Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общая характеристика объекта исследования, обзор литературных источников и постановка задач диссертации 10
1.1. ЛБВ О - типа как нагрузка высоковольтного источника питания 10
1.2. Проблемы взаимодействия источника питания ЗС и ЛБВ 16
1.3. Обзор опубликованной информации по высоковольтным источникам питания для мощных ЛБВ 28
Результаты и выводы по главе 1 39
Глава 2. Выбор метода исследования схем источников питания замедляющей системы ЛБВ 40
2.1. Принципы построения схем источников питания ЗС ЛБВ и методы их исследования 40
2.2. Аналитический метод исследования и его применение для синтеза корректирующей цепи системы стабилизации выходного напряжения источника питания ЗС ЛБВ 45
2.3. Выбор программного пакета для имитационного моделирования системы стабилизации выходного напряжения источника питания ЗС ЛБВ 56
2.4. Анализ результатов исследования 58
Результаты и выводы по главе 2 63
Глава 3. Разработка схемотехнических моделей основных элементов системы ИВН–ЛБВ и их исследование 64
3.1. Моделирование и исследование динамических характеристик умножителя напряжения 64
3.1.1. Метод исследования динамических характеристик УН 64
3.1.2. Имитационная модель для исследования динамических характеристик УН 68
3.1.3. Результаты исследования динамических характеристик УН 70
3.2. Обоснование и выбор метода регулирования выходного напряжения УН 73
3.3. Имитационная модель нагрузки ИВН 75
Результаты и выводы по главе 3 80
Глава 4. Модернизация существующих систем стабилизации выходного напряжения ИВН ЛБВ 81
4.1. Модели существующих структур систем стабилизации выходного напряжения ИВН ЛБВ 81
4.2. Исследование существующих структур систем стабилизации выходного напряжения 89
4.3. Модернизированная структура системы стабилизации выходного напряжения ИВН ЛБВ 93
Результаты и выводы по главе 4 96
Глава 5. Исследование модернизированной системы стабилизации выходного напряжения ИВН ЛБВ 97
5.1. Модель модернизированной системы стабилизации выходного напряжения ИВН ЛБВ 97
5.2. Исследование модернизированной системы стабилизации выходного напряжения ИВН ЛБВ 99
5.3. Экспериментальное исследования модернизированной системы стабилизации выходного напряжения ИВН ЛБВ 105
5.4. Обеспечение температурной стабилизации режимов работы высокопотенциальных теплонагруженных узлов ИВН 110
Результаты и выводы по главе 5 123
Основные результаты работы и выводы 124
Список сокращений и условных обозначений 126
Список литературы
- Проблемы взаимодействия источника питания ЗС и ЛБВ
- Выбор программного пакета для имитационного моделирования системы стабилизации выходного напряжения источника питания ЗС ЛБВ
- Имитационная модель для исследования динамических характеристик УН
- Модернизированная структура системы стабилизации выходного напряжения ИВН ЛБВ
Введение к работе
Актуальность работы. Современные тенденции развития СВЧ усилителей в сторону увеличения частоты и выходной мощности при широкой полосе усиления способствуют широкому использованию в них ламп бегущей волны (ЛБВ) во всех направлениях радиоэлектроники, включая космическую связь, локацию и системы радиопротиводействия.
Существенное влияние на повышение эффективности, надёжности, снижение массы и габаритов СВЧ усилителей оказывают характеристики их источников питания. При этом целесообразно рассматривать совокупность ЛБВ и его источника питания как единую систему в силу их взаимного влияния.
Система электропитания ЛБВ – это совокупность источников электропитания, состоящая из нескольких высоковольтных и высокопотенциальных источников питания, которые работают на единую нагрузку – ЛБВ. Наиболее жёсткие требования предъявляются к источнику, формирующего высокое напряжение замедляющей системы (ЗС) ЛБВ. От его стабильной работы этого источника высокого напряжения (ИВН) во многом зависят спектр и фаза выходного СВЧ сигнала.
Ужесточение требований к эксплуатационным характеристикам усилителей, а также значительное совершенствование элементной базы ставят задачи поиска новых теоретических и практических решений.
Вопросам теории и практики высоковольтных вторичных источников питания для СВЧ приборов посвящено большое количество работ. Большой вклад в развитие и разработку ИВН внесли как отечественные – С.Д. Додик, А.Г. Поликарпов, В.Г. Костиков, О.К. Березин, В.И. Иванов-Цыганов, В.И. Хандогин, А.Г. Полищук, И.И. Артюхов, Э.В. Мичурин, В.В. Власов, Н.Г. Хречков, В.Л. Коган, так и зарубежные авторы – C.M. Wildrick, R.D. Middlebrook, J.W. Hansen, G.A. Lange и др.
Однако ряд вопросов, связанных с повышением динамической устойчивости ИВН при различных режимах нагрузки с точки зрения современных требований к радиопередающим устройствам СВЧ, мало изучен. Это заставляет искать пути улучшения динамических характеристик ИВН, а именно достижения высокого быстродействия и высокой точности стабилизации выходного напряжения в статических и импульсных режимах работы нагрузки, снижения массогабаритных показателей и повышения надёжности в условиях решения задачи импортозамещения. Сказанное подтверждает актуальность выбранного направления исследований.
Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационных характеристик источников питания замедляющей системы для мощных ламп с бегущей волной, работающих в широком диапазоне изменения тока нагрузки в статических и импульсных режимах.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие научные и практические задачи:
1. Анализ причин, вызывающих динамическую нестабильность
системы ИВН-ЛБВ.
-
Разработка методики моделирования и исследования умножителя напряжения (УН) как основного нелинейного узла системы ИВН-ЛБВ.
-
Разработка компьютерных схемотехнических моделей системы ИВН-ЛБВ, учитывающих особенности функционирования УН, полупроводниковых приборов и нелинейный характер нагрузки в различных режимах их работы.
-
Исследования и анализ эксплуатационных характеристик существующих систем стабилизации выходного напряжения ИВН.
-
Создание системы стабилизации выходного напряжения, обеспечивающей требуемые эксплуатационные характеристики ИВН.
-
Разработка эффективного способа отвода теплоты от высоковольтных диодов УН для снижения его массы и габаритов.
Объектом исследования является высоковольтный источник питания замедляющей системы для мощных ЛБВ.
Предметом исследования являются эксплуатационные
характеристики источника высокого напряжения замедляющей системы для мощных ламп с бегущей волной.
Положения и результаты, выносимые на защиту.
-
С помощью разработанной методики идентификации умножителя напряжения, основанной на проведении моделирующих экспериментов процессов передачи им огибающей входного сигнала, показана возможность представления его как динамического звена первого порядка.
-
Регулирование выходного напряжения УН с помощью амплитудного метода управления обеспечивается с высокими динамическими характеристиками в диапазоне от 1 кВ до 11 кВ при токах нагрузки от 1 мА до 70 мА, тогда как с помощью частотного метода – в диапазоне от 3 кВ до 11 кВ при токах от 35 мА до 70 мА.
3. Разработанная двухконтурная система стабилизации выходного
напряжения, отличающаяся введением дополнительного контура
регулирования на основе высоковольтного транзистора, превосходит
существующие системы: по уменьшению провала напряжения с 3,6 до
0,25% из-за наброса нагрузки 70 мА, по уменьшению отклонения
выходного напряжения с 0,25 до 0,05% при изменении сетевого
напряжения на ±10%, по уменьшению амплитуды пульсаций выходного
напряжения с 0,034 до 0,004%.
4. Разработанная система отвода теплоты от высоковольтных диодов
УН способствует возможности применения отечественных конденсаторов
взамен импортных в умножителе напряжения за счёт снижения их рабочей
температуры.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Предложена методика идентификации УН, отличающаяся
способом определения параметров его передаточной функции.
-
С помощью компьютерного схемотехнического моделирования доказано преимущество амплитудного метода регулирования выходного напряжения УН перед частотным методом для ИВН замедляющей системы ЛБВ.
-
Разработаны компьютерные схемотехнические модели системы ИВН-ЛБВ для исследования ее динамики, отличающиеся гибкостью и использованием уточненных моделей ее основных нелинейных элементов, что позволяет обосновать двухконтурную структуру системы стабилизации выходного напряжения.
4. Предложена структура системы стабилизации выходного
напряжения ИВН для мощных ЛБВ, отличающаяся наличием
дополнительного контура регулирования на основе высоковольтного
транзистора и позволяющая повысить её быстродействие, устранить
динамическую нестабильность и улучшить массогабаритные показатели
комплексированного СВЧ-усилителя (Пат. 2499353 РФ).
5. Предложена схемотехническая модель замедляющей системы ЛБВ
как нагрузки ИВН, учитывающая её нелинейный характер.
6. Предложен новый способ отвода теплоты от высоковольтных
диодов умножителя напряжения, позволяющий снизить температуру
корпуса электронных элементов в 4,5 раза за счёт использования
теплопроводящих и электроизолирующих материалов, согласованных по
температурному коэффициенту линейного расширения. (Пат. 2519925 РФ).
Выносимые на защиту научные положения и научная новизна результатов работы соответствуют п. 1, 2, 4 паспорта специальности 05.09.12.
Методы исследования. В процессе выполнения диссертационного исследования использованы методы теоретических основ электротехники, теории автоматического управления, математического и компьютерного моделирования с помощью программных комплексов Micro-Cap 10 и SolidWorks 2014.
Достоверность полученных теоретических результатов
обеспечивается разработкой математических моделей на основе корректного применения фундаментальных законов электротехники и теории автоматического управления, использованием общепринятых допущений и апробированных пакетов компьютерного моделирования.
Экспериментальные исследования, проведённые в рамках диссертационной работы, осуществлялись на современном цифровом аттестованном измерительном оборудовании.
Практическая значимость результатов работы:
1. Результаты диссертации позволили повысить быстродействие системы стабилизации выходного напряжения источника питания
замедляющей системы мощных ЛБВ, что способствовало исключению возникновения автоколебаний в системе ИВН-ЛБВ и улучшению массогабаритных показателей комплексированного СВЧ-усилителя.
2. Результаты диссертации позволили исключить нарушения теплового режима диодов высоковольтного умножителя напряжения за счёт применения предложенного способа отвода теплоты и реализующего его устройства, что, в частности, способствует решению задачи импортозамещения компонентов высоковольтного УН.
Реализация результатов работы
Результаты работы использовались в АО «НПП «Алмаз» (г. Саратов) при разработке и поставке заказчику экспериментальных образцов СВЧ-усилителей Ка-диапазона в виде изготовленных высоковольтных источников питания ЛБВ, о чём получен акт внедрения.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: Научно-технической конференции, посвящённой 50-летию ФГУП «НПП «Алмаз» «Электронные приборы и устройства СВЧ» (Саратов, 28-30 августа 2007 г.), Международной научно-технической конференции «Проблемы управления, обработки и передачи информации-АТМ-2011» (Саратов, СГТУ, 2011 г.), Научно-технической конференции, посвящённой 55-летию ОАО «НПП «Алмаз» «Электронные приборы и устройства СВЧ» (Саратов, 5-7 сентября 2012 г.), ХХVI Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-26)» (Саратов, СГТУ, 2013), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения, АПЭП – 2014», (Саратов, 25-26 сентября 2014 г.), 3-й научно-практической internet-конференции «Междисциплинарные исследования в области математического моделирования и информатики» (Ульяновск, 20-21 февраля 2014 г.), Всероссийских конференциях по средствам электропитания (Санкт-Петербург, 2007, 2011, 2015 гг.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из них 2 патента на изобретение, 2 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, и 1 статья в издании, индексируемом в базе данных SCOPUS.
Личный вклад автора заключается в выборе цели и постановке задач исследований, проведении теоретических и экспериментальных исследований. Им предложены и обоснованы: представленные в диссертации пути улучшения высоковольтного источника питания замедляющей системы для усилителей СВЧ на ЛБВ, модернизация системы отвода теплоты от высоковольтных электронных элементов, защищённые патентами № 2499353, № 2519925, и совместно с соавторами изобретений проведены их исследования.
Автор является главным конструктором ряда вторичных высоковольтных источников питания для ЛБВ бортового и космического
применения, при создании которых использованы основные результаты диссертационной работы.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Диссертационная работа содержит 137 страниц, 58 рисунков и 6 таблиц. Список литературы состоит из 86 наименований.
Проблемы взаимодействия источника питания ЗС и ЛБВ
В соответствии с требованиями по стабильности величины выходного напряжения данный источник питания должен быть стабилизированным и выполнение этих требований в первую очередь связано в улучшением его динамических характеристик. Таким образом, с точки зрения теории автоматического управления источник питания является системой стабилизации. В дальнейшем в диссертационной работе исследуется проблемы взаимодействие этого источника с ЛБВ и, следовательно, рассматривается динамика указанной системы стабилизации.
Виды взаимодействия ЛБВ и источника питания Существует несколько видов взаимодействия ЛБВ и источника питания, которые определяются природой СВЧ-сигнала, усиливаемого ЛБВ, и стабильностью напряжений питающих электродов. Одно из таких взаимодействий происходит при пульсациях СВЧ-сигнала или при изменении его амплитуды. От уровня усиленного СВЧ-сигнала зависит распределение электронного тока между различными ступенями многоступенчатого коллектора и током Iзс, перехваченным замедляющей системой ЛБВ. Это вызвано колебанием напряжений на электродах ЛБВ. Например, колебание напряжения на катоде может вызвать паразитную фазовую модуляцию выходного СВЧ-сигнала. Колебания токов нагрузки отдельных каналов источника питания возвращаются в первичную сеть, откуда снова попадают на вход источник питания. Такие колебания токов на электродах ЛБВ проявляются в значительной степени, если СВЧ-усилитель имеет большое значение коэффициента усиления, или если несколько СВЧ-усилителей присоединены к одной первичной сети. Сигнал, модулированный одним усилителем, передаётся по цепи первичного источника питания к другим усилителям, вызывая паразитную модуляцию. Источники питания ЛБВ, имеющих большое значение коэффициента усиления (более 30 дБ), должны иметь дополнительную фильтрацию в цепи сетевого напряжения и катода.
Поскольку источник переменного тока подогревателя вызывает незначительную паразитную модуляцию СВЧ-сигнала, то его применение возможно только при частоте переменного тока не выше 25 кГц. Поэтому в большинстве случаев для питания подогревателя ЛБВ следует использовать источники постоянного тока. Несомненно, источник постоянного тока тоже индуцирует некоторую пульсацию напряжения подогревателя, но вызванная им модуляция оказывается пренебрежимо мала. Подобно этому паразитные сигналы, вызванные изменением тока на коллекторе (или коллекторах) ЛБВ, вызывают малую паразитную модуляцию выходного СВЧ-сигнала. Напряжения коллектора обычно сглаживается индуктивно-емкостными фильтрами.
Напряжение катода также нуждается в фильтрации, и она требует использования схем активных фильтров. Пульсации и переменные составляющие могут вызывать амплитудную и фазовую модуляцию СВЧ-сигнала, усиливаемого ЛБВ. Более существенное влияние оказывает паразитная фазовая модуляция.
Пульсация переменного тока при высоких напряжениях может быть вызвана двумя эффектами. Во-первых, фильтрация неидеальна, поэтому в выходном напряжении постоянного тока будут присутствовать компоненты переменного тока на основных частотах и частотах гармоник преобразователей напряжения в источниках питания. Во-вторых, пульсация амплитуды переменного тока, попадая во входной канал, увеличивается в цепи преобразователей источника питания и оказывает влияние на питающее напряжение ЛБВ. Существуют также и другие эффекты, в частности, паразитные шумы в схеме стабилизатора, а также различные наводки в оборудовании. Но все эти эффекты незначительны по сравнению с основными, описываемыми ниже. Эффекты, вызванные изменением напряжения в цепи катода
Относительно просто рассчитывается фазовая модуляция напряжения катода ЛБВ, вызванная составляющими переменного тока [9]. Работа ЛБВ в такой схеме питания способствует появлению фазового сдвига в несколько тысяч градусов между входным и выходным СВЧ-сигналами. Приблизительная величина этого сдвига дана в уравнении: 3179 // р = т= С1-1) с-л/й где р - фазовый сдвиг между входным и выходным СВЧ-сигналами ЛБВ (в радианах),/- рабочая частота, / - длина ЗС от входа до выхода, с - скорость света, U - напряжение катода.
Выбор программного пакета для имитационного моделирования системы стабилизации выходного напряжения источника питания ЗС ЛБВ
Как уже отмечалось ранее, проблемы теории и практики ВВИП для СВЧ в научно-технической литературе освещены менее подробно, чем аналогичные проблемы низковольтных источников питания (НИП). В области построения высоковольтных источников питания известны работы обобщающего характера [19,20,28-31]. Наиболее подробно технические характеристики, особенности проектирования, эксплуатации отечественных и зарубежных источников высокого напряжения рентгеновских аппаратов приведены в цикле статей [32-36]. Схема стабилизации высокого напряжения строится с регулированием на стороне сетевого (переменного или постоянного) напряжения или на стороне высокого напряжения. В указанных работах показаны их основные преимущества и недостатки. ВВИП с регулированием на стороне высокого напряжения встречаются редко, так как имеют ограничения по максимально выходному напряжению и мощности. Это связано с предельными значениями параметров приёмно-усилительных ЭВП, транзисторов, тиристоров. В то же время применение их оправдано в случаях, когда имеются жёсткие требования по величине коэффициента пульсаций (до 0,0001% и менее) или/и по быстродействию. В остальных случаях схема стабилизации высокого напряжения строится с регулированием на стороне сетевого напряжения.
Классификация, основные структурные схемы построения, параметры и методики расчета стабилизаторов напряжения и тока наиболее полно отражается в работах [37-39]. Импульсные стабилизаторы для улучшения динамических характеристик иногда дополняют регуляторами непрерывного действия, образующими второй канал регулирования электроэнергии, поступающей в нагрузку [40-44]. Такие стабилизаторы называют непрерывно-импульсными (комбинированными). Комбинированный стабилизатор представляет собой устройство, в котором сочетаются лучшие свойства стабилизаторов различного типа. К таким устройствам можно отнести, например, стабилизатор напряжения, обеспечивающий нестабильность тока в нагрузке не хуже 0,2 % и уровень помех выходного напряжения около 100 дБ, что соответствует лучшим схемам компенсационных стабилизаторов непрерывного действия.
Для стабилизатора важно, чтобы его усилительный элемент обеспечивал достаточное усиление, а система регулирования была устойчива при быстро протекающем переходном процессе. Поэтому вопросы устойчивости стабилизатора являются чрезвычайно важными. Вопросам устойчивости систем электропитания последние несколько лет уделяется значительное внимание. Наиболее простым решением, обеспечивающим стабильный режим работы первичного источника, является включение на входе и выходе преобразователя конденсаторов фарадного диапазона емкости - ионисторов [45]. Устойчивость процесса стабилизации напряжения обеспечивается тремя-четырьмя корректирующими цепочками. Однако реальная нагрузка [46] импульсного преобразователя (ИП) является не резистивной, а активно-емкостной, активно-индуктивной или имеющая более сложный комплексный характер, особенно при использовании распределённых (децентрализованных) систем электропитания (РСП), у которых ведущие источники (генераторы) питания работают на ведомые источники (приемники), представляющие стабилизированные ИП. Выходные сопротивления ИП имеют комплексный характер с отрицательной активной составляющей сопротивления, поэтому очень часто децентрализованная система, состоящая из отдельных подсистем, возбуждается, хотя каждая подсистема устойчива.
Причиной возбуждения ИП в децентрализованной системе электропитания является комплексный характер с отрицательной резистивной составляющей по переменному току входного сопротивления ведомых источников РСП. В [47-51] показано, что если в РСП выполняется условие: , (1.6) где Zeblx(jco) - модуль выходного комплексного сопротивление ведущего источника питания (генератора), Zex(jco) - модуль входного сопротивления ведомого источника (приемника), то происходит генерация автоколебаний и в ведомом, и в ведущем ИП. Критерий устойчивости (1.6), известный за рубежом как «критерий Миддлбрука», позволяет определить устойчивость всей системы в целом, т.е. и ведущего и ведомого.
Одним из способов получения высокого напряжения является использование каскадных умножителей напряжения (УН) с емкостной связью. Данный способ широко применяется в современных ВВИП [52,53]. Трансформатор в данном случае выполняется на относительно низкое напряжение, что упрощает его конструкцию и снижает паразитные параметры. До недавнего времени умножители напряжения недооценивали. Во многих источниках утверждается, что они имеют большое выходное сопротивление и достаточно сложны. Констатация этих недостатков основана на опыте применения ламповых схем, которые всегда работали с синусоидальными напряжениями с частотой 50 Гц. Свойства умножителей напряжения значительно улучшаются, когда они работают с прямоугольными, а не с синусоидальными напряжениями, и особенно при работе с высокими частотами.
Имитационная модель для исследования динамических характеристик УН
Напряжение ЗС прецизионным делителем обратной связи (ДОС) уменьшается и сравнивается с заданием на входе операционного усилителя D1. Разностный сигнал усиливается операционным усилителем и усилителем мощности на мощном полевом транзисторе VT1, который включён в диагональ постоянного тока выпрямительного моста. Диагональ переменного тока этого выпрямительного моста, вторичная обмотка трансформатора Т1 и первичная обмотка трансформатора высокопотенциальной гальванической развязки Т2 включены последовательно.
Напряжение переменного тока с частотой порядка 50 кГц от генератора Г через трансформатор Т1 запитывает первичную обмотку трансформатора Т2 через диагональ переменного тока выпрямительного моста. Полевой транзистор VT1 управляет амплитудой переменного тока, поступающего на первичную обмотку трансформатора Т2. Сопротивление сток-исток полевого транзистора управляется операционным усилителем. Так сигнал усиливается по мощности, преобразуется в переменный ток, гальванически развязывается с цепями управления и поступает на выпрямитель. Выпрямитель может строиться из нескольких последовательно включённых мостовых выпрямителей или умножителей.
Резистор R5=100 Ом включается между положительным полюсом выпрямителя и корпусом. Он используется для получения информации о токе замедляющей системы (Iзс) и организации защиты по Iзс.
Резистор R6=1 кОм обеспечивает защиту элементов выпрямителя при пробоях в ЛБВ, т.к. кратковременно может рассеивать мощность в несколько тысяч раз превышающую номинальную. Совместно с высоковольтной ёмкостью С1 он образует фильтр, подавляющий пульсации на удвоенной несущей частоте. При включении электронного пучка возникает бросок тока Iзс, что приводит к значительному уменьшению напряжения ЗС из-за падения напряжения на активных сопротивлениях в выпрямителе и на резисторах R5 и R6 на время переходного процесса в системе стабилизации. Так, если 1зс=50 мА, то падение напряжения на R6 составит 50 В. Если в выпрямителе используется умножитель на 8, то в соответствии с формулой из [54]: AU = (-n3+-n2--n)-2 , (2.1) JCу 3 4 6 где U - спад напряжения, В; п - количество звеньев умножения типа «два диода - два конденсатора» (n=2); f - несущая частота (/=5104), Гц; Су - величина емкостей, используемых в умножителях (Су=2210"9 ), Ф; 2 - количество умножителей на 4. Таким образом, U=545 В.
Ещё сильнее на зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки влияет существование паразитных LC-контуров, которые образуются из индуктивностей трансформатора гальванической развязки и паразитных емкостей, в том числе емкостей выпрямительных диодов. Фронты прямоугольных колебаний несущей частоты становятся причиной возникновения затухающих колебаний в паразитных контурах. Эти затухающие колебания накладываются на колебания несущей частоты. Их амплитуда зависит от добротности упомянутых контуров. Чем меньше ток нагрузки, тем выше добротность контуров и больше амплитуда паразитных колебаний. Как следствие, значительно возрастает выпрямленное напряжение. Для уменьшения этого эффекта на выходе выпрямителя вводится подгрузка, не допускающая уменьшения выходного тока ниже 12 мА. Роль такой подгрузки может играть делитель обратной связи.
По схеме системы стабилизации напряжения замедляющей системы (Изс) строится структурная схема, состоящая из звеньев с их передаточными функциями. Передаточная функция разомкнутой системы является произведением передаточных функций звеньев. По передаточной функции разомкнутой системы можно оценить параметры переходного процесса, происходящего после приложения к замкнутой системе возмущающего воздействия. В нашем случае возмущающим воздействием является резкое увеличение тока нагрузки при включении электронного пучка. В ходе переходного процесса Uзс не должно снизиться более, чем на 3%. Структурная схема системы стабилизации Uзс представлена на рисунке 2.5.
Структурная схема системы стабилизации мощных ЛБВ Задание сравнивается с напряжением обратной связи на входе операционного усилителя. Коэффициент передачи сравнивающего устройства «СУ» К1=0,5. Динамическими свойствами операционного усилителя пренебрегаем, т.к. они проявляются на очень высоких частотах. Коэффициент передачи операционного усилителя «ОУ» К2=105. Усилитель мощности «УМ» выполнен на полевом транзисторе. Для получения стабильного коэффициента передачи усилителя мощности в условиях изменяющейся нагрузки, зависящей от режима работы ЛБВ, полевой транзистор охвачен обратной связью. Передаточная функция усилителя мощности: W3(p)
Для обеспечения Use =10 кВ с учётом необходимых запасов для регулирования произведение коэффициентов передачи трансформатора и выпрямителя должно быть на уровне K4Ks=90. В нашем случае выбран коэффициент передачи трансформатора Т2 К4=2,8. Коэффициент передачи выпрямителя «У» К5=32. Фильтр «Ф» представляет собой инерционное звено из резистора R6=103 Ом, внутреннего сопротивления умножителя и ёмкости С1=50нФ=510-8 Ф. Внутреннее сопротивление умножителя в соответствии с формулой (2.1): R = — (-п3+-п2--п)-2 П-\0 3 Ом JCу 3 4 6 При этом передаточная функция фильтра: W6(p) 6-l0 p + l Коэффициент передачи делителя обратной связи Кос=510 4. Передаточная функция линейной части разомкнутой системы: W (р) = КГК2-Wi(p)-Кл-К5-WAp) Кос = 71680 (6-10"4 + 1)(10" + 1) В соответствии с этой передаточной функцией строим ЛАЧХ и ЛФЧХ линейной части системы на рисунке 2.6 кривая - 1.
Логарифмические характеристики: а) амплитудные; б) фазовые. 1 - для линейной части системы; 2 - для линейной части при R1=10 кОм С1=1 мкФ (цепь коррекции); 3- для линейной части при R1=10 кОм С1=0,05 мкФ (цепь коррекции); 4 - желаемая характеристика линейной части; НЛ - обратные эквивалентные характеристики нелинейного элемента; К - характеристики корректирующего устройства. Нелинейная часть системы - это выпрямитель в виде диода с конденсаторным фильтром, который в первом приближении можно считать нагруженным на стабилизатор тока Iзс (рисунок 2.7). Конденсатор фильтра заряжается через внутреннее сопротивление умножителя. Это инерционное звено относится к линейной части системы, т.к. в этом случае передаточные свойства не зависят от амплитуды входного сигнала. Разряжается конденсатор фильтра только током Iзс, т.к. путь разряда через внутреннее сопротивление умножителя отсекается диодом. В этом случае передаточные свойства рассматриваемого звена зависят от амплитуды входного сигнала. Рассмотрим передаточные свойства такого нелинейного звена.
Легко видеть, что они зависят как от амплитуды входного сигнала, так и от его частоты. При этом имеется в виду огибающая несущей частоты, которая в соответствии с принципами гармонической линеаризации принимается имеющей синусоидальную форму [67].
Модернизированная структура системы стабилизации выходного напряжения ИВН ЛБВ
Структура системы стабилизации выходного напряжения замедляющей системы мощных ЛБВ, реализующая приведённую в конце предыдущего параграфа идею совместного объединения двух способов регулирования выходного напряжения, приведена на рисунке 4.10 [78]. Эта двухконтурная система стабилизации работает следующим образом. Основной (быстродействующий) контур регулирования на рисунке выделен утолщённой линией и состоит из: усилителя разностного сигнала 1, регулятора 2, сумматора 10, осуществляющего вычитание падения напряжения на регулирующем элементе 2 из напряжения на УН 3, фильтра 4, делителя напряжения обратной связи выходного напряжения 5 и уставки U0. Работа данного контура полностью соответствует работе схемы 2, описанной ранее и представленной на рисунке 4.2.
Рисунок 4.10 - Структурная схема двухконтурной системы стабилизации выходного напряжения ИВН ЗС ЛБВ(основной режим работы) 1 - усилитель; 2 - регулирующий элемент; 3 - умножитель напряжения; 4 - фильтр; 5 - делитель напряжения обратной связи выходного напряжения; 6 - нагрузка (ЛБВ); 7 - второй регулирующий элемент; 8 - второй усилитель; 9 -второй делитель напряжения обратной связи
Дополнительный контур регулирования, обладающий меньшим быстродействием, состоит из умножителя напряжения 3, второго регулирующего элемента 7, второго усилителя разностного сигнала 8, второго делителя напряжения обратной связи 9 и уставки U0 . Работа данного контура соответствует работе схемы 1, описанной ранее и представленной на рисунке 4.1.
Быстродействующий контур стабилизации напряжения U по информации с делителя обратной связи 5 с помощью усилителя разностного сигнала 1 и регулирующего элемента 2 устанавливает выходное напряжение U, соответствующее заданной величине U0. Дополнительный контур регулирования, второй регулирующий элемент 7 которого находится на первичной стороне трансформатора гальванической развязки, сравнивает второе задающее напряжение Uo с напряжением делителя обратной связи 9, пропорциональной напряжению на регулирующем элементе 2. Результат сравнения усиливается блоком 8 и подаётся на управляющий вход регулятора Р2 , который воздействует на выходное напряжение UyH умножителя напряжения 3. Напряжение UyH, совместно с напряжением Ump формирует напряжение, подаваемое на катод ЛБВ через фильтр 4. Таким образом, регулирование выходного напряжения производится одновременно по двум контурам: основному и дополнительному.
В процессе работы двухконтурной системы возможны ситуации, когда из-за чрезмерного изменения выходного напряжения ИВН регулирующий элемент основного контура достигает одной из границ своего диапазона регулирования. В случае если в качестве этого элемента применяется транзистор, то это соответствует переводу его в режим насыщения или отсечки. В частности, при резком падении напряжения (например из-за скачкообразного нарастания тока нагрузки) транзистор переходит в режим насыщения и приобретает нулевое сопротивление. Это изменяет структуру системы, приводя её к виду, показанному на рисунке 4.11. Как следует из этого рисунка, здесь реализуется разомкнутый режим регулирования, поскольку обратная связь оборвана. При этом ошибка регулирования 2 практически равна уставке Щ, что приводит к быстрому нарастанию напряжения на выходе, а следовательно, к восстановлению основного режима работы транзистора и возвращению в основной режим стабилизации. В результате всего вышеизложенного видно, что оба контура регулирования воздействуют на выходное напряжение U. При этом быстродействующий контур, обладающий ограниченным диапазоном регулирования, компенсирует часть ошибки Єг (5-10%). Дополнительный контур контролирует напряжение на регулирующем элементе основного контура, и сравнивая его с уставкой U0, формирует с некоторой задержкой такое напряжение UyH, чтобы скомпенсировать остальную часть ошибки, не допуская выхода напряжения регулятора основного контура из его диапазона регулирования.
Результаты и выводы по главе 4
1. Проведены исследования существующих структур систем стабилизации выходного напряжения ИВН замедляющих систем мощных ЛБВ. Полученные результаты показывают, что эти структуры обеспечивают надёжное электропитание в дополняющих друг друга наборах режимов нагрузки и изменяющихся параметров питающей сети, однако ни одна из них не обеспечивает надёжного электропитания во всём наборе режимов.
2. Предложена новая структура системы стабилизации выходного напряжения, объединяющая оба способа регулирования, рассмотренных в существующих структурах: регулирование выходного напряжения за счёт регулирования на стороне переменного напряжения и с регулированием на стороне выпрямленного высокого напряжения. Основные научные результаты по 4 главе опубликованы автором в работах [27, 78-80].