УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 1994 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике и касается устройств питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя энергии, "медленно" или "быстро" заряжаемого от трехфазного источника переменного тока (ТИПТ) через вентильно-конденсаторно-дроссельный преобра- зователь за много периодов или менее чем за один период изменения линейных напряжений ТИПТ.

Известно устройство для питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя (ЕН), который заряжается от трехфазного источника переменного тока (ТИПТ1) через вентильно-конденсаторный преобразователь - умножитель напряжения (ВКПУН). ВКПУН образован шестью диодами и тремя дозирующими конденсаторами (ДК). Вентили этого устройства соединены по схеме трехфазного электрического мoста, положительный и отрицательный выводы которого соединены с ЕН, связанным через управляемый коммутатор типа тиристорного ключа с импульсной нагрузкой, а три входа моста через дозирующие конденсаторы подключены к трем фазовым выводам ТИПТ, обмотки которого соединены по схеме "звезда" с нейтралью. Вывод этой нейтрали через ключ или вентиль двусторонней проводимости подключен к отрицательному выводу моста [1] .

Недостатки этого устройства: во-первых, сравнительно малые идеальный и практический коэффициенты использования ТИПТ1 по мощности, не превышающие величины 0,25; во-вторых, наличие большего числа вентилей и дозирующих конденсаторов; в-третьих, выходное напряжение имеет сравнительно низкое значение, не превышающее удвоенного амплитудного значения фазового напряжения источника; в-четвертых, в устройстве невозможно применение трехфазного источника переменного тока, фазные обмотки которого соединены по схеме "треугольник" либо "звездой" без вывода ее нейтрали. Все эти недостатки существенно ухудшают удельные энергетические показатели данного устройства.

Известно также устройство для питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя (ЕН), который заряжается от трехфазного источника переменного тока через вентильно-конденсаторный преобразователь-умножитель напряжения. Этот ВКПУН образован двумя вентилями и двумя дозирующими конденсаторами, соединенными в вентильно-конденсаторные ячейки, в первой из которых вентиль 12 анодом, а во второй катодом соединен с обкладками дозирующих конденсаторов, к выходным шинам которого через зарядный тиристор подключены емкостной накопитель и через управляемый коммутатор типа тиристорного ключа - импульсная нагрузка. При этом фазовые обмотки трехфазного источника переменного тока разобщены и две из них включены между крайними выводами вентильно-конденсаторных ячеек, а третья - между точками соединения конденсаторов и диодов обеих ячеек [2] .

Такое устройство обеспечивает заряд емкостного накопителя (и питание импульсной нагрузки) до максимального напряжения, в 5,2 раза превышающего амплитуду фазового напряжения источника.

Недостаток такого устройства заключается в сравнительно малых идеальном и практическом коэффициентах использования ТИПТ1 по мощности при заряде дозирующих конденсаторов и емкостного накопителя 5, не превышающих величины 0,25, что ухудшает его удельные энергетические показатели. Кроме того, на практике разобщение фазовых обмоток источника не всегда достижимо, что существенно снижает функциональные возможности устройства, усложняет его применение и тем самым ограничивает область использования.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для питания импульсной нагрузки, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя выходными выводами, емкостной накопитель энергии с двумя выводами, соединенными через управляемый ключ, например тиристорный, с нагрузкой, первый дозирующий конденсатор, включенный между третьим выводом трехфазного источника переменного тока и вторым выводом емкостного накопителя, второй дозирующий конденсатор, первая обкладка которого соединена с первым выводом трехфазного источника переменного тока, два вентиля, катод первого из которых связан с второй обкладкой второго дозирующего конденсатора, анод второго - с одной обкладкой первого дозирующего конденсатора, а точка соединения первого и второго вентилей - с вторым выводом трехфазного источника переменного тока, зарядный тиристор, катод которого подключен к первому выводу емкостного накопителя, а анод - к второй обкладке второго дозирующего конденсатора, и блок управления устройством, первый и второй входы которого связаны с первым и третьим выводами трехфазного источника переменного тока, третий и четвертый входы - с первым и вторым выводами емкостного накопителя, первый и второй выходы - с управляющим переходом зарядного тиристора, третий и четвертый выходы - с управляющим электродом и катодом управляемого ключа [3] .

Это устройство (прототип) допускает соединение фазных обмоток А, В и С трехфазного источника переменного тока (ТИПТ-1) как по схеме "звезда", так и по схеме "треугольник" и обеспечивает питание импульсной нагрузки от "быстро" заряжaемого EH5 - за каждый период изменения линейного напряжения источника до напряжения немногим более удвоенной амплитуды линейного напряжения ТИПТ1, а от "медленно" заряжаемого ЕН5 (за много периодов изменения линейных напряжений ТИПТ1 при приемлемом условии, когда максимальное напряжение U_EHm заряда емкостного накопителя в два раза меньше прикладываемого к выводам ЕН5 напряжения, до напряжения, примерно равного амплитуде U_mл линейного напряжения ТИПТ1.

Однако, такие устройства имеют: сравнительно малый идеальный коэффициент использования ТИПТ1 по мощности, под которым понимается отношение средней мощности линий источника 1 к максимальной мощности, и не превышающий при заряде ДК10 или ДК11 величины К'_ии10 = К'_ии11 = К_иис≅ 0,25, а при разряде ЕН5 от последовательно - согласно включенных ТИПТ1, ДК10 и ДК11 - величины К_ии5 = К_иин ≅ 0,283 даже при включении в цепь заряда ЕН5 дополнительного резистора со сравнительно большим сопротивлением R, который уменьшает относительное время заряда емкостного накопителя 5 за половину периода изменения линейного напряжения u₄₂ ТИПТ1 (t = = t_π= π/ω) до приемлемой величины t_π* = = t_π/τ_cэ= π/(ωr_c5C_э) = 3, где τ_сэ = r_c5C_э - постоянная времени устройства; ω= 2πf - круговая частота изменения фазных (линейных) напряжений ТИПТ1; r_c5 - активное сопротивление устройства при заряде ЕН5 через дополнительный резистор, обеспечивающее требуемое относительное время t_π* = 3; C_э = C/(2 + C/C_н) - эквивалентная емкость устройства - системы при емкости ДК10 или ДК11 С₁₀ = С₁₁ = С; Сн - емкость ЕН5 (при t_π* > 3 коэффициент К_иин существенно уменьшается, а при сопротивлении дополнительного резистора R ≈ 0 относительное время t_π* ≈ 30 и идеальный коэффициент использования линии 2-4 ТИПТ1 К_иин приближается к нулю).

Кроме того, у этих устройств сравнительно малый КПД заряда емкостного накопителя 5 от последнего - согласно включенным ДК10, ДК11 и ТИПТ1 в пределе (при относительном времени t_π*, стремящемся к бесконечности), не превышающий величины η_зн = 0,5, а при относительном времени t_π* = 3 η_зн ≈ 0,418; сравнительно малый практический коэффициент использования самой нагруженной линии 2-4 ТИПТ1 по мощности (при заряде ЕН5 от последовательно-согласно включенных ДК10, ДК11 и источника 1), под которым понимается отношение средней зарядной мощности Р_зеремкостного накопителя 5 и максимальной линейной мощности Р_лm источника 1 для "быстрого" заряда ЕН5, не превышающий величины К_ипнпрб= Р_зер/Р_лm = = К_иин η_зн = 0,119, а для "медленного" заряда ЕН5 при условии, что максимальное напряжение заряда емкостного накопителя 5 U_енm в два раза меьше прикладываемого к выводам 6 и 7 ЕН5 максимального напряжения U_67m(U_енm = U_67m/2), не превышающий величины К_ипнпрм = Р_зер/Р_лm = К_иин˙ К_зн ˙ η_зн = = 0,283˙0,75˙0,418 ≈ 0,089, где К_зн = Р_зер/Р_зm = = 1/1,333 = 0,75 - коэффициент неравномерности зарядной мощности ЕН5, равный отношению средней зарядной мощности Р_зер ЕН5 к его максимальной зарядной мощности Р_зm = 1,333 Р_зер в началe емкостного накопителя 5; сравнительно большая максимальная установленная мощность трехфазного источника 1 переменного тока Р_иm = P_лm = Р_зер/К_ипи = 14,6 Р_зер при "быстром" заряде ЕН5 и Р_иm = 19,5 Р_зер при "медленном" заряде ЕН5, которая превышает среднюю зарядную мощность Р_зер ЕН5; сравнительно малый средний КПД устройства при заряде ДК10, ДК11 и ЕН5, не превышающий для "быстрого" заряда ЕН5 величины η_зпрб ≈ 0,78, а для "медленного" заряда ЕН5 η_зпрм ≈ 0,541; сравнительно больший расход топлива для работы энергетической установки с ТИПТ1, который обратно пропорционален сравнительно малому среднему КПД устройства - прототипа η_зпр; сравнительно большая мощность потерь энергии в устройстве - прототипе [3] .

При разряде дозирующих конденсаторов 10 и 11 на заряжаемый в режиме "быстрого" заряда емкостной накопитель 5 на них всегда остается сравнительно более остаточное конечное напряжение U_10К = U_11К = U_0К, которое уменьшает и так малый идеальный коэффициент использования линий 4-3 или 3-2 источника 1 по мощности при последующих зарядах ДК10 и ДК11.

Цель изобретения - улучшение удельных энергетических показателей устройства путем уменьшения установленной мощности трехфазного источника переменного тока за счет увеличения практического коэффициента использования его по мощности и увеличение КПД устройства, что уменьшает расход топлива для работы энергетической установки с указанным источником и мощность потерь энергии в устройстве и массу подсистемы его охлаждения, а также реализация оптимального режима "быстрого" заряда емкостного накопителя за половину периода изменения линейного напряжения трехфазного источника переменного тока путем получения максимального КПД заряда емкостного накопителя и обеспечения полного разряда дозирующих конденсаторов на емкостной накопитель.

Устройство для питания импульсной нагрузки (см. фиг. 1), содержащее трехфазный источник 1 переменного тока с тремя выходными выводами 2, 3 и 4, емкостной накопитель 5 с двумя выводами 6 и 7, соединенными через управляемый ключ 8, например тиристорный, с нагрузкой 9, первый дозирующий конденсатор 10, первая обкладка которого связана с третьим выводом 4 трехфазного источника 1 переменного тока, второй дозирующий конденсатор 11, первая обкладка которого соединена с первым выводом 2 трехфазного источника 1 переменного тока, два вентиля 12 и 13, точка соединения которых связана с вторым выводом 3 трехфазного источника 1 переменного тока, а анод второго вентиля 13 подключен к второй обкладке первого дозирующего конденсатора 10, зарядный тиристор 14, анод которого связан с катодом первого вентиля 12 и второй обкладкой второго дозирующего конденсатора 11, а катод - с первым выводом 6 емкостного накопителя 5, и блок 15 управления устройством, первый и второй входы которого с первым 2 и третьим 4 выводами трехфазного источника 1 переменного тока, третий и четвертый входы - с первым 6 и вторым 7 выводами емкостного накопителя 5, первый и второй выходы - с управляющим переходом зарядного тиристора 14, третий и четвертый выходы - с управляющим (поджигающим) электродом и катодом управляемого ключа 8, дополнительно снабжено линейным дросселем 16, включенным между вторым выводом 7 емкостного накопителя 5 и второй обкладкой первого дозирующего конденсатора 10, причем индуктивность L линейного дросселя 16 определяется выражением:
L= , (1) где С - емкость первого (10) или второго (11) дозирующего конденсатора;
С_н - емкость емкостного накопителя 5 энергии;
Q= /(R_ли+R_лд+R_зтп) - добротность устройства при зарядке емкостного накопителя 5 через линейный дроссель 16 с активным сопротивлением R_лд;
R_ли - активное внутреннее линейное сопротивление трехфазного источника 1 переменного тока;
R_зтп - среднее значение сопротивления зарядного тиристора 14 в проводящем направлении;
f - частота изменения фазных (линейных) напряжений трехфазного источника 1 переменного тока.

Устройство для питания импульсной нагрузки (второй вариант) дополнительно снабжено (см. фиг. 2) вторым линейным дросселем 17, включенным между вторым выходным выводом 3 трехфазного источника 1 переменного тока и точкой соединения первого 12 и второго 13 вентилей, при этом индуктивность L₂ второго линейного дросселя 17 определяется выражением
L₂= , (2) где Q₂= (R_ли+R_лд2+R_вп) - добротность устройства при заряде первого 10 или второго 11 дозирующих конденсаторов через второй линейный дроссель 17 с сопротивлением R_лд2;
R_вп - среднее значение сопротивления первого 12 или второго 13 вентилей в проводящем направлении.

В третьем варианте устройства отношение емкости С первого 10 или второго 11 дозирующих конденсаторов к емкости С_н емкостного накопителя 5 определяется выражением
, (3) где η_зн - КПД устройства при заряде емкостного накопителя 5 через линейный дроссель 16.

Индуктивность L дросселя 16 определяется выражением (1), что обеспечивает заряд (подзаряд) емкостного накопителя 5 полупериодом практически синусоидального тока с целью увеличения идеального коэффициента использования самой нагруженной линии 2-4 трехфазного источника 1 переменного тока по мощности К_иин с К_иинпр = 0,283 у прототипа до К_иин ≈ 0,5 в предлагаемом устройстве и увеличения КПД заряда емкостного накопителя 5 от последовательно - согласно соединенных ДК10, ДК11 и ТИПТ1 через линейный дроссель 16 с η_зипр ≈ 0,418 до максимальной величины η_зн ≈ 0,98-0,999 в предлагаемом устройстве. Это увеличивает практический коэффициент использования самой нагруженной линии 2-4 ТИПТ1 по мощности от величины К_ипнпрб = К_иинпр˙η_зипр = 0,119 при "быстром" заряде ЕН5 и К_иинпрм = К_иинпр К_зн˙ η_зипр = = 0,089 при "медленном" заряде ЕН5 у прототипа (3) до величины К_ипнб = К_иин˙ η_зн ≈ 0,49- -0,4995 при "быстром" заряде ЕН5 и К_ипим = К_иин˙К_зн ˙η_зн ≈ 0,368 - 0,375 при "медленном" заряде ЕН5 в предлагаемом устройстве по фиг. 1.

Все это уменьшает установленную мощность самого тяжелого агрегата устройства - трехфазного источника 1 переменного тока предлагаемого устройства по фиг. 1 и увеличивает средний КПД системы и улучшает (увеличивает) такие удельные энергетические показатели, как удельные энергия W_Em и мощность W_pm по массе. Кроме того, увеличение среднего КПД предлагаемого устройства уменьшает расход топлива для работы энергетической установки с ТИПТ1, а значит и массу подсистемы его охлаждения по сравнению с прототипом.

На фиг. 1 приведена схема первого варианта устройства для питания импульсной нагрузки; на фиг. 2 - то же, второй вариант устройства для питания импульсной нагрузки; на фиг. 3 - возможная схема блока управления устройствами при "медленном" заряде емкостного накопителя за много периодов изменения линейных напряжений трехфазного источника переменного тока; на фиг. 4 - возможная схема блока управления устройствами при "быстром" заряде емкостного накопителя за половину периода изменения линейных напряжений ТИПТ и при питании импульсной нагрузки каждый период изменения линейного напряжения u₄₂ источника; на фиг. 5 - схема замещения предлагаемых устройств при заряде емкостного накопителя от последовательно-согласно включенных первого и второго дозирующих конденсаторов и источника через линейный дроссель; на фиг. 6 - графические зависимости среднего КПД предлагаемых устройств.

Предложенное устройство для питания импульсной нагрузки содержит трехфазный источник 1 переменного тока (ТИПТ1) с тремя выходными выводами 2, 3 и 4, емкостной накопитель (ЕН) 5 энергии с двумя выводами 6 и 7, соединенными через управляемый ключ 8, например тиристорный, с нагрузкой 9, первый и второй дозирующие конденсаторы (ДК) 10 и 11, первый и второй вентили 12 и 13, зарядный тиристор 14, блок 15 управления устройством с четырьмя входами и четырьмя выходами и линейный дроссель 16, включенный между вторым выводом 7 емкостного накопителя 5 и одной обкладкой первого дозирующего конденсатора 10. Первый дозирующий конденсатор 10 включен между третьим выходным выводом 4 ТИПТ1 и точкой соединения анода второго вентиля 13 первым выводом линейного дросселя 16. Второй дозирующий конденсатор 11 включен между первым выходным выводом 2 ТИПТ1 и точкой соединения катода первого вентиля 12 с анодом зарядного тиристора 14, катод которого подключен к первому выводу 6 емкостного накопителя 5. Точка соединения анода первого вентиля 12 с катодом второго вентиля 13 подключена к второму выходному выводу 3 ТИПТ1. Первый и второй входы блока 15 управления устройством связаны с первым 2 и третьим 4 выходными выводами ТИПТ1, третий и четвертый входы - с первым 6 и вторым 7 выводами емкостного накопителя 5, первый и второй выходы - с управляющим переходом зарядного тиристора 14, а третий и четвертый выходы - с управляющим (поджигающим) электродом и катодом управляемого ключа 8. Причем индуктивность L линейного дросселя 16 определяется выражением (1).

Предложенное устройство для питания импульсной нагрузки по фиг. 2 отличается от устройства по фиг. 1 тем, что оно дополнительно снабжено вторым линейным дросселем 17, включенным между вторым выходным выводом 3 ТИПТ1 и точкой соединения первого 12 и второго 13 вентилей и индуктивность L₂ второго линейного дросселя 17 определяется выражением (2).

При этом для реализации оптимального режима "быстрого" разряда первого 10 и второго 11 дозирующих конденсаторов на емкостной накопитель 5 через линейный дроссель 16 в предложенных устройствах по фиг. 1 и фиг. 2 отношение емкости С первого 10 или второго 11 дозирующих конденсаторов к емкости С_н емкостного накопителя 5 определяется выражением (3).

Блок 15 управления предложенными устройствами по фиг. 1 и фиг. 2 при "медленном" заряде ЕН5, схема которого приведена на фиг. 3, содержит импульсный трансформатор 18 с первичной обмоткой 19 и вторичной обмоткой 20, один вывод которой через развязывающий диод 21 связан с управляющим электродом зарядного тиристора 14, а другой ее вывод - с катодом тиристора 14, делитель линейного напряжения U₂₄ ТИПТ1 на двух резисторах 22 и 23, конденсатор 24, получающий питание от линии 2-4 источника 1 через трансформатор 25, мостовой выпрямитель 26 и фильтр 27. Первичная обмотка 19 импульсного трансформатора 18 включена параллельно резистору 22 делителя линейного напряжения U₂₄ источника 1. Два входа компаратора 24 подключены к первому 6 и второму 7 выводам емкостного накопителя 5, а два его выхода - к управляющему (поджигающему) электроду управляемого ключа 8.

Блок 15 управления предложенными устройствами по фиг. 1 и 2 при "быстром" заряде ЕН5, схема которого приведена на фиг. 4, содержит импульсный трансформатор 18 с одной первичной обмоткой 19 и двумя вторичными обмотками 20 и 21. Точка соединения начала первой вторичной обмотки 20 и конца второй вторичной обмотки 21 импульсного трансформатора 18 подключена к катодам зарядного тиристора 14 и управляемого ключа 8, конец первой вторичной обмотки 20 связан через развязывающий диод 22 с управляющим электродом зарядного тиристора 14. Начало второй вторичной обмотки 21 соединено через развязывающий диод 23 с управляющим электродом управляемого ключа 8. Первичная обмотка 19 импульсного трансформатора 18 включена параллельно резистору 24 делителя линейного напряжения трехфазного источника 1 переменного тока на резисторах 24 и 25.

Работа предлагаемых устройств по фиг. 1 и 2.

Когда линейное напряжение u₃₄ источника 1 отрицательно (потенциал вывода 4 выше потенциала вывода 3), происходит заряд первого дозирующего конденсатора 10 в устройстве по фиг. 1 по цепи: ТИПТ1 - вывод 4 - ДК10 - вентиль 13 - вывод 3 - ТИПТ1 током i₁₀ = i_c = U_m ω Ccos ω t до максимального напряжения U_10m = U_Cm = U_mл в конце четверти периода изменения линейного напряжения u₄₃ источника 1 с амплитудой U_mл, а в устройстве по фиг. 2 по цепи: ТИПТ1 - вывод 4 - ДК10 - вентиль 13 - линейный дроссель (ЛД) 17 - вывод 3 - источник 1 током i₁₀ = i_C = U_mл(sin ω t)/(ω L₂) до максимального напряжения U_10m= U_cm= dt≈U_mл(1+e )Π/4 в конце отрицательного полупериода, где ω = 2 π f - круговая частота изменения напряжений источника 1 с частотой f, С - емкость ДК10 или ДК11, L₂ - индуктивность второго линейного дросселя 17, Q₂= /r_c - добротность устройства при заряде ДК10 или ДК11 через ЛД17, r_C = R_ли + R_лд2 + R_вп - активное сопротивление системы при заряде ДК10 или ДК11, R_ли - активное внутреннее линейное сопротивление источника 1, R_лд2 - активное сопротивление линейного дросселя 17, R_вп - среднее значение сопротивления вентиля 12 или 13 в проводящем направлении.

Когда линейное напряжение u₂₃ ТИПТ1 отрицательно (потенциал вывода 3 выше потенциала вывода 2) происходит заряд второго дозирующего конденсатора 11 в устройстве по фиг. 1 по цепи: источник 1 - вывод 3 - вентиль 12 - ДК11 - вывод 2 - ТИПТ1 током i₁₁ = i₁₀ = i_C до максимального напряжения U_11m = U_10m = U_Cm = U_mл в конце половины отрицательного полупериода, а в устройстве по фиг. 2 - по цепи: источник 1 - вывод 3 - ЛД17 - вентиль 12 - ДК11 - вывод 2 - ТИПТ1 током i₁₁= i₁₀= i_c= U_mлe (sinωt)/(ωL₂) до максимального напряжения U_11m= U_10m= U_cm≈U_mл(1+e )Π/4) в конце отрицательного полупериода изменения напряжения u₂₃.

Когда линейное напряжение u₄₂ отрицательно (потенциал вывода 2 выше потенциала вывода 4), в начале этого отрицательного полупериода импульсный трансформатор 18 блока 15 управления устройством по фиг. 1 или 2 импульсом напряжения с его вторичной обмотки 20 открывает зарядный тиристор 14, первый 10 и второй 11 дозирующие конденсаторы и источник 1 соединяются последовательно - согласно друг с другом и от их суммарного напряжения 2U_Cm + u₄₂ через линейный дроссель 16 заряжается в квазирезонансном режиме током i₅ = i по цепи (см. фиг. 5): источник 1 - вывод 2 - ДК11 - зарядный тиристор 14 - вывод 6 - ЕН5 - вывод 7 - ЛД16 - ДК10 - вывод 4 - ТИПТ1 емкостной накопитель 5 при "быстром" его заряде до максимального напряжения в конце отрицательного полупериода изменения напряжения u₄₂ источника, составляющего U_5m= U_ЕНm= idt≈U_mл(2+ )(1+e ) в устройстве по фиг. 1, и U_5m= U_ЕНm= idt≈U(1+e )×[2(1+e )+1] в устройстве по фиг. 2, а при "медленном" заряде емкостного накопителя 5 к его выводам 6 и 7 прикладывается максимальное напряжение U_67m ≈ 2U_mл в устройстве по фиг. 1 и U_67m≈U[2(1+e )+1] в устройстве по фиг. 2. В конце отрицательного полупериода изменения линейного напряжения u₄₂ источника 1, когда практически синусоидальный ток заряда (подзаряда) ЕН5 i₅ = i приближается к нулю, зарядный тиристор 14 естественным образом закрывается. Здесь выше Q= /r_н - добротность устройства при заряде емкостного накопителя с емкостью С_нчерез линейный дроссель 16; r_н = R_ли + R_лд + R_зтп - активное сопротивление устройства при заряде ЕН5 через ЛД16; R_лд - активное сопротивление линейного дросселя 16; R_зтп - среднее значение сопротивления зарядного тиристора 14 в проводящем направлении.

При "быстром" заряде емкостного накопителя 5, когда линейное напряжение u₄₂ положительно (потенциал вывода 4 выше потенциала вывода 2), в начале положительного полупериода импульсный трансформатор 18 блока 15 управления устройством (см. фиг. 4) импульсом напряжения его второй вторичной обмотки 21 открывает управляемый тиристорный ключ 8 и следует разряд емкостного накопителя 5 на импульсную нагрузку 9. И так далее циклически - с частотой изменения линейных напряжений u₂₃, u₃₄ и u₄₂ следуют описанные выше заряд ДК11 и ДК12 до максимального напряжения U_10m = U_11m = U_сm = U_mл в устройстве по фиг. 1 и U_сm≈U(1+e )) в устройстве по фиг. 2, а затем заряд ЕН5 до максимального напряжения -π/₎ в устройстве по фиг. 1 и -π/_)+1] в устройстве по фиг. 1 и разряд ЕН5 на импульсную нагрузку 9.

Приведенные простые приближенные выражения для определения максимального напряжения заряда ДК10 или ДК11, прикладываемого к выводам 6 и 7 ЕН5 максимального напряжения U_67m и максимального напряжения "быстрого" заряда емкостного накопителя 5 как явные функции добротности Q₂ и Q устройств получены путем аппроксимации из точных зависимостей от добротности Q₂ и Q устройств, рассчитанных по весьма громоздким точным аналитическим выражениям как неявным функциям добротностей Q₂ и Q устройств, и позволяют определять эти напряжения с погрешностью при Q₂ = 10 и Q = 10 до 2,5% , при Q₂ = 20 и Q = 20 - около 1% , а для реальной добротности устройств Q₂ ≥ 50 и Q ≥ 50 погрешность пренебрежимо мала.

Описанным путем в устройствах по фиг. 1 и фиг. 2 при "медленном" заряде емкостного накопителя 5 заряд ДК10 и ДК11 до максимального напряжения U_10m = U_11m = = U_Cm и подзаряд ЕН5 порцией энергии происходит каждый последующий период изменения линейных напряжений u₃₄, u₃₂ и u₄₂, пока емкостной накопитель 5 не заряжается до требуемого максимального напряжения заряда емкостного накопителя 5 приемлемой величиной
U_5m = U_EHm = U_67m/2 ≈ U_mл, (4) для устройства по фиг. 1 и
_)+1]/2, (4, а) то максимальная зарядная мощность ЕН5 в начале его заряда Р_зm = Р_зо = 1,333С_н U²_енm/(2t_зк) = 1,333Р_зер, где С_н >> С - емкость ЕН5; t_зк - время заряда ЕН5 до максимального напряжения U_енm, в конце его заряда Р_зк = 0,75Р_зер, а средняя зарядная мощность емкостного накопителя 5 будет определяться выражением
Р_зер = (Р_зm + Р_зк)/2 ≈ C_нU²_енm/(2t_зк) ≈ ≈Е_пи/t_зк, где Е_пи - энергия импульса питания нагрузки 9.

Следовательно, коэффициент неравномерности зарядной мощности емкостного накопителя 5, равный отношению средней зарядной мощности Р_зерЕН5 к его максимальной зарядной мощности Р_зm = 1,333Р_зер составит К_зн = Р_зер/Р_зm = Р_зер/(1,333Р_зер) = 0,75. (5)
Когда емкостной накопитель 5 "медленно" зарядится до максимального напряжения U_енm = U_67m/2, компаратор 24 (см. фиг. 3) блока 15 управления устройством по фиг. 1 или 2 своим выходным импульсом напряжения открывает управляемый тиристорный ключ 8 и ЕН5 разряжается на импульсную нагрузку 9. И так далее циклически описанным путем следует заряд ЕН5 до максимального зарядного напряжения U_енm и его последующего разряда на импульсную нагрузку 9.

КПД "быстрого" заряда емкостного накопителя 5 в устройствах по фиг. 1 и 2 определяется следующим выражением:
η_35б= η_знб= , (6) а КПД "медленного" заряда ЕН5 в устройствах по фиг. 1 и 2 - выражением:
, (6, а) где τ_LCн² = LC_н - характеристическое время устройства в квадрате при заряде ЕН5;
τ_L = L/r_н - постоянная времени устройства;
t_зк* = t_зк/τ_L - относительное время заряда ЕН5, нормированное по постоянной времени τ_L устройства.

КПД заряда первого 10 или второго 11 дозирующих конденсаторов в устройстве по фиг. 1 η_з10 = η_з11 = η_зе ≈ 0,98 как при "быстром", так и при "медленном" заряде ЕН5, а КПД их заряда в устройстве по фиг. 2 - следующими выражениями:
η_з10б= η_з11б= η_зсб=
(7) при "быстром" заряде ЕН5 и
η_з10м= η_з11m= η_зсм= (7, а) при "медленном" заряде ЕН5, где = L₂C - характеристическое время устройства в квадрате при заряде ДК10 или ДК11 через второй линейный дроссель 17; τ_L2 = L₂/r_C - постоянная времени устройства.

Идеальный коэффициент использования линии 3-4 или линии 2-3 трехфазного источника 1 переменного тока по мощности в устройстве - системе по фиг. 1 составляет величину К_ии10 = К_ии11 = К_иис = 0,25 (заряд ДК10 или ДК11 происходит практически синусоидальным током i_с четверть периода изменения линейных напряжений u₃₄ или u₂₃ источника 1).

Идеальный коэффициент использования самой нагруженной линии 4-2 ТИПТ1 по мощности в устройствах - системах по фиг. 1 и 2 как при "быстром", так и при "медленном" зарядах ЕН5 определяется выведенным выражением и в пределах изменения добротности Q устройства от 2 до бесконечности практически неизменен и составляет величину К_ии5 = К_иин ≈ 0,5 (заряд ЕН5 происходит практически синусоидальным током i₅ = i за половину периода изменения линейного напряжения u₄₂ источника 1. При этом под идеальным коэффициентом использования любой линии ТИПТ1 понимается отношение средней мощности Р_лср линии к ее максимальной мощности Р_лm за половину рабочего полупериода изменения соответствующего линейного напряжения источника 1.

Практический коэффициент использования самой нагруженной линии 4-2 ТИПТ1 по мощности (при заряде ЕН5 через линейный дроссель 16), под которым понимается отношение средней зарядной мощности Р_зсрб = С_иU_eнmf/2 (при "быстром" заряде ЕН5) и Р_зсрм = С_иU²_енm/(2t_зк) (при "медленном" заряде ЕН5) емкостного накопителя 5 к максимальной мощности Р_лm = Р_5mэтой линии источника 1, определяется выражением
K_ИП5б = K_ипнб = = K_ИИНη_зн, (8) при "быстром" заряде ЕН5 и
K_ИП5м = K_ипнм = = K_ИИНK_знη_зн, (8, а) при "медленном" заряде ЕН5 и U_енm = = U_67m/2, когда коэффициент неравномерности средней зарядной мощности емкостного накопителя 5 К_зн = 0,75.

Максимальная установленная мощности ТИПТ1
P_Иm = P_5m = P_зер/K_ИПН. (9)
Средний КПД предлагаемых устройств по фиг. 1 и 2 и устройства - прототипа можно определить по выражению
η_з= η_зс +η_зн, (10) где Р_10m = Р_11m = U_mл I_5m sin 45^o ˙cos45^o = = 0,5U_mл I_5m,
I_5m - максимальный ток заряда (подзаряда) ЕН5.

Средний практический коэффициент использования ТИПТ1 по мощности предлагаемых устройств по фиг. 1 и 2 и прототипа определяется выражением
K_ИП= K_ИИСη_зс + K_ИИНK_знη_зн. (11)
Кроме того в устройствах по фиг. 1 и 2 при "быстром" заряде емкостного накопителя 5 для полного разряда первого 10 и второго 11 дозирующих конденсаторов с емкостью С₁₀ = С₁₁ = С на емкостной накопитель 5 с емкостью С₅ = С_н соотношение емкостей С/C_н как функция добротности Q устройств должно определяться выражением (1). Рассчитанная по выражению (1) с использованием выражения (6) графическая зависимость соотношения емкостей (С/C_н)б от добротности Q предлагаемых устройств при заряде ЕН5 через ЛД16 приведена на фиг. 6.

На фиг. 6 приведены графические зависимости рассчитанного по выражению (10) с использованием выражений (5 - 7, а) среднего КПД предлагаемых устройств η_з1б и η_з2б по фиг. 1 и 2 соответственно при "быстром" заряде ЕН5 и предлагаемых устройств η_з1м и η_з2м по фиг. 1 и 2 соответственно при "медленном" заряде ЕН5, а также среднего КПД прототипа η_зпрб и η_зпрм при "быстром" и "медленном" зарядах ЕН5, рассчитанного по выражениям (8) и (8, а) практического коэффициента использования самой нагруженной линии 4-2 ТИПТ1 по мощности для предлагаемых устройств К_ипб и К_ипм и прототипа К_иппрб и К_иппрм при "быстром" и "медленном" зарядах ЕН5 соответственно от добротности Q предлагаемых устройств.

Таким образом, снабжение устройства для питания импульсной нагрузки дополнительно линейным дросселем 16, индуктивность L которого определяется выражением (1) (см. фиг. 1) устройства по фиг. 1 - дополнительно вторым линейным дросселем 17, индуктивность L₂ которого определяется выражением (2) (см. фиг. 2), новыми связями между элементами устройств и выбор в устройствах для "быстрого" заряда ЕН5 оптимального отношения емкости С ДК10 или ДК11 к емкости С_н емкостного накопителя 5 в соответствии с выражением (3), улучшает удельные энергетические показатели (удельные энергию и мощность устройств по их массе) путем уменьшения максимальной установленной мощности трехфазного источника 1 переменного тока за счет увеличения практического коэффициента использования самой нагруженной линии 4-2 ТИПТ1 по мощности (при заряде ЕН5 через ЛД16) и увеличения КПД предлагаемых устройств, что дополнительно уменьшает расход топлива для работы энергетической установки с источником 1 и мощность потерь энергии в устройствах, а следовательно, и массу подсистем их охлаждения. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 684723, кл. H 03 K 3/53, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР N 661730, кл. H 03 K 3/53, 1976.

3. Авторское свидетельство СССР N 790151, кл. H 03 K 3/53, 1980.

4. О. Г. Булатов и А. Н. Уаренко. Тиристорно-конденсаторные преобразователи. - М. : Энергоиздат, 1982, с. 42, табл. 3.1, с. 50.

5. Ю. К. Розанов. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. М. : Энергоатомиздат, 1987, с. 184.

6. Электромагнитная пушка. Бюллетень иностранной научно-технической информации: ТАСС, 12.12.1990, N 49 (2503), с. 35-38.

7. Силовые полупроводниковые приборы. Справочник /О. Г. Чебовский, Л. Г. Моисеев, Р. П. Недошвин. 2-е изд. перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1985, с. 277-280 табл. 13.7 и 13.8, с. 158 и 159, табл. 8,1, с. 248-250, табл. 13.1 и 13.2; с. 138, табл. 7.1 и 7.2, с. 205-208, табл. 11.13 и 11.14.

Изобретение относится к импульсной технике и касается устройств питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя (ЕН) энергии "медленно" или "быстро" заряжаемого от трехфазного источника переменного тока (ТИПТ) через вентильно - конденсаторно - дроссельный преобразователь за много периодов или менее чем за один период изменения линейных напряжений ТИПТ. Устройство содержит источник переменного тока, емкостной накопитель энергии, управляемый ключ, дозирующие конденсаторы, вентили зарядный тиристор, блок управления, линейный дроссель. Индуктивность линейного дросселя определяется выражением, приведенным в тексте описания изобретения. 6 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ , содеpжащее источник пеpеменного тока с тpемя выходными выводами, емкостный накопитель энеpгии с двумя выводами, соединенными чеpез упpавляемый ключ, напpимеp тиpистоpный, с нагpузкой, пеpвый дозиpующий конденсатоp, пеpвая обкладка котоpого связана с тpетьим выводом тpехфазного источника пеpеменного тока, втоpой дозиpующий конденсатоp, пеpвая обкладка котоpого соединена с пеpвым выводом тpехфазного источника пеpеменного тока, два вентиля, точка соединения котоpых связана с втоpым выводом тpехфазного источника пеpеменного тока, а анод втоpого вентиля подключен к втоpой обкладке пеpвого дозиpующего конденсатоpа, заpядный тиpистоp, анод котоpого связан с катодом пеpвого вентиля и втоpой обкладкой втоpого дозиpующего конденсатоpа, а катод - с пеpвым выводом емкостного накопителя, и блок упpавления устpойством, пеpвый и втоpой входы котоpого связаны с пеpвым и тpетьим выводами тpехфазного источника пеpеменного тока, тpетий и четвеpтый входы - с пеpвым и втоpым выводами емкостного накопителя, пеpвый и втоpой выходы - с упpавляющим пеpеходом заpядного тиpистоpа, тpетий и четвеpтый выходы - с упpавляющим (поджигающим) электpодом и катодом упpавляемого ключа, отличающееся тем, что, с целью улучшения удельных энеpгетических показателей устpойства путем уменьшения установленной мощности тpехфазного источника пеpеменного тока за счет увеличения пpактического коэффициента использования его по мощности и увеличения КПД устpойства, оно дополнительно снабжено пеpвым линейным дpосселем, включенным между втоpым выводом емкостного накопителя и втоpой обкладкой пеpвого дозиpующего конденсатоpа, пpичем индуктивность L₁ линейного дpосселя опpеделяется выpажением L₁ = ,
где C - емкость первого или второго дозирующих конденсаторов;
C_н - емкость емкостного накопителя энергии;
Q₁ = /(R_л.н+ R+ R_з.т.п) - добротность устройства при заряде емкостного накопителя через линейный дроссель с активным сопротивлением R_л.д1, где R_л.н - активное внутреннее линейное сопротивление трехфазного источника переменного тока, R_з.т.п - среднее значение сопротивления зарядного тиристора в проводящем направлении;
f - частота изменения фазных (линейных) напряжений трехфазного источника переменного тока. 2. Устpойство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено втоpым линейным дpосселем, включенным между втоpым выходным выводом тpехфазного источника пеpеменного тока и точкой соединения пеpвого и втоpого вентилей, пpи этом индуктивность L₂ втоpого линейного дpосселя с активным внутpенним сопpотивлением R_л.д2 опpеделяется выpажением
L₂ =
где Q₂= (R_л.н + R+ R_вн) - добротность устройства при заряде первого или второго дозирующих конденсаторов через второй линейный дроссель;
R_вн - среднее значение сопротивления первого или второго вентилей в проводящем направлении. 3. Устpойство по п. 1 или 1 и 2, отличающееся тем, что, с целью pеализации оптимального pежима "быстpого" заpяда емкостного накопителя чеpез дополнительный линейный дpоссель за половину пеpиода изменения линейного напpяжения упомянутого источника, отношение емкости C пеpвого или втоpого дозиpующих конденсатоpов к емкости C_н емкостного накопителя опpеделяется выpажением
,
где η_з.н - КПД устройства при заряде емкостного накопителя через линейный дроссель.