можно включать подачу высокого напряжения на нагрузку. Для этого нужно нажать кнопку пуска, расположенную в верхнем правом углу передней панели, и удерживать ее нажатой в течение 1 с. В результате на высоковольтный выход БТНК подается высокое напряжение, цвет индикатора напряжения изменяется на красный, и на нем начинает высвечиваться действующее на данный момент напряжение на выходе (рис. 3). При этом правый индикатор показывает значение тока, протекающего через нагрузку в микроамперах. Если высоковольтный ИП работает в штатном режиме, то есть не ушел в режим ограничения выходного тока, показания величины тока индицируется зеленым цветом. Если ток нагрузки превысит предельное значение в результате перегрузки или короткого замыкания, то ИП переключается в режим ограничения тока, индикатор тока меняет цвет на красный, а на индикаторе напряжения по-прежнему будет высвечиваться напряжение на выходе источника, но при этом его значение снизится относительно предустановленного (рис. 4).

Рис. 3. Индикация в режиме высокого напряжения

Рис. 4. Индикация в режиме перегрузки

Способность длительно работать в режиме ограничения тока является отличительной особенностью всех высоковольтных модулей компании UltraVolt. Выполненный на его основе лабораторный ИП БТНК позволяет осуществлять с помощью потенциометра регулировку выходного напряжения в режиме ограничения тока так же, как и в штатном режиме. Для снятия высокого напряжения с выхода необходимо нажать кнопку пуска. После чего ИП перейдет в режим ожидания.

Особо стоит отметить возможность работы в режиме дистанционного управления (ДУ). Переход в этот режим осуществляется с помощью переключателя, расположенного на задней панели БТНК. Там же расположен и разъем для подключения внешних управляющих сигналов (рис. 5). Следует обратить внимание, что переход с местного на ДУ возможен лишь при отключенном высоком напряжении, т. е. в режиме ожидания. Если при включенном высоком напряжении перевести переключатель режима управления с местного в дистанционное положение, то изменений в работе высоковольтного ИП не произойдет. Источник перейдет в дистанционный режим только после снятия высокого напряжения, но не ранее. Однако переход с ДУ на местное осуществляется сразу же по воздействию на переключатель выбора режимов. При этом высокое напряжение с выхода источника снимается.

Рис. 5. Разъем для подключения внешних управляющих сигналов

В режиме ДУ свечение индикаторов переходит в прерывистый режим, а расположенные на передней панели ИП БТНК местные органы управления в дистанционном режиме игнорируются. Также в режиме ДУ на дистанционный разъем со стороны ИП поступает информация со встроенных в высоковольтный модуль датчиков измерения высокого напряжения и тока.

Диапазон типовых применений для высоковольтного лабораторного ИП довольно широк. Это стационарное и мобильное испытательное оборудование, электростатика, ионизаторы воздуха, очистка воздуха и масла, озонаторы, зарядка конденсаторов и т. д. Сверхвысокая стабильность выходных параметров высоковольтного ИП дает возможность применять его там, где высокие требования к качеству высокого напряжения не позволяют использовать более дешевые и менее стабильные устройства питания.

В начале 2015 г. компания выпустила на рынок первую модернизацию высоковольтного ИП, выполненную в конструктиве Евромеханики. Эта разновидность высоковольтных ИП получила наименование БТНКМ15-30П (рис. 6). Разъем высокого напряжения, а также разъем ДУ и другие органы управления по требованию заказчика могут располагаться на задней панели БТНКМ. Кроме того, возможна реализация задней панели для подключения ИП к кросс-плате по требованию заказчика.

Рис. 6. Внешний вид ИП БТНКМ

Заметим также, что применение в БТНК и БТНКМ модулей UltraVolt позволяет создавать серию ИП, рассчитанных на различные выходные напряжения 10–40 кВ и различные мощности 4–30 Вт.

Разработчики уверены, что рассмотренные приборы займут достойное место в семействе источников питания, выделяющихся высокой стабильностью выходного напряжения.

Высоковольтные источники питания для электростатических приложений

Клифф Скапеллати

РЕФЕРАТ

Источники питания высокого напряжения являются ключевым компонентом электростатических приложений. Для ученых, инженеров, спецификаторов и пользователей электростатики представлены разнообразные промышленные и научные применения высоковольтных источников питания. Промышленные процессы, например, требуют тщательного мониторинга рабочих условий, чтобы максимизировать выпуск продукции, улучшить качество и снизить затраты. Новые достижения в технологии электропитания обеспечивают более высокий уровень контроля и управления технологическим процессом. На научные эксперименты также могут влиять эффекты источника питания. Обсуждаются сопутствующие эффекты, такие как точность выходного сигнала, стабильность, пульсация и регулирование.

I. ВВЕДЕНИЕ

Высокое напряжение используется в научных и промышленных целях. В частности, электростатика может использоваться для различных эффектов. В широком смысле электростатика — это изучение эффектов, производимых электрическими зарядами или полями. Применение электростатики можно использовать для создания движения материала без физического контакта, для разделения материалов до элементарного уровня, для объединения материалов для образования однородной смеси и других практических и научных целей. По определению, способность электростатических эффектов совершать работу требует разницы электрических потенциалов между двумя или более материалами. В большинстве случаев энергия, необходимая для создания разности потенциалов, поступает от источника высокого напряжения. Этот источник высокого напряжения может быть источником питания высокого напряжения. Современные высоковольтные источники питания представляют собой полупроводниковые высокочастотные конструкции, обеспечивающие производительность и контроль, недостижимые всего несколько лет назад. Были достигнуты значительные улучшения в надежности, стабильности, управлении, уменьшении размера, стоимости и безопасности. Узнав об этих улучшениях, пользователь высоковольтных источников питания для электростатических приложений может извлечь выгоду. Кроме того, следует понимать уникальные требования к высоковольтным источникам питания, поскольку они могут повлиять на оборудование, эксперименты, процессы или продукты, в которых они используются.

II. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Упрощенная принципиальная схема высоковольтного источника питания представлена на рис. 1.

Источник входного напряжения может иметь широкий диапазон характеристик напряжения. Источники переменного тока от 50 Гц до 400 Гц при напряжении менее 24–480 В переменного тока являются обычным явлением. Также можно найти источники постоянного тока в диапазоне от 5 В до 300 В постоянного тока. Крайне важно, чтобы пользователь понимал требования к входному напряжению, так как это повлияет на общее использование системы и ее конструкцию. Регулирующие органы, такие как Лаборатория андеррайтеров, Канадская ассоциация стандартов, IEC и другие, активно участвуют в любых цепях, подключенных к электросети. В дополнение к питанию основных цепей инвертора источника питания источник входного напряжения также используется для питания вспомогательных цепей управления и других вспомогательных цепей питания. Каскад входного фильтра обеспечивает кондиционирование источника входного напряжения. Это кондиционирование обычно осуществляется в виде выпрямления и фильтрации в источниках переменного тока и дополнительной фильтрации в источниках постоянного тока. Также можно найти защиту от перегрузки, EMI, EMC и схемы мониторинга. Выход входного фильтра обычно представляет собой источник постоянного напряжения.

Это постоянное напряжение обеспечивает источник энергии для инвертора. Инверторный каскад преобразует источник постоянного тока в высокочастотный сигнал переменного тока. Для источников питания существует множество различных топологий инверторов. Источник питания высокого напряжения имеет уникальные факторы, которые могут диктовать наилучший подход к инвертору. Инвертор генерирует высокочастотный сигнал переменного тока, который усиливается высоковольтным трансформатором. Причиной высокочастотной генерации является обеспечение высокой производительности при уменьшенном размере магнитных элементов и накопительных конденсаторах для уменьшения пульсаций. Проблема возникает, когда трансформатор с высоким коэффициентом повышения соединяется с высокочастотным инвертором. Высокий коэффициент повышения отражает паразитную емкость на первичной обмотке высоковольтного трансформатора. Это отражается как функция (Nsec:Npri)². Этот большой паразитный конденсатор, который появляется на первичной обмотке трансформатора, должен быть изолирован от переключающих устройств инвертора. В противном случае в инверторе будут присутствовать аномально высокие импульсные токи.

Еще одним параметром, общим для высоковольтных источников питания, является широкий диапазон операций нагрузки. Из-за наличия высокого напряжения пробой изоляции является обычным явлением. Надежность инвертора и характеристики контура управления должны учитывать практически любую комбинацию условий разомкнутой цепи, короткого замыкания и рабочей нагрузки. Эти проблемы, а также надежность и стоимость должны быть учтены в топологии инвертора источника питания высокого напряжения.

Высокочастотный выход инвертора подается на первичную обмотку высоковольтного повышающего трансформатора. Надлежащая конструкция высоковольтного трансформатора требует тщательного теоретического и практического проектирования. Понимание конструкции магнитов должно применяться вместе с материалами и элементами управления процессом. Большая часть специальных знаний связана с управлением большим количеством вторичных витков и высокими вторичными напряжениями. Из-за этих факторов геометрия сердечника, методы изоляции и методы намотки сильно отличаются от конструкций обычных трансформаторов. Некоторыми проблемными областями являются: номинальные значения напряжения/витка вторичного провода, номинальные параметры изоляции между слоями, коэффициент рассеяния изоляционного материала, геометрия обмотки, связанная с паразитной вторичной емкостью и потоком рассеяния, пропитка изоляционным лаком слоев обмотки, уровень коронного разряда. и практически все другие традиционные проблемы, такие как тепловой запас и общая стоимость.

Цепи умножителя высокого напряжения отвечают за выпрямление и умножение вторичного напряжения высоковольтного трансформатора. В этих схемах используются высоковольтные диоды и конденсаторы в соединении удвоителя напряжения с «накачкой заряда». Как и в случае с высоковольтным трансформатором, проектирование высоковольтного умножителя требует специальных знаний. В дополнение к выпрямлению и умножению цепи высокого напряжения используются для фильтрации выходного напряжения и контроля напряжения и тока для обратной связи управления. Выходное сопротивление может быть намеренно добавлено для защиты от разрядных токов накопительных конденсаторов источника питания.

Эти высоковольтные компоненты обычно изолированы от уровня земли для предотвращения образования дуги. Изоляционные материалы сильно различаются, но типичными материалами являются: воздух, элегаз, изоляционное масло, твердые герметики (термопласт, эпоксидная смола и т. д.). Выбор изоляционного материала и управление технологическим процессом могут быть наиболее важным аспектом надежной конструкции высоковольтного оборудования.

Цепи управления поддерживают совместную работу всех силовых каскадов. Сложность схемы может варьироваться от одной аналоговой I.C. к большому количеству интегральных схем и даже к микропроцессору, контролирующему и отслеживающему все аспекты высоковольтной мощности. Однако основным требованием, которому должна соответствовать каждая схема управления, является точное регулирование выходного напряжения и тока в соответствии с требованиями нагрузки, входной мощности и командами. Лучше всего это достигается с помощью контура управления с обратной связью. На рис. 2 показано, как можно использовать сигналы обратной связи для регулирования выходной мощности источника питания. Обычное регулирование напряжения и тока может быть достигнуто путем контроля выходного напряжения и тока соответственно. Это сравнивается с желаемым (опорным) выходным сигналом. Разница (ошибка) между сигналом обратной связи и заданием вызовет изменение в устройстве управления инвертором. Это приведет к изменению мощности, подаваемой на выходные цепи.

В дополнение к регулированию напряжения и тока можно точно регулировать другие параметры. Управление выходной мощностью легко осуществляется с помощью функции (X) (Y) = Z, (V I = W) и сравнения ее с требуемым опорным значением выходной мощности. Действительно, любую переменную, находящуюся в рамках закона Ома, можно регулировать (сопротивление, напряжение, ток и мощность). Кроме того, можно регулировать параметры конечного процесса, если на них влияет источник питания высокого напряжения (например, покрытия, скорость потока и т. д.).

III. РЕГУЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Важность регулируемого источника высокого напряжения и/или постоянного тока имеет решающее значение для большинства применений, связанных с электростатикой. Изменения выходного напряжения или тока могут иметь прямое влияние на конечные результаты и, следовательно, должны рассматриваться как источник ошибки. В высоковольтных источниках питания источники опорного напряжения, которые используются для программирования желаемого выходного сигнала, могут быть устранены как источник значительной ошибки за счет использования высокостабильных интегральных схем опорного напряжения. Типичные характеристики выше 5 частей на миллион/°C являются обычными. Точно так же можно исключить аналоговые ИС (операционные усилители, АЦП, аналого-цифровые преобразователи и т. д.) как существенный источник ошибок путем тщательного выбора устройств.

Остается один компонент, уникальный для высоковольтных источников питания, который будет основным источником ошибок стабильности: делитель обратной связи по высокому напряжению. Как видно на рис. 1, высоковольтный делитель с обратной связью состоит из сети резистивных делителей. Эта схема разделит выходное напряжение до уровня, достаточно низкого для обработки цепями управления. Проблема стабильности в этой сети возникает из-за большого сопротивления резисторов обратной связи. Значения> 100 МОм являются общими. Это необходимо для уменьшения рассеиваемой мощности в цепи и уменьшения влияния изменения температуры из-за самонагрева. Большое сопротивление и высокое номинальное напряжение требуют уникальной технологии, характерной для высоковольтных резисторов. Уникальный высоковольтный резистор должен быть «парным» с низкоомным резистором, чтобы обеспечить отслеживание соотношения при изменениях температуры, напряжения, влажности и времени.

Кроме того, высокое значение сопротивления в цепи обратной связи означает восприимчивость к очень слабому току помех. Можно видеть, что токи всего 1 х 10-9 ампер приведут к ошибкам >100 ppm. Следовательно, при проектировании резистора и цепи обратной связи резистора необходимо серьезно учитывать влияние тока коронного разряда. Кроме того, поскольку большая часть технологии резисторов основана на керамическом сердечнике или подложке, необходимо также учитывать пьезоэлектрические эффекты. Можно показать, что вибрация источника питания высокого напряжения во время работы будет накладывать сигнал, связанный с частотой вибрации, на выходе источника питания.

IV. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ, СВЯЗАННЫЕ С ВЫСОКОВОЛЬТНЫМ ИСТОЧНИКОМ ПИТАНИЯ
Во многих случаях применения высокого напряжения для прибора могут потребоваться дополнительные функции управления. Разработчик источника питания должен быть так же знаком с применением электростатики, как и конечный пользователь. Понимая приложение, разработчик источника питания может включить важные функции, которые принесут пользу конечному процессу.

Типичной функцией, которую можно реализовать в высоковольтном источнике питания, является управление «ARC Sense». На рис. 3 показана схема цепи датчика дуги. Обычно устройство измерения тока, такое как трансформатор тока или резистор, вставляется на «сторону низкого напряжения» выходных цепей высокого напряжения. Обычно токи дуги равны: I = (E/R), где I = ток дуги в амперах.

E = Наличие напряжения на высоковольтном конденсаторе.
R = выходной ограничительный резистор в омах.

Ток дуги обычно намного больше нормального номинального постоянного тока источника питания. Это связано с поддержанием предельного сопротивления на минимальном уровне и, таким образом, сведением к минимуму рассеиваемой мощности. После обнаружения дугового разряда можно реализовать ряд функций. «Гашение дуги» — это термин, определяющий характеристику дуги, которая прекращается при снятии приложенного напряжения. На рис. 4 показана блок-схема функции гашения дуги.

Если отключение при возникновении первой дуги нежелательно, можно добавить цифровой счетчик, как показано на рис. 5. Отключение или гашение произойдет после обнаружения заданного количества дуг. Необходимо использовать время сброса, чтобы в счетчике не накапливались низкочастотные дуговые разряды. Пример: Спецификация может определять отключение дуги, если в течение интервала в одну минуту регистрируется восемь дуг.

Полезным применением схемы датчика дуги является максимизация приложенного напряжения, чуть ниже уровня дуги. Этого можно добиться, обнаружив возникновение дуги и немного снизив напряжение до тех пор, пока дуга не прекратится. Напряжение может увеличиваться автоматически с небольшой скоростью. (рис. 6).

Еще одной особенностью высоковольтного источника питания является высокоточная схема контроля тока. Для общих приложений эта функция монитора может иметь точность только до миллиампер или микроампер. Однако в некоторых электростатических приложениях может потребоваться точность до фемтоампер. Эта точность может быть обеспечена цепями контроля высокого напряжения. Однако пользователь источника питания обычно должен указать это требование перед заказом.

V. ГЕНЕРИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Во многих электростатических применениях желателен постоянный ток, создаваемый коронным разрядом. Этого можно добиться несколькими уникальными способами. Источник постоянного тока можно в широком смысле определить как имеющий импеданс источника, намного превышающий импеданс нагрузки, которую он питает. Схематически это может быть показано на рис. 7:

На практике изменение импеданса R2 оказывает незначительное влияние на ток через R1. Следовательно, R1 и R2 имеют постоянный ток. В приложении с одним источником питания это может быть достигнуто двумя способами. Первый заключается в обеспечении внешнего резистора в качестве устройства регулирования тока. Второй способ заключается в электронном регулировании тока с использованием обратной связи по току, как показано на рис. 2.9.0006

В приложениях, где требуется несколько источников тока, использование нескольких источников питания может оказаться нецелесообразным. В этом случае можно использовать несколько резисторов, чтобы обеспечить массив источников тока. Это обычно используется там, где необходимо обработать большие площади с использованием электростатики. На рис. 8 показана эта схема.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В этом документе представлена информация, полезная для электростатических приложений с использованием высоковольтных источников питания. Источник питания высокого напряжения имеет недостатки, которые отличают его от обычных источников питания. Разработчик высоковольтных источников питания может быть ключевым ресурсом для пользователей электростатики. Существенные функции управления могут быть предложены источником питания высокого напряжения. Кроме того, важного внимания требуют аспекты безопасности при использовании высокого напряжения. Источники высокого напряжения могут быть смертельными. Начинающий пользователь высокого напряжения должен быть осведомлен о связанных с этим опасностях. Общее руководство по технике безопасности содержится в стандарте IEEE 510-19.83 «Рекомендуемые методы обеспечения безопасности при испытаниях высокого напряжения и большой мощности [4]».

ССЫЛКИ : [1] К. Скапеллати, «Высоковольтные источники питания для аналитических приборов», Питтсбургская конференция, март 1995 г. [2] Д. Чемберс и К. Скапеллати, «Как определить современные высоковольтные источники питания» , журнал Electronic Products Magazine, март 1994 г. [3] Д. Чемберс и К. Скапеллати, «Новые высокочастотные и высоковольтные источники питания для микроволнового нагрева», Труды 29th Microwave Power Symposium, июль 1994 г. [4] Стандарт IEEE 510-1983, Рекомендуемые методы IEEE для обеспечения безопасности при испытаниях высокого напряжения и высокой мощности.

Щелкните здесь, чтобы загрузить статью в формате PDF.

Применение высоковольтного источника питания

Автор: Weiqiang Wu, Центр технического обслуживания компании MEAN WELL

Перевод: Отдел маркетинга Olfer Electronics.

L блоки питания переключаются в результате разработка силовой электроники и в настоящее время широко используются в большинстве электрических устройств во многих отраслях, таких как оборудование для радиочастотной связи, твердотельное микроволновое оборудование, интеллектуальная робототехника, системы сортировки логистики, новые энергетические системы и другие области. Они широко используются в электронных силовых системах , эти устройства, несомненно, являются ключевым компонентом, и перспективы у них многообещающие.

Технический прогресс способствует инновациям этих продуктов. В последние годы Разработка источников питания ориентирована на высокую частоту, высокую плотность мощности, высокий коэффициент мощности, высокую эффективность, повышение надежности и интеллекта. Рынок постоянно вводит новшества, в частности компромисс с устойчивостью . Запуск «зеленых» и модульных блоков питания сыграл ключевую роль в энергосбережении , низком потреблении и защите окружающей среды , эффективно смягчив энергетический и экологический кризисы.

Конструктивное развитие Электронная энергетика Это значительно повысило рыночный спрос на мощные источники питания. MEAN WELL и OLFER Electronics распространяют широкий спектр блоков питания как монофазных , так и трехфазных высокой мощности, таких как серии RST-5000/10000, SHP-10K и т. д. Выходное напряжение и ток можно контролировать с помощью функции PV/PC или коммуникационный интерфейс с Canbus / PMBus / mod bus . Кроме того, есть два варианта охлаждения на выбор, воздушное и водяное охлаждение , которые могут удовлетворить требования к применению энергосистем в различных отраслях промышленности.

Далее мы оказываемся перед тремя реальными делами.

Первый случай

На рисунке SHP-10K-55 устанавливается в полупроводниковый СВЧ-генератор или следующим образом, обеспечивая высокостабильное питание постоянным напряжением в силовой цепи СВЧ. Твердотельный микроволновый генератор затем подает контролируемую и точную мощность на связанное оборудование, такое как промышленное микроволновое нагревательное оборудование, промышленное микроволновое сушильное оборудование, микроволновое плазменное оборудование и т. д.

Рисунок 1. Применение твердотельного микроволнового генератора
Второй корпус
PHP-3500-48 устанавливается в метеорологическую радиолокационную систему и спутниковую связь , которая может функционировать как источник питания постоянного тока для радиочастот или оборудование для передачи импульсов. Он оснащен пластиной водяного охлаждения для отвода тепла, обеспечивая прочное и высоконадежное решение для питания всей системы.