СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОЛЬЦЕВОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО НАКОПИТЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК H02H7/12 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам питания электромагнитов, содержащим тиристорные преобразователи с устройствами вывода энергии и устройствами защиты от недопустимых перенапряжений.

Рациональность построения системы электропитания кольцевого энергетического накопителя и ее надежность тем выше, чем проще устройство вывода энергии и чем меньше установленная мощность используемых в нем элементов.

Известны системы питания электромагнитов, использующие в качестве ключей, создающих контур вывода энергии, накопленной в индуктивности, тиристоры самого преобразователя и содержащие блок одновременного включения тиристоров выпрямительной группы моста. Малое сопротивление контура вывода энергии в таких устройствах при токе свыше 1 кА не превышает сотых долей ома и в сочетании с индуктивностью магнита порядка нескольких генри создает недопустимо большую постоянную времени спада тока, что делает такие устройства неприемлемыми по технологическим соображениям, в частности для накопителей со сверхпроводящими магнитами.

Относительно быстрый вывод энергии при допустимом уровне перенапряжений могут обеспечить батареи силовых варисторов, способных поглотить килоджоули и десятки килоджоулей энергии, подключаемые параллельно нагрузке. Однако отсутствие мощных варисторов делает нерациональным применение таких устройств из-за больших габаритов.

Оптимальное решение в каждом конкретном случае может дать применение в качестве разрядника омического сопротивления, величина которого подбирается в зависимости от требуемой длительности вывода энергии и допустимого уровня перенапряжений.

Наиболее близкой по технической сущности является система электропитания кольцевого энергетического накопителя, состоящего из 24 электромагнитов, содержащая 24 преобразовательных блока, предназначенных для включения последовательно с соответствующими электромагнитами в замкнутую кольцевую цепь, каждый из которых выполнен в виде тиристорного преобразователя, снабженного датчиками входного тока и тока нагрузки, выход которого через пассивный RC-фильтр, вторичную обмотку выходного трансформатора активного фильтра, тиристорный ключ разрыва выходного тока и выключатель соединен с выходными выводами соответствующего преобразовательного блока, причем параллельно выходу пассивного RC-фильтра подсоединен тиристорный шунтирующий ключ, а параллельно цепи: вторичная обмотка трансформатора активного фильтра ключ разрыва выключатель-подсоединены разрядный резистор и конденсатор. Выключатель служит здесь вспомогательным средством разрыва тока. При срабатывании устройства вывода энергии ток нагрузки переходит в цепь разрядный резистор шунтирующий ключ.

Недостатком этой системы является сложность устройства вывода энергии и его большие габариты. В частности, это относится к тиристорному ключу разрыва выходного тока, который по нагрузочной способности должен быть рассчитан на длительное протекание тока нагрузки. Коммутация тиристорного ключа разрыва сложна, она производится импульсом обратного тока, который генерируется активным фильтром и замыкается через конденсатор. Рационально исключить ключ разрыва из схемы, однако тогда выключатель становится из вспомогательного основным средством разрыва тока индуктивной цепи, и возникает необходимость в схемных мероприятиях по повышению надежности. Возможна перестройка схемы таким образом, чтобы напряжение на емкости RC-фильтра действовало согласно напряжению на дуге выключателя, способствуя сокращению времени существования дуги выключателя.

Цель изобретения упрощение системы электропитания кольцевого энергетического накопителя и повышение ее надежности.

Цель достигается тем, что из каждого преобразовательного блока известной системы электропитания исключен конденсатор, шунтирующий разрядный резистор, вместо тиристорного ключа разрыва выходного тока введен разрядный тиристорный ключ, через который разрядный резистор подключен к выходным выводам соответствующего преобразовательного блока, введен узел запуска, снабженный входом запуска, первым и вторым информационным входами и тремя выходами, тиристорный преобразователь снабжен входом сдвига фазы импульсов управления тиристорами в область инвертирования, соединенным с первым выходом узла запуска, второй выход которого подключен к управляющему входу выключателя, третий выход к управляющему входу разрядного тиристорного ключа, при этом первый и второй информационные входы узла запуска соединены, соответственно, с выходами датчиков входного тока и тока нагрузки.

На фиг.1 представлен фрагмент схемы предлагаемой системы электропитания кольцевого энергетического накопителя, а именно, схема питания от преобразовательного блока электромагнита 1 ЭМ, ток нагрузки которого контролируется датчиком 2. Электромагнит питается от тиристорного преобразователя 1ТП, снабженного датчиком входного тока 1. Выход преобразователя через пассивный RC-фильтр, вторичную обмотку выходного трансформатора активного фильтра 4 и выключатель 7 соединен с выходными выводами преобразовательного блока. Параллельно емкости 5 фильтра подсоединен первый тиристорный ключ (упоминаемый в описании схемы прототипа как тиристорный шунтирующий ключ), который предлагается использовать только в случае работы кольца без одного из преобразователей, но не в схеме вывода энергии.

Между выходными выводами преобразовательного блока включена цепь: разрядный резистор 8 второй тиристорный ключ 9 (упоминаемый выше как разрядный тиристорный ключ).

При выводе накопленной энергии схема управляется узлом запуска 10, снабженным входом "Запуск" 17, соединенным с внешним устройством запуска, первым и вторым информационными входами 15 и 14, которые соединены, соответственно, с выходами датчика входного тока 1 и датчика тока нагрузки 2.

Узел запуска 10 снабжен тремя выходами, первый из которых 13 связан со входом 16 системы фазового управления тиристорного преобразователя, предназначенным для сдвига фазы импульсного управления тиристорами в область инвертирования.

Второй выход 12 узла запуска 10 подключен к управляющему входу выключателя 7, а третий выход 11 связан с управляющим входом второго тиристорного ключа.

Система электропитания реализуется на стандартных элементах. В частности, для кольцевых накопителей с током нагрузки порядка единиц килоампер, рассчитанных на применение преобразователей с напряжением до 1000 В, может в качестве выключателя 7 применяться ВАТ-42, либо ВАТ-48. В качестве второго тиристорного ключа 9 могут применяться освоенные промышленностью тиристоры Т-353-800, Т-173-1600, 28-32 класса.

Узел запуска 10 реализуется на микросхемах малой и средней степени интеграции.

При выводе энергии система электропитания работает следующим образом (фиг.1 и 2).

При появлении в момент tо команды "Запуск" на первом управляющем входе 17 узла запуска 10 на его выходе 13 появляется сигнал "Сдвиг". Преобразователь 1ТП переходит в инверторный режим с углом управления, близким к предельному. В момент t₁, когда напряжение на емкости 5 начинает превышать напряжение на преобразователе, тиристоры преобразователя запираются, что сопровождается появлением сигнала на входе 15 устройства 10, ток нагрузки переводится в емкость 5, постепенно разряжая ее, причем время разряда зависит от величины тока.

В момент t₂, близкий к прохождению через ноль напряжения на емкости 5 на выходе 12 узла запуска 10 появляется сигнал "Разрыв", вызывающий срабатывание выключателя 7.

Через некоторое время (t₃-t₂), не превышающее по величине собственного времени срабатывания выключателя, на выходе 11 узла запуска 10 появляется сигнал "Разряд", включается тиристор 9 и ток, в основном еще протекая через емкость 5, начинает ответвляться через разрядный резистор 8. После расхождения контактов выключателя 7 и появления дуги происходит более интенсивный переход тока в разрядный резистор 8, причем время перехода определяется параметрами переходного процесса в контуре: разрядный резистор 8 тиристор 9 емкость 5 дуга между контактами выключателя 7 индуктивность рассеяния силовой обмотки трансформатора активного фильтра 4.

При практически безиндуктивном контуре, срыв дуги соответствует моменту t4, когда устанавливается баланс напряжений
I_нагр.R_р=U_c(t)+U_дуги(t)
После этого ток нагрузки целиком переходит в разрядное сопротивление и спадает по экспоненте с постоянной времени L_нагр/R_р.

Кривые изменения тока и напряжения в отдельных ветвях схемы показаны на фиг. 4. Выдержка времени между моментом t₂ появления сигнала "Разрыв" и моментом t₁ запирания тиристоров преобразователя в предлагаемом устройстве регулируется автоматически пропорционально значению тока нагрузки, контролируемого датчиком 2. Это регулировка позволяет эффективно и точно использовать напряжение на емкости 5 для ускорения достижения баланса напряжений в рассмотренном выше контуре, т.е. для сокращения времени существования дуги выключателя и повышения его износоустойчивости.

Сущность изобретения: система электропитания кольцевого энергетического накопителя, сформированного из электромагнитов, каждый из которых является нагрузкой последовательно с ним включенного тиристорного преобразователя, снабженного пассивным фильтром, шунтирующим тиристорным ключом датчиками тока нагрузки и входного тока, содержит также тиристор с узлом запуска, разрядный резистор включен между выходными узлами зажима устройства через дополнительный тиристор, управляющий электрод которого связан с первым выходом узла запуска, второй выход узла запуска связан со спусковым входом выключателя, третий с системой фазового управления тиристорного преобразователя, регулировочный вход - с выходом датчика тока нагрузки, второй управляющий вход с выходом датчика входного тока, в первый управляющий вход с внешним устройством запуска. 2 ил.

СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОЛЬЦЕВОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО НАКОПИТЕЛЯ, состоящего из N электромагнитов, содержащая N преобразовательных блоков, предназначенных для включения последовательно с соответствующими электромагнитами в замкнутую кольцевую цепь, каждый из которых выполнен в виде тиристорного преобразователя, снабженного датчиками входного тока и тока нагрузки, выход которого через пассивный LC-фильтр, вторичную обмотку выходного трансформатора активного фильтра и выключатель соединен с выходными выводами соответствующего преобразовательного блока, первый тиристорный ключ, подключенный параллельно выходу пассивного LC-фильтра, резистор и второй тиристорный ключ, отличающаяся тем, что, с целью упрощения и повышения надежности, в каждый из преобразовательных блоков введен узел запуска, снабженный входом запуска, первым и вторым информационным входами, первым выходом формирования сигнала "Сдвиг" одновременно с сигналом на входе запуска, вторым выходом формирования сигнала "Разрыв" с выдержкой времени, пропорциональной величине сигнала на втором информационном входе от момента снижения до нуля сигнала на первом информационном входе, и третьим выходом формирования сигнала "Разряд" через заданное время после появления сигнала на втором выходе, тиристорный преобразователь снабжен входом сдвига фазы импульсов управления тиристорами в область инвертирования, соединенным с первым выходом узла запуска, второй выход которого подключен к управляющему входу выключателя, третий выход к управляющему входу второго тиристорного ключа, включенного последовательно с резистором между выходными выводами соответствующего преобразовательного блока, при этом первый и второй информационные входы узла запуска соединены соответственно с выходами датчиков входного тока и тока нагрузки.