RU2762794C2

RU2762794C2 - Apparatus of an electromechanical high-voltage modular power source with a low-voltage current source output of a separate module

Info

Publication number: RU2762794C2
Application number: RU2020119738A
Authority: RU
Inventors: Кирилл Сергеевич Кузьмин; Тимур Юлдашевич Жораев
Original assignee: Кирилл Сергеевич Кузьмин; Тимур Юлдашевич Жораев
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2020-06-15
Publication date: 2021-12-23
Also published as: RU2020119738A; RU2020119738A3

Abstract

FIELD: power supply.

SUBSTANCE: apparatus of an electromechanical adjustable high-voltage modular power source forming high voltage and low voltage with a large current of each module is intended for connection to sections of the load of the consumer, containing a high voltage load and a low voltage load with a high current, wherein the output high voltage sources of the apparatus are connected in series. The apparatus includes a propeller, a unit for transmitting the momentum of the propeller to the shafts of rotating insulators passing through each module, wherein the module has a unit for transmitting the momentum from the rotating insulators to the generator shaft, a rectifier unit, an auxiliary power source, a low-voltage current source, a high-voltage converter, a module control system, a module control controller. The apparatus provides a possibility to build power supply systems based thereon for series-connected sections of high-voltage systems with a total voltage from tens of kilovolts to units of megavolts, requiring simultaneously a high potential on the section relative to others, as well as power supply for the circuits of a section with high current consumption at low voltage, e.g., magnet windings, cooling system drives, propellers of trimming elements or pumps, mechanisation, filaments and heating systems, ion sources, ultra high frequency equipment, sensors and control systems.

EFFECT: primary application of the proposed apparatus is power supply of sections of single- and multi-beam linear electrostatic accelerators with a magnetic system for focusing, retaining and stabilising a particle flow.

1 cl, 4 dwg

Description

Устройство относится к высоковольтной, преобразовательной и ускорительной технике. Возможно его применение для питания электрофизических установок, требующих мощный источник высокого напряжения а также, если требуется, большой ток секций при низком напряжении для питания внутренних цепей, находящихся под высоким потенциалом. Устройство может быть подключено к «земле» произвольным полюсом, что позволяет реализовывать схемы с высоким положительным и отрицательным напряжением относительно нулевого потенциала. Возможна схема в виде присоединения отрицательного полюса всех источников ускорителей к нулевому потенциалу и отхождение от этой точки секций с увеличением напряжения для формирования, например, встречных пучков ускоряемых частиц.The device belongs to high-voltage, converting and accelerating technology. It can be used to power electrophysical installations that require a powerful high voltage source and, if required, a large section current at low voltage to power internal circuits at high potential. The device can be connected to "ground" with an arbitrary pole, which makes it possible to implement circuits with a high positive and negative voltage relative to zero potential. A scheme is possible in the form of attaching the negative pole of all sources of accelerators to zero potential and departing from this point of sections with increasing voltage to form, for example, colliding beams of accelerated particles.

Известно большое количество устройств создания высокого напряжения, среди них можно отметить те, что основаны на переносе зарядов и выполнены на базе генератора Ван-де-Граафа, на основе преобразователей с трансформатором, индуктивностью, умножители напряжения и переключаемые емкости, пьезоэлектрические. Можно выделить следующие известные устройства получения высокого напряжения.A large number of devices for creating high voltage are known, among them those based on charge transfer and made on the basis of a Van de Graaff generator, based on converters with a transformer, inductance, voltage multipliers and switched capacitances, piezoelectric. The following well-known devices for obtaining high voltage can be distinguished.

В устройстве (см. патент США 4760303, H02N 1/08, 1988) рассматривается электростатический генератор с последовательными секциями из вращающихся пластин для передачи заряда недостатком является малый ток.The device (see US patent 4760303, H02N 1/08, 1988) discusses an electrostatic generator with successive sections of rotating plates for transferring charge, the disadvantage is the low current.

Устройство (см. патент РФ 2567373, Н05Н 5/04, 2015) представляет собой генератор с переключаемыми емкостями, недостатком является невысокое значение тока, использование электронных ламп с ограниченным ресурсом и необходимостью принятия специальных мер для обеспечения накала множества катодов находящихся под высоким потенциалом и невысокая мощность, ограниченная током электронной эмиссии.The device (see RF patent 2567373, Н05Н 5/04, 2015) is a generator with switchable capacities, the disadvantage is the low current value, the use of electronic tubes with a limited resource and the need to take special measures to ensure the heating of many cathodes at high potential and low power limited by the electron emission current.

В устройстве (см. патент РФ 2349020, Н02М 7/10, 2009) применяется силовой трансформатор и последовательно включенные модульные преобразователи, при этом, в выходной цепи модуля применяется повышающий преобразователь. Недостатком является необходимость обеспечения значительной высоковольтной изоляции силового трансформатора, рассчитываемой на номинальное напряжение и невысокий коэффициент повышения напряжения модуля.The device (see RF patent 2349020, Н02М 7/10, 2009) uses a power transformer and series-connected modular converters, while a step-up converter is used in the output circuit of the module. The disadvantage is the need to provide significant high-voltage insulation of the power transformer, calculated for the rated voltage and low voltage rise factor of the module.

Устройство (см. патент США 6927985, Н02М 3/3376, 2005) использует преобразователь, повышающий трансформатор и умножитель напряжения. Недостатком является малый ток, сложность регулировки выходного напряжения и его фиксированное значение между секциями умножителя.The device (see US patent 6927985, H2M 3/3376, 2005) uses a converter, a step-up transformer and a voltage multiplier. The disadvantage is the low current, the complexity of adjusting the output voltage and its fixed value between the multiplier sections.

Устройство (см. патент США 7936544, Н02М 7/49, 2011) использует отдельные трансформаторы и неуправляемый выпрямитель на выходе. Недостатком является невысокое нерегулируемое выходное напряжение секции и необходимость в значительной высоковольтной изоляции трансформатора.The device (see US patent 7936544, H2M 7/49, 2011) uses separate transformers and an uncontrolled rectifier at the output. The disadvantage is the low unregulated output voltage of the section and the need for significant high-voltage isolation of the transformer.

Устройство (см. патент США 7710081, Н02K 3/28, 2010) использует многообмоточный генератор, недостатком также является наличие высоких требований к межобмоточной изоляции.The device (see US patent 7710081, H2K 3/28, 2010) uses a multi-winding generator, the disadvantage is also the presence of high requirements for interwinding insulation.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому устройству является устройство (Патент США 8212408, H02J 3/36, 2012). В этом устройстве-прототипе используются множество модулей каждый из которых состоит из генератора переменного тока с выходом генератора, соединенным с входом выпрямителя переменного тока в постоянный, выход выпрямителя подключен ко входу управляемого изолированного понижающего преобразователя тока, при этом, выходы изолированного понижающего преобразователя тока каждого модуля соединяются последовательно, образуя высоковольтное звено. Дополнительно в этом устройстве присутствует возможность подключения ко входу понижающих изолированных преобразователей тока выходов источников постоянного напряжения. Основное назначение прототипа - преобразование и передача электрической энергии с нескольких возобновляемых источников низкого постоянного или переменного напряжения на линию высокого напряжения постоянного тока.The closest analogue to the proposed device is a device (US Patent 8212408, H02J 3/36, 2012). This prototype device uses a plurality of modules, each of which consists of an alternator with a generator output connected to the input of an AC-to-DC rectifier, the output of the rectifier is connected to the input of a controlled isolated buck converter, while the outputs of an isolated buck current converter of each module connected in series, forming a high-voltage link. In addition, this device has the ability to connect the outputs of DC voltage sources to the input of isolated step-down current converters. The main purpose of the prototype is the conversion and transmission of electrical energy from several renewable sources of low DC or AC voltage to a high voltage DC line.

Недостаток этого устройства заключается в том, что между первичной и вторичной обмотками изолирующего трансформатора для каждого модуля имеется высокое напряжение не менее половины от общего в звене постоянного тока, при этом, высокая степень изоляции приводит к увеличению зазора между обмотками, что ведет к возрастанию потоков рассеяния, уменьшению эффективности преобразования. Также, ввиду наличия большого рассеяния сложно сформировать вторичную цепь на стороне линии высокого напряжения, которая требует низкое напряжение при большом токе.The disadvantage of this device is that between the primary and secondary windings of the isolation transformer for each module there is a high voltage of at least half of the total in the DC link, while a high degree of isolation leads to an increase in the gap between the windings, which leads to an increase in leakage fluxes , decrease in conversion efficiency. Also, due to the large dissipation, it is difficult to form a secondary circuit on the side of the high voltage line, which requires a low voltage at a high current.

Задача изобретения - создание устройства модульного высоковольтного источника питания с общим номинальным напряжением от десятков киловольт до единиц мегавольт, при этом, каждый модуль имеет выходы источника напряжения от единиц киловольт до ста киловольт (далее - высокого напряжения) и формирователя тока от сотен миллиампер до тысяч ампер (далее - большой ток) с напряжением от сотен милливольт до десятков вольт (далее - низкое напряжение), причем, один из выводов формирователя большого тока подключается к одному из полюсов источника высокого напряжения. Выходные полюсы источника высокого напряжения каждого модуля соединяются последовательно с предыдущим и последующим модулями. Каждый модуль подключается к секциям потребителя, требующим одновременно наличия регулируемых высокого напряжения и большого тока на каждой секции отдельно. Модули могут надстраиваться и объединяются механически через разъемные соединители. В качестве нагрузки источника питания могут выступать линейные ускорители с высоковольтным ускоряющим полем и фокусирующими магнитными катушками с большим током потребления, многолучевые системы, электрофизические установки, требующие дополнительного питания оборудования секций находящихся под высоким потенциалом, например, источников ионов, детекторов, систем охлаждения, управляющих систем, нагревателей и иных мощных низковольтных потребителей.The objective of the invention is to create a modular high-voltage power supply device with a total nominal voltage from tens of kilovolts to units of megavolts, while each module has outputs of a voltage source from units of kilovolts to one hundred kilovolts (hereinafter referred to as high voltage) and a current driver from hundreds of milliamperes to thousands of amperes (hereinafter referred to as high current) with a voltage from hundreds of millivolts to tens of volts (hereinafter referred to as low voltage), moreover, one of the terminals of the high current driver is connected to one of the poles of the high voltage source. The output poles of the high voltage source of each module are connected in series with the previous and subsequent modules. Each module is connected to consumer sections, which require simultaneously the presence of regulated high voltage and high current on each section separately. Modules can be built on and connected mechanically via plug-in connectors. Linear accelerators with a high-voltage accelerating field and focusing magnetic coils with a high consumption current, multi-beam systems, electrophysical installations that require additional power supply to the equipment of sections at high potential, for example, ion sources, detectors, cooling systems, control systems , heaters and other powerful low-voltage consumers.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в создании общей разницы потенциалов между крайними электродами в последовательно соединенной цепи модулей до единиц мегавольт, обеспечении регулирования напряжения отдельного модуля в пределах от сотен вольт до десятков киловольт при номинальном токе, при этом, каждый модуль формирует большой ток. Потребитель представляет собой многосекционное устройство, каждая секция которого имеет соответствующую высоковольтную и низковольтную нагрузку, при этом, низковольтная нагрузка гальванически может быть связана отдельно как с положительным полюсом высоковольтного источника модуля так и с отрицательным.The technical result of the proposed device consists in creating a total potential difference between the extreme electrodes in a series-connected circuit of modules up to several megavolts, ensuring voltage regulation of an individual module in the range from hundreds of volts to tens of kilovolts at a rated current, while each module generates a large current. The consumer is a multi-section device, each section of which has a corresponding high-voltage and low-voltage load, while the low-voltage load can be galvanically connected separately both to the positive pole of the high-voltage source of the module and to the negative one.

Достижение технического результата осуществляется тем, что в устройстве высоковольтного источника питания, содержащего модули, каждый из которых состоит из генератора переменного тока с выходом генератора, соединенным с входом выпрямителя переменного тока в постоянный, выход выпрямителя подключен ко входу управляемого изолированного понижающего преобразователя тока выходные полюса которого для каждого модуля соединяются последовательно, образуя высоковольтное звено, при этом, между модулями имеется механическая связь с ведущим движителем, соединяемым через ременную передачу со шкивом ведущего вала, передающего момент через промежуточную зубчатую передачу на ведомый вал, причем ведущий и ведомый вал вращаются с одинаковым угловым перемещением, в каждом модуле ведущий и ведомый вал последовательно проходит через подшипники установленные на опоре модуля, ведущий и ведомый валы имеют электрически изолированные промежутки, в которых размещаются вращающиеся изоляторы, на которых устанавливаются промежуточные шкивы для ременной передачи к шкиву вала генератора модуля, на промежуточные шкивы также установлены вращающиеся изоляторы, с которых осуществляется дальнейшее продолжение ведущего и ведомого валов, далее эти валы соединены с валами того же функционального назначения для следующего модуля и так далее для всех модулей, при этом, выход генератора модуля подключается к неуправляемому выпрямителю, с выхода которого формируется напряжение питания модуля, из которого путем неизолированного понижающего преобразователя формируется напряжение питания собственных нужд и системы управления модуля, выход генератора подключается к блоку защит и предохранителей с которых напряжение поступает на неизолированный понижающий преобразователь напряжения с большим выходным током, а также, на изолированный понижающий преобразователь тока с высоким выходным постоянным напряжением, выводы преобразователей тока объединяются последовательно между модулями, формируя требуемое высокое общее напряжение, а регулирование производится соединением систем управления каждого модуля с использованием оптоволоконного канала двунаправленной связи и синхронизации опорных сигналов широтно-импульсной модуляции понижающего преобразователя тока с использованием смещения фазы опорных сигналов для увеличения пульсности общего напряжения.The achievement of the technical result is carried out by the fact that in the device of a high-voltage power source containing modules, each of which consists of an alternator with an output of the generator connected to the input of the AC rectifier to DC, the output of the rectifier is connected to the input of a controlled isolated step-down current converter, the output poles of which for each module are connected in series, forming a high-voltage link, while between the modules there is a mechanical connection with the driving propeller connected through a belt drive to the drive shaft pulley, transmitting moment through an intermediate gear drive to the driven shaft, and the driving and driven shafts rotate with the same angular displacement, in each module the drive and driven shafts pass sequentially through the bearings mounted on the module support, the drive and driven shafts have electrically isolated gaps, in which rotating insulators are located, on which I install there are intermediate pulleys for the belt drive to the module generator shaft pulley, rotating insulators are also installed on the intermediate pulleys, from which the drive and driven shafts are further extended, then these shafts are connected to the shafts of the same functional purpose for the next module and so on for all modules, at the same time, the output of the module generator is connected to an uncontrolled rectifier, from the output of which the supply voltage of the module is generated, from which the supply voltage for auxiliary needs and the module control system is formed by means of a non-isolated step-down converter, the generator output is connected to the block of protections and fuses from which the voltage is fed to the non-isolated step-down a voltage converter with a high output current, as well as, to an isolated buck converter with a high output constant voltage, the leads of the current converters are connected in series between the modules, forming the required high total voltage The voltage is controlled, and the control is performed by connecting the control systems of each module using a fiber optic bi-directional communication channel and synchronizing the PWM reference signals of the downconverter using phase offset of the reference signals to increase the ripple of the total voltage.

Благодаря тому, что устройство имеет отдельные генераторы, объединяемые механически с использованием симметричных изолированных валов, вращающихся с одинаковым угловым перемещением, снижается радиальная нагрузка на вал генератора модуля и обеспечивается высоковольтная изоляция естественным образом от модуля к модулю за счет накапливаемого расстояния, превышающего напряжение пробоя в отличие от использования изолирующих трансформаторов, рассчитываемых на максимальное напряжение между обмотками для всех последовательно соединенных модулей, при этом, внутри модуля генератор изолирован, его потенциал относительно точек модулей не превышает напряжения модуля и имеет номинальный зазор и обмотки для низкого напряжения, что существенно увеличивает эффективность за счет гораздо меньшей эквивалентной индуктивности рассеяния. Дополнительно за счет применения смещения фазы опорного напряжения широтно-импульсной модуляции управления понижающими преобразователями тока можно сформировать выходное высокое напряжение с уменьшенной величиной пульсаций.Due to the fact that the device has separate generators connected mechanically using symmetrical insulated shafts rotating with the same angular displacement, the radial load on the generator shaft of the module is reduced and high-voltage isolation is provided naturally from module to module due to the accumulated distance exceeding the breakdown voltage, in contrast to from the use of isolation transformers, designed for the maximum voltage between the windings for all series-connected modules, while the generator is isolated inside the module, its potential relative to the points of the modules does not exceed the module voltage and has a rated clearance and windings for low voltage, which significantly increases efficiency due to much lower equivalent leakage inductance. Additionally, by applying a phase bias of the PWM reference voltage to the buck current converters control, a ripple-reduced high voltage output can be generated.

На чертежах (фиг. 1 и 2) изображены изометрические виды заявляемого устройства, фиг. 3 иллюстрирует кинематическую схему, структурная схема устройства представлена на фиг. 4. На фиг. 1 и 2 изображены виды на устройство снизу и сверху соответственно, присутствуют следующие элементы устройства: 1 - движитель, 2 - опора модуля, 3 - подшипники диэлектрического вала, 4 - вращающийся изолятор, 5 - шкив изолированной части вала, 6 - шкив на валу генератора модуля, 7 - генератор модуля, 8 - ременная передача от изолированного вала к валу генератора модуля, 9 - изолятор между опорами модуля, 10 - блок повышающего преобразователя напряжения и формирователя выходного тока модуля, 11 - плата локальной системы управления модуля и телекоммуникаций между модулями, 12 - блок трансформаторов, сглаживающих емкостей и индуктивностей для повышающего преобразователя и формирователя тока, 13 - выходные проводники преобразователя напряжения модуля и их последовательного соединения между модулями, 14 - проводники выхода блока формирования тока, 15 - питаемая секция, 16 - модуль устройства в составе сборки, 17 - оптоволоконный канал связи со следующим модулем, 18 - оптоволоконный канал связи с предыдущим модулем, 19 - зубчатое колесо вспомогательного диэлектрического вала, 20 - промежуточное зубчатое колесо, 21 - шкив и зубчатое колесо основного диэлектрического вала, 22 - ремень привода основного диэлектрического вала, 23 - шкив движителя.The drawings (Fig. 1 and 2) show isometric views of the claimed device, Fig. 3 illustrates a kinematic diagram, a block diagram of the device is shown in FIG. 4. In FIG. 1 and 2 show views of the device from below and from above, respectively, the following elements of the device are present: 1 - mover, 2 - module support, 3 - dielectric shaft bearings, 4 - rotating insulator, 5 - pulley of the isolated part of the shaft, 6 - pulley on the generator shaft module, 7 - module generator, 8 - belt drive from the insulated shaft to the module generator shaft, 9 - insulator between the module supports, 10 - block of the step-up voltage converter and the output current driver of the module, 11 - board of the local control system of the module and telecommunications between the modules, 12 - block of transformers, smoothing capacities and inductances for the step-up converter and current driver, 13 - output conductors of the module voltage converter and their serial connection between modules, 14 - output conductors of the current formation unit, 15 - powered section, 16 - device module as part of an assembly , 17 - fiber-optic communication channel with the next module, 18 - fiber-optic communication channel with the previous module, 19 - gear wheel of the auxiliary dielectric shaft, 20 - intermediate gear wheel, 21 - pulley and gear wheel of the main dielectric shaft, 22 - drive belt of the main dielectric shaft, 23 - propeller pulley.

На фиг. 3 представлена кинематическая схема модуля устройства, где: 16.1 - ведущий модуль, 16.2 - ведомый модуль, имеющий ту же кинематическую схему что и 16.1.FIG. 3 shows the kinematic diagram of the device module, where: 16.1 - master module, 16.2 - slave module, which has the same kinematic diagram as 16.1.

На фиг.4 представлена структурная схема заявляемого устройства: 16.3 - следующий ведомый модуль, 24 - движитель, 25 - блок механической передачи момента вращения движителя с его распределением электрически изолированным механизмом по модулям, 26 - электромеханический генератор модуля, 27 - выпрямитель, 28 - преобразователь из постоянного напряжения в постоянное для питания собственных нужд модуля, 29 - контроллер и локальная система управления модулем, 30 - блок предохранителей и защит внутренних цепей питания модуля, 31 - понижающий преобразователь тока, формирующий выходное высокое напряжение модуля, 32 - понижающий преобразователь напряжения, формирующий большой выходной ток модуля, 33 - нагрузка большого тока в отдельной секции потребителя, 34 - нагрузка высокого напряжения в секции потребителя, 35 - секции потребителя объединенные последовательным соединением, 34.1, 34.2, 34.3 - секции нагрузки потребителя, каждая из которых объединяет нагрузку большого тока и высокого напряжения.Figure 4 shows a block diagram of the claimed device: 16.3 - the next slave module, 24 - the propeller, 25 - the block of mechanical transmission of the moment of rotation of the propeller with its distribution by an electrically isolated mechanism among the modules, 26 - the electromechanical generator of the module, 27 - the rectifier, 28 - the converter from constant voltage to constant voltage to power the module's auxiliary needs, 29 - controller and local control system of the module, 30 - fuse block and protections for the internal power supply circuits of the module, 31 - down-current converter, which forms the output high voltage of the module, 32 - down-voltage converter, which forms high output current of the module, 33 - high current load in a separate consumer section, 34 - high voltage load in the consumer section, 35 - consumer sections combined in series, 34.1, 34.2, 34.3 - consumer load sections, each of which combines a high current load and high voltage.

Устройство электромеханического высоковольтного модульного источника питания с выводом источника тока низкого напряжения отдельного модуля работает следующим образом. Движитель 1 приводит во вращение шкив основного движителя 21, который через ремень 20 передает момент на шкив и зубчатое колесо 19 основного диэлектрического вала, которое вращает промежуточное зубчатое колесо 18, через которое осуществляется передача на зубчатое колесо вспомогательного диэлектрического вала 17, который вращается с одинаковым угловым перемещением с основным. Основной и вспомогательный валы проходят через подшипники 3, устанавливаемые на опоре модуля 2. Валы через переходники соединены с вращающимися изоляторами 4, устанавливаемыми на валах и предназначенных для обеспечения соответствующей изоляции с напряжением рассчитываемым исходя из напряжения одного модуля и влияния разрядов, утечек от общего напряжения. Изолятор 4, позволяет гальванически развязать генераторы модулей. Это достигается путем установки на изолятор 4 шкива 5 изолированной части вала который передает вращающий момент с использованием пассиков или ременной передачи 8 на шкив на валу генератора модуля 6, который вращает вал генератора модуля 7. Между опорами соседних модулей 2 устанавливается стойки из изоляторов 9. На каждой опоре модуля 2 размещается блок повышающего преобразователя напряжения и формирователя выходного тока 10 и блок локальной системы управления модуля и телекоммуникаций между модулями 11, при этом, блок 10 включает в себя блок 12 трансформаторов, сглаживающих емкостей и индуктивностей для преобразователей 31 и 32. Выходные проводники 13 понижающего преобразователя тока с высоким выходным напряжением 31 подключаются соответственно к нагрузке потребителя 34 а также к соседним модулям по последовательной цепи, причем, положительный полюс модуля соединяется с отрицательным полюсом следующего модуля и отрицательный с положительным соответственно предыдущего. Проводники 14 выхода блока формирования большого тока 32, присоединяются к нагрузке 33. Нагрузки 33 и 34 располагаются конструктивно в питаемой секции 15. Один модуль 16 включает в себя элементы со 2 по 14. Структурная схема, представленная на фиг.4 раскрывает функции выполняемые отдельными узлами устройства. Модуль 16 выстраивается в последовательность модулей, объединяемых механически. Имеются модули 16.1 ведущий, 16.2 - ведомый, и 16.3 - следующий ведомый модуль. Внутренняя структура одного из модулей представлена в виде блока 16.2. Движитель 22 вращает вал, на котором располагаются изоляторы и механизмы распределения и передачи момента, объединяемые как функциональный узел 23. В каждом модуле 16.1, 16.2, 16.3 и т.д. имеется генератор 26 переменного тока, момент на валу которого формируется узлом 23 и поступает на вход 1 блока 16.2. Переменное напряжение поступает на выпрямитель 27. Выпрямленное напряжение подается одновременно на преобразователь собственных нужд 28 и блок предохранителей и защит 30. Преобразователь из постоянного тока в постоянный 28 формирует номиналы напряжений питания, необходимые для работы контроллера и вспомогательных цепей модуля, содержащих датчики, драйверы силовых ключей, элементы связи и др. Блок предохранителей и защит 30 необходим для обеспечения защиты по току при коротких замыканиях силовых ключей преобразователей 31 и 32. Преобразователь 31 осуществляет понижающее преобразование тока, один из полюсов его соединяется с полюсом противоположной полярности в следующем модуле через вход 6, другой - через выход 5. На выходах 2 и 3 (показаны на чертеже как 16.2-2 и 16.2-3 соответственно) преобразователь 31 формирует выходное напряжение, поступающее на потребитель высокого напряжения 34. Преобразователь 32, в общем виде - многоканальный, формирует множество номинальных значений низкого напряжения с большим выходным током, при этом, общий вывод выходной шины преобразователя 32 может иметь гальваническую связь с одним из выходных полюсов преобразователя 31, ток поступает через выход 4 (показан на чертеже как 16.2-4) к потребителю в виде нагрузки 33. Нагрузки 33 и 34 входят в состав секции потребителя 35.2. Секции нагрузок потребителя 35.1, 35.2, 35.3, входят в состав питаемого устройства 36. Контроллер и локальная система управления модулем 29 осуществляет управление преобразователями 31 и 32, формируя импульсы управления ключами, измеряя соответствующие значения токов и напряжений используемых в качестве цепей обратных связей в контурах замкнутой системы управления. При этом, переменные состояния в виде цифровой информации содержащей данные с заданным периодом следования, передаются между модулями с использованием оптоволоконной связи. При этом, оптоволоконные линии 13 соединяются между контроллерами 27 в предыдущем модуле 16.1 и в текущем 16.2, а оптоволоконная линия 14 между контроллерами в текущем 16.2 и следующем 16.3. через порты 7 и 8 в модуле 16.2 соответственно. Модуль 16.1 находящийся под наименьшим потенциалом соединяется с контроллером управления источника питания 35, через порт 7, осуществляющего общее управление с формированием напряжения задания на каждом модуле и его выходного тока, определение действий при перегрузках, авариях. Модули ретранслируют данные от контроллера 35 от одного к другому в двух направлениях.The device of an electromechanical high-voltage modular power supply with an output of a low-voltage current source of a separate module operates as follows. The propeller 1 drives the pulley of the main propeller 21, which transmits torque through the belt 20 to the pulley and the gear 19 of the main dielectric shaft, which rotates the intermediate gear 18, through which the transmission of the auxiliary dielectric shaft 17 to the gear is carried out, which rotates with the same angular moving with the main one. The main and auxiliary shafts pass through bearings 3 mounted on the module support 2. The shafts are connected through adapters to rotating insulators 4 mounted on the shafts and designed to provide adequate insulation with a voltage calculated based on the voltage of one module and the effect of discharges, leaks from the total voltage. Isolator 4, allows galvanic isolation of the module generators. This is achieved by installing on the insulator 4 the pulley 5 of the insulated part of the shaft, which transmits the torque using belts or belt transmission 8 to the pulley on the generator shaft of module 6, which rotates the generator shaft of module 7. Between the supports of adjacent modules 2, stands of insulators 9 are installed. each support of module 2 accommodates a block of a step-up voltage converter and an output current driver 10 and a block of the local control system of the module and telecommunications between modules 11, while block 10 includes a block 12 of transformers, smoothing capacitors and inductors for converters 31 and 32. Output conductors 13 of a step-down current converter with a high output voltage 31 are connected, respectively, to the consumer load 34 as well as to neighboring modules via a serial circuit, moreover, the positive pole of the module is connected to the negative pole of the next module and the negative pole to the positive, respectively, of the previous one. The conductors 14 of the output of the high current generating unit 32 are connected to the load 33. The loads 33 and 34 are structurally located in the powered section 15. One module 16 includes elements 2 to 14. The block diagram shown in Fig. 4 reveals the functions performed by individual nodes devices. Module 16 is arranged in a sequence of mechanically interconnected modules. There are modules 16.1 the master, 16.2 the slave, and 16.3 the next slave. The internal structure of one of the modules is presented in the form of block 16.2. The mover 22 rotates the shaft, on which the insulators and the mechanisms for distribution and transmission of torque are located, which are combined as a functional unit 23. In each module 16.1, 16.2, 16.3, etc. there is an alternating current generator 26, the moment on the shaft of which is formed by the unit 23 and fed to the input 1 of the unit 16.2. The alternating voltage is supplied to the rectifier 27. The rectified voltage is supplied simultaneously to the auxiliary converter 28 and the fuse and protection block 30. The DC to DC converter 28 forms the nominal supply voltages required for the operation of the controller and auxiliary circuits of the module containing sensors, power switch drivers , communication elements, etc. The block of fuses and protections 30 is necessary to ensure current protection in case of short circuits of the power switches of converters 31 and 32. Converter 31 performs a down conversion of current, one of its poles is connected to a pole of opposite polarity in the next module through input 6, the other through output 5. At outputs 2 and 3 (shown in the drawing as 16.2-2 and 16.2-3, respectively), the converter 31 generates an output voltage supplied to the high voltage consumer 34. values low by voltage with a large output current, while the common output of the output bus of the converter 32 can be galvanically coupled with one of the output poles of the converter 31, the current flows through the output 4 (shown in the drawing as 16.2-4) to the consumer in the form of load 33. Loads 33 and 34 are part of consumer section 35.2. Consumer load sections 35.1, 35.2, 35.3 are part of the powered device 36. The controller and the local control system of the module 29 control converters 31 and 32, generating key control pulses, measuring the corresponding values of currents and voltages used as feedback circuits in closed circuits. control systems. At the same time, state variables in the form of digital information containing data with a given repetition period are transmitted between modules using fiber-optic communication. In this case, the fiber-optic lines 13 are connected between the controllers 27 in the previous module 16.1 and in the current 16.2, and the fiber-optic line 14 between the controllers in the current 16.2 and the next 16.3. through ports 7 and 8 in module 16.2, respectively. Module 16.1, which is at the lowest potential, is connected to the control controller of the power supply 35 through port 7, which carries out general control with the formation of the reference voltage on each module and its output current, determination of actions in case of overloads, accidents. Modules relay data from controller 35 from one to the other in two directions.

Применение устройства позволяет осуществить питание потребителей с высоким и сверхвысоким общим напряжением и сформировать требуемые напряжения на секциях нагрузки, дополнительно снабжая ее низким напряжением с большим током. Устройство электромеханического высоковольтного модульного источника питания с выводом большого тока низкого напряжения каждого модуля с движителем, модулями, каждый из которых состоит из изолированного вала, обеспечивающего высокий уровень гальванической и изоляции модулей, генератора в виде электрической машины, обеспечивающий наименьшее значение эквивалентного потока рассеяния (определяется зазором между статором и ротором) для всех модулей, что позволяет увеличить эффективность преобразования, уменьшить сложность выполнения модулей, простого неуправляемого выпрямителя для общего питания, изолированного понижающего преобразователя тока с высоким выходным напряжением, соединяемым последовательно с соседними модулями и обеспечивающего поддержания заданного напряжения, преобразователя из постоянного тока в постоянный большой ток при малом напряжении, способным питать соответствующие нагрузки потребителя, что отсутствует в других прототипах устройств, контроллера управления модуля с системой оптоволоконной связи между соседними модулями, позволяющей обеспечить обмен данными телеметрии и управления с контроллера пользователя источника питания.The use of the device allows powering consumers with high and ultra-high total voltage and forming the required voltages on the load sections, additionally supplying it with low voltage with high current. The device of an electromechanical high-voltage modular power supply with a high-current low-voltage output of each module with a mover, modules, each of which consists of an insulated shaft, providing a high level of galvanic and isolation of modules, a generator in the form of an electric machine, providing the lowest value of the equivalent leakage flux (determined by the gap between the stator and rotor) for all modules, which allows to increase the conversion efficiency, reduce the complexity of the modules, a simple uncontrolled rectifier for the general power supply, an isolated step-down current converter with a high output voltage, connected in series with adjacent modules and ensuring the maintenance of a given voltage, a converter from a DC current into a constant high current at low voltage, capable of supplying the corresponding loads of the consumer, which is absent in other prototypes of devices, the control controller of the module with the system the topic of fiber-optic communication between adjacent modules, allowing the exchange of telemetry and control data from the user controller of the power supply.

Claims

The device of an electromechanical high-voltage modular power supply from series-connected modules, each of which consists of an alternator with an output of the generator connected to the input of the AC to DC rectifier, the output of the rectifier is connected to the input of a controlled isolated down-current converter, while the outputs of the isolated down-current converter of each module are connected in series, forming a high-voltage link, characterized in that the source of torque on the shafts of the module generators is a propulsion device connected to the rotation mechanism of the driving and driven shafts with the same angular position, and the shafts pass through all modules and have inserts of rotating insulators in each of them, pulleys are installed between the rotating insulators, through a belt drive or belt transferring torque to the pulley and the shaft of the module's alternator, while additionally connecting to the rectifier output The inputs of the DC-to-DC converter with a large current connected to the load section of the consumer, the inputs of the DC-to-DC converter to power the internal circuits of the module, and the outputs of the isolated step-down current converter are also connected to the load section of the consumer, with control signals between the modules are transmitted through the first fiber-optic communication channel in both directions, the second fiber-optic channel is used to transmit synchronization pulses of the pulse-width modulation reference signals, and from the module with the lowest electrical potential, the fiber-optic communication channels are connected to an external control controller.