Высоковольтные источники питания установок ЭИТ

Для получения высокого напряжения постоянного тока в установках электронно-ионной технологи применяют в основном два типа источников питания: высоковольтные выпрямители и каскадные схемы (схемы умножения напряжения).

В высоковольтных выпрямителях переменное напряжение повышается трансформатором до нужного уровня и затем выпрямляется. В простейшем случае трансформации подвергается сетевое напряжение промышленной частоты. Перспективным является питание трансформатора на промежуточной повышенной частоте. При этом питание на первичную обмотку повышающего трансформатора подается не непосредственно от сети, а через преобразователь переменного напряжения промышленной частоты в переменное напряжение повышенной частоты (обычно сотни и тысячи Гц). Благодаря повышению частоты можно уменьшить площадь поперечного сечения сердечника и длину проводов обмотки, т. е. в конечном счете, снизить габариты и массу трансформатора. Для выпрямления однофазного тока наиболее распространены однополупериодная и двухполупериодная мостовая схемы.

Рис.7.10. Принципиальная электрическая схема двух первых ступеней простейшего каскадного выпрямителя: Т - повышающий трансформатор.

Принцип действия каскадных схем (схем умножения) основан на том, что на нагрузку разряжаются последовательно включенные конденсаторы, каждый из которых заряжен от выпрямителя до сравнительно небольшого напряжения.

На рисунке 7.10 показана упрощенная принципиальная схема двух первых ступеней простейшего каскадного выпрямителя. К первой ступени относятся конденсаторы С1, С2 и вентили VI, V2, ко второй - конденсаторы С3, С4 и вентили V3, V4. В схеме не показана нагрузка, которую обычно присоединяют параллельно конденсаторам нижней части схемы (при наличии одной ступени - к точкам 2 и 4, при наличии двух ступеней - к точкам 2 и 6 и т. д.).

Пусть в начальный момент времени э.д.с. вторичной обмотки трансформатора направлена от точки 1 к точке 2. Тогда конденсатор С1 заряжается через открытый вентиль V1 до амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора U_2m. Когда направление э.д.с. вторичной обмотки изменится, будет заряжаться конденсатор С2 по цепи: точка 1, конденсатор С1, вентиль V2, конденсатор С2, точка 2 вторичной обмотки трансформатора. Поскольку в это время конденсатор С1 и вторичная обмотка трансформатора оказываются включенными последовательно, конденсатор С2 заряжается до напряжения U_c2≈U_2m+U_c1≈2U_2m. В следующий полупериод заряжается конденсатор С3 по цепи: точка 2, конденсатор С2, вентиль V3, конденсатор С3, конденсаторС1, точка 1 вторичной обмотки. Конденсатор С3 заряжается до напряжения U_c3≈U_2m+U_c2-U_c1≈U_2m+2U_2m-U_2m=2U_2m.

Рассуждая аналогично, можно показать, что при очередном изменении полярности э. д. с. вторичной обмотки зарядится уже конденсатор С4 до напряжения U_c4≈2U_2m. В установившемся режиме суммарное напряжение на выходе схемы (между точками 2 и 6) U_вых=U_c2+U_c4≈4U_2m. В общем случае выходное напряжение каскадной схемы U_вых≈2nU_2m, где п - число ступеней каскада.

Преимущество каскадных схем (схем умножения) заключается в том, что они позволяют получить на выходе достаточно высокое напряжение при использовании вентилей с относительно низким допустимым обратным напряжением и трансформатора со сравнительно малыми (из-за уменьшенного коэффициента трансформации) габаритами и массой. Основной недостаток этих схем, усугубляющийся с ростом числа ступеней,- значительное снижение выпрямленного напряжения при увеличении силы тока нагрузки.

В практике ЭИТ применяют высоковольтные источники В-140-5-2 (амплитудное значение номинального выпрямленного напряжения U_н=140 кВ, среднее значение номинальной силы выпрямленного тока I_н=5 мА, однополупериодная схема выпрямления на кенотроне), ПВС-40-6 и ПВС-60-10 (соответственно U_н=40 кВ и I_н=6 мА, U_н=60 кВ и I_н=10 мА; мостовая схема на полупроводниковых диодах); АФ-3-1 (U_н=50 кВ, номинальное сопротивление нагрузки 2500 МОм, сила тока к. з. - не более 400 мкА; каскадная схема на полупроводниковых диодах; с промежуточной частотой 400 Гц) и др.

Чтобы предотвратить возможное поражение персонала током при эксплуатации установок ЭИТ, все высоковольтное оборудование должно быть ограждено либо поднято на безопасную высоту. Корпус установки должен быть заземлен. Установка должна иметь следующую защитную аппаратуру.

1. Ограничительный резистор, включаемый последовательно в цепь высоковольтных электродов установки для снижения до безопасного значения силы тока I_б в высоковольтной цепи в случае прикосновения человека к электродам, а также при коротком замыкании. В качестве ограничительного используют один или несколько последовательно соединенных высоковольтных резисторов, например типа КЭВ. Сопротивление ограничительного резистора находят из условия

,

(7.27)

где U - высокое выпрямленное напряжение источника питания; R -сопротивление тела человека, принимаемое обычно равным 1000 Ом. Значение I_б можно брать равным 5 мА.

2. Автоматический (т.е. срабатывающий без участия человека) разрядник для снятия остаточного заряда с электродов после отключения установки. Кроме того, в установках полезно предусматривать наличие ручной изолирующей штанги для наложения заземления.

В установке должны иметься дверная блокировка, не позволяющая включать высокое напряжение при открытых дверцах корпуса, а также сигнализация о подаче высокого напряжения на электроды.