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

Изобретение относится к импульсной технике и касается систем (устройств) для питания импульсной нагрузки, преимущественно генераторов СВЧ и лазерного излучения радио- и лазеро-локационных станций, например, в четные периоды изменения выходных напряжений инвертора, от емкостных накопителей (ЕН), преимущественно в составе искусственных формирующих линий (ИФЛ), "быстро" заряжаемых от источника постоянного напряжения (ИПН) через однофазный преобразователь (ОП) из инвертора и токоограничивающе-дозирующего блока (ТДБ) с квазирезонансным линейным дросселем (ЛД) с двумя обмотками с неизменной средней мощностью за каждые половины, например, нечетных периодов изменения выходных напряжений инвертора.

Цель изобретения - улучшение удельных энергетических показателей путем уменьшения установленной мощности источника постоянного напряжения и трансформатора инвертора за счет увеличения коэффициента использования их по мощности и увеличение максимальной дальности зондирования цели радиолокатором или лазеролокатором, получающим непосредственное питание от емкостных накопителей искусственной формирующей линии.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемой системы; на фиг.2 - схема блока управления устройством; на фиг.3а,б - схема замещения устройства при заряде дозирующего конденсатора через первую обмотку линейного дросселя и при заряде емкостного накопителя через дозирующий конденсатор и вторую обмотку линейного дросселя, поясняющие работу устройства.

Система для питания импульсной нагрузки содержит источник 1 постоянного напряжения (ИПН), выход которого соединен с входом инвертора (трансформатора) 2 с трансформаторным выходом в виде двух выводов 3 и 4 вторичной обмотки трансформатора инвертора 2 и отвода 0 от части ее витков, емкостный накопитель (ЕН) 5 преимущественно в составе искусственной формирующей линии (ИФЛ), параллельно которому через управляемый ключ 6 подключена импульсная нагрузка 7 (преимущественно генераторы СВЧ и лазерного излучения радиолокационных и лазеролокационных станций), токоограничивающе-дозирующий блок (ТДБ) 8, включающий дозирующий конденсатор (ДК) 9, два диодных вентиля 10 и 11, первый тиристорный вентиль 12, линейный дроссель с первой 13.1 и второй 13.2 его обмотками и дополнительной второй тиристорный вентиль 17, блок 14 управления системой с двумя входами и девятью выходами. Первый вывод 3 вторичной обмотки инвертора 2 подключен к началам первой 13.1 и второй 13.2 обмоток линейного дросселя, второй ее вывод 4 - к аноду второго диодного вентиля 11, а отвод 0 от части витков вторичной обмотки - к катоду второго тиристорного вентиля 17, анод которого подключен к катоду второго диодного вентиля 11 и к второй обкладке дозирующего конденсатора 9. Конец первой обмотки 13.1 линейного дросселя 13 соединен с анодом первого диодного вентиля 10, катод которого связан с первой обкладкой дозирующего конденсатора 9 и анодом второго тиристорного вентиля 12, связанного катодом с первым выводом 15 емкостного накопителя 5. Конец второй обмотки 13.2 линейного дросселя подключен к второму выводу 16 емкостного накопителя 5. Первый и второй входы блока 14 управления устройством связаны с положительным (+) и отрицательным (-) выходами источника 1 постоянного напряжения, первый, второй и третий его выходы - с управляющими электродами и объединенными вместе катодами соответственно тиристорных ключей К1 и К2 инвертора 2. Четвертый и пятый выходы блока 14 управления устройством связаны с управляющим переходом первого тиристорного вентиля 12, шестой и седьмой его выходы - с управляющим (поджигающим) электродом управляемого ключа 6, например тиристорного, а восьмой и девятый выходы - с управляющим переходом второго тиристорного вентиля 17. При этом оптимальная индуктивность L1 линейного дросселя с первой его обмоткой 13.1 определяется выражением
L₁= , (1) где С - емкость дозирующего конденсатора 9;
f - частота изменения выходного напряжения трансформатора инвертора 2;
Q = /(R_uо + R₁ + 2R) - добротность устройства при заряде дозирующего конденстаора 9 через первую обмотку 13.1 линейного дросселя;
R_uo - приведенное к первому выводу 3 и отводу 0 вторичной обмотки трансформатора инвертора 2 внутреннее сопротивление источника 1 постоянного напряжения и инвертора 2;
R₁ - активное сопротивление линейного дросселя с первой обмоткой 13.1;
R_Db1 - среднее значение сопротивления первого диодного вентиля 10 в проводящем направлении; оптимальная индуктивность L₂ линейного дросселя 13 с второй его обмоткой 13.2
L₂≈ , (2)
где
Q_н≈ /(R_он + R₂ + R+ R_зт) - добротность устройства при заряде емкостного накопителя 5 через дозирующий конденсатор 9 и вторую обмотку 13.2 линейного дросселя;
С_н - емкость емкостного накопителя 5;
R_он - приведенное к первому 3 и второму 4 выводам вторичной обмотки инвертора 2 внутреннее сопротивление источника 1 постоянного напряжения и инвертора 2;
R₂ - активное сопротивление линейного дросселя со второй его обмоткой 13.2;
R_тв и R_Db2 - среднее значение сопротивления тиристорного вентиля 12 и второго диодного вентиля 11 в проводящем направлении,
а отношение емкости С дозирующего конденсатора 9 к емкости С_немкостного накопителя 5 определяется выражением
= + ≈♂10,3 , (3)
где
=
;
(4)
d =
(5)
- коэффициент приведенного выше выражения;
η_зн≈ 0,97-0,98 - КПД заряда емкостного накопителя 5 через дозирующий конденсатор 9 и вторую обмотку 13,2 дросселя 13;
= - + ≈ 2,5
(6)
- отношение всех витков ω вторичной обмотки трансформатора инвертора 2 к части ее витков ω_o между первым выводом 3 и отводом 0 вторичной обмотки трансформатора.

Блок управления системой (см. фиг.2) содержит импульсный трансформатор 18 с одной первичной обмоткой и пятью вторичными обмотками, первичная обмотка которого питается от задающего генератора (ЗГ) 20, например, кварцевого типа, получающего питание от источника 1 постоянного напряжения через преобразователь-стабилизатор напряжения 21 с двумя выходными напряжениями, самосбрасываемый после насыщения двоичный счетчик 22 двух периодов изменения переменного напряжения ЗГ 20 с двумя коммутаторами открывающего и запирающего напряжений соответственно, подаваемого с выходом двоичного счетчика на запираемый тиристор 23 управления инвертором 2. Начало первой вторичной обмотки 24 импульсного трансформатора 18 через развязывающий диод и линию задержки ЛЗ подключено к управляющему электроду первого тиристорного ключа К1 инвертора 2 и первому входу двоичного счетчика 22 с коммутаторами управления, а конец второй его вторичной обмотки 25 через развязывающий диод подключен к управляющему электроду второго тиристорного ключа К2 инвертора 2. Конец первой (24) и начало второй (25) вторичных обмоток импульсного трансформатора 18 объединены вместе и через запираемый тиристор 23 подключены к объединенным вместе катодам тиристорых ключей К1 и К2 инвертора 2. Начало третьей вторичной обмотки 26 импульсного трансформатора 18 через развязывающий диод подключено к управляющему электроду второго тиристорного вентиля 17, а конец четвертой его вторичной обмотки 27 через развязывающий диод подключен к управляющему электроду тиристорного вентиля 12. Конец третьей вторичной обмотки 26 импульсного трансформатора 18 подключен к катоду второго тиристорного вентиля 17, а начало четвертой его вторичной обмотки 27 подключено к катоду тиристорного вентиля 12. Начало пятой вторичной обмотки 28 импульсного трансформатора 18 через развязывающий диод подключено к управляющему (поджигающему) электроду управляемого ключа 6, например, тиристорного типа, а ее конец подключен к катоду управляемого ключа 6. Второй вход двоичного счетчика 22 с коммутаторами управления запираемым тиристором 23 связан с концом первой вторичной обмотки 24 импульсного трансформатора 18, а третий и четвертый его входы связаны с двумя выходами преобразователя-стабилизатора напряжения. Первый выход двоичного счетчика 22 с коммутаторами управления запираемым тиристором 23 подключен к управляющему электроду запираемого тиристора 23, а его второй выход - к катоду запираемого тиристора 23.

Работа предлагаемой системы происходит следующим образом.

Энергия источника 1 постоянного напряжения с практически неизменным напряжением U≈const преобразуется инвертором 2, выполненным, например, по однофазной нулевой схеме на двух тиристорных ключах К1 и К2, трансформаторе и коммутирующем токе намагничивания трансформатора, коммутирующем конденсаторе С_к в энергию переменного напряжения U_н = U₃₄и U_но = U₃₀ практически прямоугольной формы величиной U_н между первым (3) и вторым (4) выводами вторичной обмотки трансформатора инвертора 2 и величиной U_uo между первым выводом 3 и отводом 0 от части витков вторичной обмотки трансформатора.

При положительном полупериоде изменения выходного напряжения трансформатора инвертора 2, когда потенциал вывода 3 выше потенциала отвода 0, двоичный счетчик 22 отсчитывает по переднему фронту полупериода первый импульс вторичной обмотки 24 импульсного трансформатора 18 и своим выходным напряжением, неизменным в течение периода, открывает запираемый тиристор 23 и тем же импульсом напряжения вторичной обмотки 24 открывает первый тиристорный ключ К1 инвертора 2, а импульс напряжения третьей вторичной обмотки 26 импульсного трансформатора 26 открывает второй тиристорный вентиль 17. Происходит заряд ДК 9 через первую обмотку 13.1 ЛД 13 по цепи (см. фиг.3а, г): часть вторичной обмотки инвертора 2 - вывод 3 - начало обмотки 13.1 ЛД 13 - конец обмотки 13.1 ЛД - диодный вентиль 10 - ДК 9 - тиристорный вентиль 17 - отвод 0 - часть вторичной обмотки трансформатора с числом витков током
i₉ = i_с = U_uоω_иc e sin ω_иt = U_uо e ×
× (sin ω_иt)/(ω_иL₁) ,
где ω_u=2πf_u - собственная круговая частота устройства, равная круговой частоте изменения выходных напряжений U_u и U_uo инвертора 2 с частотой f_u, до максимального напряжения в конце положительного полупериода при времени t=t_u=π/W_u , составляющего величину
U_9m = U_cm = i_cdt = U1 + e/
При отрицательном полупериоде изменения выходного напряжения U_uинвертора 2, когда потенциал вывода 4 выше потенциала вывода 3, импульс напряжения второй вторичной обмотки 25 импульсного трансформатора 18 по переднему фронту отрицательного полупериода изменения напряжения U_uчерез еще открытый запираемый тиристор 23 поступает на управляющий переход тиристорного ключа К2 инвертора 2, он открывается, а импульс напряжения с четвертой вторичной обмотки 27 импульсного трансформатора 18 открывает тиристорный вентиль 12, и происходит заряд ЕН 5 через вторую обмотку 13.2 линейного дросселя, от последовательно - согласно включенных вторичной обмотки трансформатора 2 и дозирующего конденсатора 9 до цепи (см. фиг.3,б): вторичная обмотка трансформатора - вывод 4 - диодный вентиль 11 - ДК 9 - тиристорный вентиль 12 - вывод 15 - ЕН 5 - вывод 16 - обмотка 13.2 ЛД - вывод 3 - вторичная обмотка трансформатора с числом витков ω током
i₅ = i_и = U_uо(U_u/U_uо+ 1 + e )×
_×e-ω_иt/_(sin
до максимального напряжения в конце отрицательного полупериода при времениt=t_π=π/ω_u,составляющего величину
U_5m = U_зm= _indt=1+)×
× (1 + e )//(4Q2н

)
При следующем импульсе напряжения первой вторичной обмотки 24 импульсного трансформатора 18 двоичный счетчик 22 насыщается и закрывает запираемый тиристор 23, который остается закрытым весь следующий период изменения напряжения задающего генератора ЗГ 20 и прерывает поступление импульсов напряжения с первой (24) и второй (25) вторичных обмоток импульсного трансформатора 18 на управляющие переходы тиристорных ключей К1 и К2 инвертора 2, а двоичный счетчик 22 с некоторой задержкой сбрасывается в исходное состояние. Одновременно импульс напряжения с пятой вторичной обмотки 28 импульсного трансформатора 18 открывает управляемый ключ 6 и происходит разряд емкостного накопителя 5, выполненного, например, в виде искусственной формирующей линии (ИФЛ) на импульсную нагрузку 7 за время τ_ПН от максимального напряжения U_зm до нуля, а напряжение на импульсной нагрузке 7 в течение разряда КН 5 ИФЛ будет неизменным в течение времени τ_ПН разряда и равным U₇ = U_зm/2≈const.

При следующем положительном импульсе напряжения первой вторичной обмотки 24 импульсного трансформатора 18 двоичный счетчик 22 отсчитывает новый первый импульс и открывает постоянным открывающим напряжением с его выходов запираемый тиристор 23, который остается открытым весь следующий период изменения напряжения задающего генератора ЗГ 20, происходит описанным выше путем заряд ДК 9 через первую обмотку 13.1 ЛД до максимального напряжения при положительном полупериоде изменения напряжения U_uo и заряд ЕН 5 через вторую обмотку 13.2 ЛД до максимального напряжения U_зm при отрицательном полупериоде изменения напряжения U_u трансформатора инвертора 2, а затем разряд емкостного накопителя 5 (в виде ИФЛ) на импульсную нагрузку 7 в следующий нерабочий период изменения напряжения задающего генератора ЗГ 20 и т.д. циклически.

КПД заряда конденсатора 9 через первую обмотку 13.1 ЛД определяется следующим выведенным выражением
η_з9 = η_зс= =
где E_cn = r_ci2c

dt - потери энергии в устройстве при заряде конденсатора 9 через первую обмотку 13.1 ЛД, а r_c≈R_uo+R₁+R_10П+R_17П - его активное сопротивление при этом, R_10П и R_17П - среднее значение сопротивления первого диодного вентиля 10 и второго тиристорного вентиля 17 в проводящем направлении;
τ_L1= L₁/r_c - постоянная времени системы при заряде ДК 9 через ЛД с первой обмоткой 13.1;
L₁ - оптимальная индуктивность ЛД с первой его обмоткой 13.1, определяемая выражением (1);
E_cm = CU2c_m/2 = CU1 + e/2
- максимальная полезная энергия заряда ДК 9 с емкостью С. Остальные обозначения аналогичны выражению (1).

КПД заряда емкостного накопителя 5 через вторую обмотку 13.2 ЛД от последовательно-согласно включенных вторичной обмотки трансформатора инвертора 2 и ДК 9 определяется следующим выведенным выражением:
η_з5 = η_зн= =
где E_ип = r_нi2н

dt - потери энергии в устройстве при заряде ЕН 5 через вторую обмотку 13.2 ЛД, а r_н = R_он + R₂ + R_Db2 + R_т2b - его активное сопротивление при этом;
E_зm = C_нU2з_m/2 ≈ C_uUU_u/U_uо+ 1 + e
× 1 + e/2
- максимальная полезная энергия заряда ЕН 5;
τ_L2= L₂/r_u - постоянная времени системы при заряде ЕН 5 через вторую обмотку 13.2 ЛД;
L₂ - оптимальная индуктивность ЛД 13 со второй его обмоткой 13.2, определяемая выражением (3); остальные обозначения аналогичны выражению (3).

При определении оптимальной индуктивности L₁ ЛД с первой его обмоткой 13.1 по выражению (1) идеальный коэффициент использования источника 1 постоянного напряжения (ИПН) и трансформатора инвертора 2 по мощности при заряде ДК 9 через первую обмотку 13.1 ЛД, под которым понимается отношение средней мощности ИПН 1 или трансформатора инвертора 2 P_трср ≈ P_ср к их максимальной мощности P_m ≈P_трm определяется выведенным выражением и при добротности системы Q≥4 составляет величину
K_uu9=K_uuc=P_ср/P_m≈P_трср/P_трm=2/π≈0,637 (9)
При определении оптимальной индуктивности L2 ЛД со второй его обмоткой 13.2 по выражению (3) идеальный коэффициент использования ИПН 1 и трансформатора инвертора 2 по мощности при заряде ЕН 5 через вторую обмотку 13.2 ЛД определяется выведенным выражением и при добротности системы Q_u ≥ 4 составляет величину
K_uu5=K_uuн=P_ср/P_m≈P_трср/P_трm=2/π≈0,637 (10)
Практически коэффициент использования ИПН 1 и инвертора 2 по мощности, под которым понимается отношение средней зарядной мощности емкостного накопителя 5 Pзср (при "быстром" заряде ЕН 5 P_зср = С_нU_зm²f_u/2) к максимальной мощности ИПН 1 P_m и трансформатора инвертора 2 P_трm ≈ P_m, определяется выражением
К_ипm=P_зср/P_m≈P_зср/P_трm=(K_uucη_зс+K_uuнη_зп)/2≈0,637(η_зс+η_зп)/2.

Из оптимального условия равенства максимальных мощностей ИПН 1 и трансформатора инвертора 2 при заряде конденсатора 9 через первую обмотку 13.1 ЛД P_m ≈ P_трm ≈ U_uo²/(L₁ ω_u) и при заряде ЕН 5 через вторую обмотку 13.2 ЛД
P_m≈ P_трm≈ U2u

_о(U_u/U_uо)(U_u/U_uо+ 1 + e )/(L₂ω_u)
с учетом выражений (1) и (3) получают следующее квадратное уравнение для определения оптимального отношения напряжений U_u/U_uo, равного отношению числа витков ω/ω_o во всей вторичной обмотке трансформатора ω части ее витков ω_o между первым выводом 3 обмотки и ее отводом
+ 1 + e + (1 + C/C_н) = 0 ,
из которого следует выражение
= = - + ≈ 2,5 ,
совпадающее с выражением (7).

Из уравнения баланса энергии при заряде ЕН 5 через вторую обмотку 13.2 ЛД от последовательно-согласно включенных всей вторичной обмотки трансформатора и конденсатора 9
U_uоi_udt + CU2c

_m/2 = C_нV2з_m/(2η_зн) выведено выражение (3) для определения оптимального отношения емкости С конденсатора 9 к емкости С_н емкостного накопителя 5 (С/С_н), коэффициенты b и d которого определяются соотношениями (4) и (5) соответственно. При определении емкостей С/С_н по выражению (3) с учетом выражения (12) или (6) конденсатор 9 без его перезаряда полностью разряжается на емкостной накопитель 5, чем обеспечивается максимальный КПД заряда конденсатора 9 через первую обмотку 13.1 ЛД η_зс, определяемый выражением (7).

Изобретение относится к импульсной технике. Система содержит 1 источник постоянного напряжения 1, 1 инвертор с трансформаторным выходом в виде двух выводов вторичной обмотки трансформатора и отвода от части ее витков 2, 1 емкостный наконечник 5, 1 управляемый ключ 6, 1 импульсную нагрузку 7, ТДБ токоограничивающе - дозирующий блок 8, 1 дозирующий конденсатор 9, 2 диодных вентиля 10, 11, 2 тиристорных вентиля 12, 17, 1 линейный дроссель 13, 1 блок управления устройством с двумя входами и девятью выходами 14. При этом индуктивность линейного дросселя с первой обмоткой, индуктивность линейного дросселя со второй обмоткой, отношение емкости C донирующего конденсатора к емкости C_н емкостного накопителя и отношение числа витков ω во всей вторичной обмотке трансформатора инвертора к части ее витков w_o определяется приведенными в формуле ия оптимальными выражениями. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. СИСТЕМА ДЛЯ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ, содержащая источник постоянного напряжения, выходы которого соединены с входом инвертора с трансформаторным выходом в виде двух выводов вторичной обмотки трансформатора инвертора, емкостный накопитель, параллельно которому через управляемый ключ подключена импульсная нагрузка, преимущественно генератор СВЧ или лазерного излучения радиолокационной или лазеролокационной станции, токоограничивающе-дозирующий блок, включающий в себя дозирующий конденсатор, диодный вентиль, тиристорный вентиль, катод которого подключен к первому выводу емкостного накопителя, а анод - к катоду диодного вентиля и к первой обкладке дозирующего конденсатора, линейный дроссель, начало обмотки которого соединено с первым выводом вторичной обмотки трансформатора инвертора, а конец первой обмотки линейного дросселя - с анодом диодного вентиля, блок управления устройством, первый и второй входы которого связаны с положительным и отрицательным выходами источника постоянного напряжения, первый, второй и третий выходы - с управляющими электродами и объединенными вместе катодами двух тиристорных ключей инвертора, четвертый и пятый выходы - с управляющим переходом тиристорного вентиля, шестой и седьмой выходы - с управляющим (поджигающим) электродом и катодом управляемого ключа, например, тиристорного типа, при этом индуктивность L₁ линейного дросселя с первой обмоткой определяется выражением
L₁= ,
где C - емкость дозирующего конденсатора;
Q ≈ /(R_ио+R₁+R_дв) - добротность устройства при заряде дозирующего конденсатора через первую обмотку линейного дросселя;
R_ио - приведенное к выводам вторичной обмотки трансформатора инвертора внутреннее сопротивление источника постоянного напряжения и инвертора;
R₁ - активное сопротивление линейного дросселя с первой его обмоткой;
R_дв - среднее сопротивление диодного вентиля в проводящем направлении;
f - частота изменения выходного напряжения инвертора,
отличающаяся тем, что, с целью улучшения удельных энергетических показателей системы путем уменьшения установленной мощности источника постоянного напряжения и трансформатора инвертора за счет увеличения коэффициента использования их по мощности и увеличения максимальной дальности зондирования цели радиолокатором или лазеролокатором, его линейный дроссель дополнительно снабжен второй обмоткой, начало которой соединено с началом первой обмотки линейного дросселя, а ее конец - с вторым выводом емкостного накопителя, его токоограничивающе-дозирующий блок дополнительно снабжен вторым диодным вентилем, анод которого подключен к второму выводу вторичной обмотки трансформатора инвертора, а катод - к второй обкладке дозирующего конденсатора, и вторым тиристорным вентилем, анод которого подключен к катоду второго диодного вентиля, а вторичная обмотка трансформатора инвертора дополнительно снабжена отводом от части ее витков, который подключен к катоду второго тиристорного вентиля, блок управления снабжен восьмым и девятым выходами, которые связаны с управляющим переходом второго тиристорного вентиля, причем индуктивность L₂ линейного дросселя по второй его обмотке определяется выражением
L₂≈ ,
где
Q_и= /(R_он+R₂+R+R_тв)
- добротность устройства при заряде емкостного накопителя через дозирующий конденсатор и вторую обмотку линейного дросселя;
C_н - емкость емкостного накопителя;
R_он - приведенное к первому и второму выводам вторичной обмотки трансформатора инвертора внутреннее сопротивление источника постоянного напряжения и инвертора;
R₂ - активное сопротивление линейного дросселя с второй его обмоткой;
R_дв2 и R_тв - среднее значение сопротивления второго диодного вентиля и тиристорного вентиля в проводящем направлении. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что отношение емкости С дозирующего конденсатора к емкости C_н емкостного накопителя определяется выражением
= + ≈♂10,3 ,
где
=

и
d = -
- коэффициенты приведенного выше выражения;
η_зн - КПД заряда емкостного накопителя через дозирующий конденсатор и вторую обмотку линейного дросселя,
а отношение всех витков ω вторичной обмотки трансформатора инвертора к части ее витков ω_o между первым выводом и отводом от вторичной обмотки - выражением
= - + ≈ 2,5.