ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Кафедра СКС, Бакаев Олег Викторович

27.11.2023

В статье предложена концепция построения высоковольтного источника питания, способного работать в сложных условиях динамической нагрузки плазменных процессов при ионной очистке лопаток газотурбинных двигателей.

Ключевые слова: высоковольтный источник питания, сложная нагрузка,
ионная очистка поверхности.

Большое количество изделий специального назначения, которые контактируют с внешней средой, требуют специфических требований к своей поверхности, особенно это относится к изделиям авиакосмической техники, работающей в экстремальных условиях. 

В настоящее время для решения этих задач применяют различные технологические процессы, которые связаны с модификацией поверхности ответственных деталей, в том числе и для лопаток газотурбинных двигателей (ГТД).

Как показывает анализ, наиболее эффективными технологиями обработки поверхности деталей является вакуумное ионно-плазменное напыление [1], поскольку имеет широкий выбор наносимых покрытий с заданными характеристиками и возможностью автоматизации всех процессов. Однако, ионно-плазменному напылению должна предшествовать очистка поверхности изделия. Как правило, для этого используют высоковольтную ионною очистку и другие специфичные технологические процессы в глубоком вакууме. Для этих целей необходимо использовать специализированные высоковольтные источники питания (ВИП), способные работать в сложных условиях динамической нагрузки плазменных процессов [2,3]. Управление этими ВИП должно осуществляться информационно-управляющими системами, поскольку человеческий фактор может привести к серьезным экономическим потерям. Это связано, прежде всего, с тем, что темп нарастания и сброса выходного напряжения должен изменяться в зависимости от режима технологического процесса, качества поверхности изделий, интенсивности возникновения микродуговых процессов, прочих явлений, связанных с тестированием работоспособности основных функциональных узлов ВИП и систем защиты.

На рисунке ниже приведен общий вид источника питания ВИП-2-15 для ионной очистки лопаток ГТД.

ВИП-2-15 изготовлен для работы в нормальных климатических условиях и может эксплуатироваться в помещениях, отвечающих требованиям эксплуатации вакуумного оборудования, при температуре окружающего воздуха + (10… 30) °С и влажности не более 70%.

Питание ВИП-2-15 осуществляется от трехфазной сети 3х380В+/-10%, частотой 50(60) Гц.

Габаритные размеры 600х1900х400.

Основные технические характеристики ВИП-2-15:

  • величина выходного напряжения при токе в нагрузке от 0,5 до 15А
    • минимальная, В – 50;
    • максимальная регулируемая, В – от – 900 до – 2000;
  • точность стабилизации по напряжению, не менее, % – 3;
  • величина пульсаций выходного напряжения при максимальном токе нагрузки и максимальном выходном напряжении, не более, % – 3;
  • темп подъема напряжения регулируемый, В/с – от 5,0 до 10;
  • время срабатывания защиты от коротких замыканий и перегрузок по току не более, мкс – 1.
  • темп подъема напряжения после 100 мс паузы до величины, предшествующей срабатыванию высоковольтного ключа, при возникновении микродуги, регулируемый, В/с – от 25,0 до 50.
  • амплитуда тока срабатывания защиты регулируемая, А – от 5,1 до 15,1.

Режим управления:

  • дистанционный от персонального компьютера (ПК) всей системы ионно-плазменного напыления;
  • автономный, при ручном управлении с пульта местного управления;
  • автономный, при ремонтных работах, от индивидуального ПК.

На рисунке ниже приведен типовой режим выходного напряжения ВИП-2-15 от времени в процессе ионной очистки лопаток газотурбинных двигателей.

Оператор, в зависимости от типа детали и тех технологических задач, которые перед ним стоят, может варьировать четырьмя основными параметрами:

  • величиной максимального стабилизированного выходного напряжения;
  • амплитудой тока срабатывания защиты при микро дуговых процессах;
  • темпами подъема напряжения до возникновения микродуги и после.

На рисунке приведена структурная схема высоковольтного источника питания ВИП-2-15. Трехфазное переменное напряжение через автоматический выключатель поступает на сетевой фильтр, фазовые трансформаторы тока в регулируемый выпрямитель, выполненный по схеме Ларионова. Выпрямленное напряжение, заданной величины, через LC фильтр поступает на силовые модули, которые преобразуют это напряжение в переменное высоковольтное повышенной частоты 30 кГц. Затем это напряжение выпрямляется и фильтруется высокочастотным LC фильтром и поступает через силовой ключ-коммутатор в камеру ионно-плазменного напыления. Всеми функциональными узлами управляет система управления с использованием IT технологий на верхнем и нижнем уровне.

СФ – сетевой фильтр; ФДТ – фазовые датчики тока; РВ – регулируемый выпрямитель; СУ_РВ – система управления регулируемым выпрямителем; БС1 – блок согласования с системой управления ионно-плазменного напыления; ДНН – датчик напряжения низковольтный; ДТ1 – датчик тока 1; ПН – преобразователь напряжения; СУ_ПН – система управления преобразователем напряжения; ДНВ – датчик напряжения высоковольтный; ВБК1, ВБК2 – высоковольтные быстродействующие ключи; СУ_ВБК – система управления высоковольтными быстродействующими ключами ВБК1 и ВБК2; КИПН – камера ионно-плазменного напыления.

Преобразователь напряжения построен по модульному принципу. В высоковольтном источнике питания пять модулей. Питание всех модулей осуществляется от регулируемого выпрямителя с уровнем напряжения от 55 В до 520 В. В состав модуля входит полумостовой квазирезонансный инвертор. Основные принципы, теория работы, преимущества и недостатки описаны в литературе [4,5]. Инвертор выполнен на IGBT модуле и шести высоковольтных трансформаторах, первичные обмотки которых подключены параллельно, а вторичные последовательно. Импульсное напряжение с вторичных обмоток в результате суммирования поступает на высокочастотный выпрямитель, а затем на LC фильтр.     Каждый модуль выдает при максимальной нагрузке 15 А напряжение постоянного тока 400 В. Напряжение со всех модулей суммируется и поступает на высоковольтный делитель напряжения и высоковольтный ключ, а с него в камеру ионно-плазменного напыления.

При таком построении модулей упрощается конструкция в целом и значительно сокращается износ изоляции на высоковольтных трансформаторах.

Отличительной особенностью построения системы управления модулями является то, что система управления выдает сдвинутые по фазе импульсы на драйвера управления IGBT модулями. Такой принцип управления позволяет снизить пульсации выходного напряжения. Кроме того, система управления ВИП осуществляет постоянное тестирование работоспособности основных функциональных узлов и систем защиты. В случае аварийной ситуации или неработоспособности какого-либо функционального узла система отключает силовые модули за время не более 2 мкс и выдает информацию о неработоспособности функционального узла и источника питания в целом.

Исполнитель – Бакаев Олег Викторович. Телефон: +7 959 114 92 39 Лугаком, Telegram, WhatsApp. E-mail: foton_777@mail.ru

Литература:

1. Каблов Е.Н., Мубояджян С.А., Будиновский С.А., Помелов Я.А. Ионно-плазменные защитные покрытия для лопаток газотурбинных двигателей // Конверсия в машиностроении, 1999, № 2. С. 42–47.

2. Компания Advanced Energy Industries. Inc. [Электронный ресурс] – URL: https://www.advanced-energy.com/  (дата обращения 07.07.2018).

3. Компания «Плазма Тех» [Электронный ресурс] – URL:http://www.plazmateh.ru/ (дата обращения 07.07.2018).

4. B. Kurchik, A. Pokryvailo, and A. Schwarz, “HV converter for capacitor charging,” Prib. Tekh. Eksp., no. 4, pp. 121–124, 1990.

5. A. Pokryvailo, C. Carp, and C. Scapellati, “High power, high efficiency, low cost capacitor charger concept and demonstration,” in Proc. 17th IEEE Int. Pulsed Power Conf., Washington, DC, Jun. 29–Jul. 2, 2009, pp. 801–806.