ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ С ДВОЙНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СЛОЕМ Российский патент 1997 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к области электротехники, а точнее к установкам заряда от источника питания переменного тока мощных емкостных накопителей энергии, выполненных главным образом на базе молекулярных и импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости [1]
Известно зарядное устройство, в котором заряд накопителя, собранного из конденсаторов традиционного исполнения, осуществляется от мостового выпрямителя, а в цепь переменного тока включен токоформирующий конденсатор [2]
Недостатками такого устройства являются низкое напряжение заряда накопителя (амплитудное значение переменного напряжения), загрузка источника питания реактивной составляющей тока и резкое снижение темпа заряда по мере увеличения напряжения на накопителе.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является зарядное устройство [3] содержащее источник питания переменного тока, два последовательно соединенных вентильных элемента, шунтирующих накопитель и дозирующий конденсатор. Один вывод дозирующего конденсатора подключен к источнику переменного тока, а другой вывод к средней точке вентильных элементов.

В один из полупериодов напряжения дозирующий конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения U_m источника питания переменного тока, а в другой полупериод обеспечивается заряд емкостного накопителя от последовательно включенных источника питания и дозирующего конденсатора. Предельное значение заряда накопителя равно удвоенному значению амплитуды напряжения источника питания.

Если пренебречь омическим сопротивлением элементов устройства, то при полностью разряженном накопителе источник питания в этом устройстве будет загружаться реактивным током, величина которого определяется значением емкости дозирующего конденсатора. По мере заряда накопителя величина реактивной составляющей тока будет уменьшаться при общем снижении потребляемой от источника мощности. Из-за значительной величины реактивной составляющей тока потребляемая от источника питания мощность в начале процесса заряда накопителя в 1,5 раза выше мощности, потребляемой в конце процесса, что является одним из основных недостатков устройства, особенно при заряде накопителя сверхвысокой энергоемкости с двойным электрическим слоем.

Целью предлагаемого изобретения является снижение загрузки источника питания реактивной энергией, что достигается благодаря замыканию ее внутри устройства, минуя источник питания переменного тока.

Поставленная задача решается тем, что зарядное устройство емкостного накопителя с двойным электрическим слоем, содержащее источник питания переменного тока и два последовательно соединенных вентильных элемента, шунтирующих накопитель, один из выводов которого соединен с источником питания переменного тока, а также дозирующий конденсатор, подключенный одним выводом к средней точке вентильных элементов, дополнительно введены два последовательно соединенных управляемых ключа с двунаправленной проводимостью, шунтирующих источник питания переменного тока, причем между точкой соединения ключей и другим выводом дозирующего конденсатора включен дроссель. Один из управляемых ключей с двунаправленной проводимостью замыкает цепь перезаряда дозирующего конденсатора через дроссель в колебательном режиме, минуя источник питания, а другой управляемый ключ с двунаправленной проводимостью исключает разряд дозирующего конденсатора через источник питания и позволяет в любой момент остановить заряд емкостного накопителя с быстродействием, не превышающим длительность полуволны питающего напряжения.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых изображены принципиальная электрическая схема зарядного устройства емкостного накопителя (фиг. 1) и диаграмма напряжений и тока в зарядной цепи накопителя (фиг. 2).

Зарядное устройство емкостного накопителя (фиг. 1) содержит источник питания переменного тока 1, зашунтированный двумя последовательно соединенными управляемыми ключами 2 и 3 с двунаправленной проводимостью. Средняя точка ключей с двунаправленной проводимостью через последовательно соединенные дроссель 4 и дозирующий конденсатор 5 соединена со средней точкой вентильных элементов 6 и 7, шунтирующих емкостный накопитель 8, один из выводов которого соединен с выводом источника питания переменного тока.

Зарядное устройство емкостного накопителя с двойным электрическим слоем работает следующим образом.

В момент перехода синусоиды питающего напряжения через нуль (ωt = 0) на управляемый ключ с двунаправленной проводимостью 2 поступает управляющий импульс и начинается процесс заряда дозирующего конденсатора 5 через дроссель 4 и вентильный элемент 6. К середине полуволны конденсатор 5 зарядится до амплитудного значения напряжения источника питания (фиг. 2,б) и будет находиться в заряженном состоянии до конца полупериода.

В момент, соответствующий ωt = π, открывается соответствующий ключ с двунаправленной проводимостью 3, замыкая тем самым контур разряда конденсатора 5 через вентильный элемент 7, накопитель 8 и дроссель 4. При разряде часть энергии конденсатора 5 передается накопителю 8, часть теряется в вентильном элементе 7, в управляемом ключе с двунаправленной проводимостью 3 и проводах, часть энергии возвращается обратно в конденсатор 5, перезаряжая его напряжением обратной полярности. Величина этого напряжения определяется добротностью контура. На фиг. 2,б напряжение U₅ в конце процесса перезаряда конденсатора 5 составляет 2/3 U_m. По алгоритму работы схемы с этого момента должна вступить в работу вторая (на фиг. 2,а нижняя) полуволна питающего напряжения после открытия управляемого ключа с двунаправленной проводимостью 2 в другом направлении. Это, однако, может произойти только с момента достижения синусоидой питающего напряжения значения, равного сумме напряжений на зажимах конденсатора 5 и накопителя 8 (U₅ + U₈), поэтому на фиг. 2,б и фиг. 2,в в кривых напряжения u₅и тока i₅ видны площадки-паузы в работе устройства. После достижения указанного условия открывается управляемый ключ с двунаправленной проводимостью 2 и собирается контур из элементов схемы: 1-2-4-5-7-8-1.

Накопитель 8, таким образом, заряжается непосредственно от источника питания.

В середине второй полуволны заряд на прекращается, так как достигается равенство U_m U₅ + U₈. Снова следует пауза в работе устройства, а в момент, соответствующий wt = 2π, открывается управляемый ключ с двунаправленной проводимостью 3. Снова происходит колебательный процесс перезаряда дозирующего конденсатора 5 по цепи: 5-4-3-6-5, но уже минуя накопитель 8. Далее следует пауза до момента достижения равенства U_msinωt = U₅ и открытия управляемого ключа с двунаправленной проводимостью 2. Конденсатор 5 заряжается до амплитудного значения напряжения источника питания переменного тока U_m. С момента, соответствующего ωt = 3π все процессы должны повториться.

Легко заметить, что в рассмотренном устройстве от источника питания потребляется энергия, расходуемая только на заряд емкостного накопителя и омические потери в элементах схемы. По мере заряда накопителя 8 процессы в устройстве становятся все более близкими к процессам, протекающим в устройстве-прототипе, а при достижении равенства U₈ U_m они не будут отличаться друг от друга. Это объясняется тем, что с указанного момента времени не будет происходить колебательного перезаряда конденсатора 5 через управляемый ключ с двунаправленной проводимостью 3 из-за приложенного к нему в обоих направлениях обратного напряжения. Конечное напряжение заряда накопителя 8 2U_m, однако в любой момент легко зафиксировать требуемое напряжение, остановив процесс заряда путем снятия управляющих импульсов с управляемого ключа с двунаправленной проводимостью 2. Величина индуктивности дросселя выбирается из условия обеспечения колебательного процесса заряда. В зависимости от энергоемкости накопителей она будет измеряться единицами или несколькими десятками микрогенри, которые легко реализуются в дросселе без сердечника.

Реализация предложенного устройства по сравнению с прототипом приводит к снижению примерно в 1,5 раза мощности источника питания переменного тока за счет уменьшения загрузки его реактивной составляющей тока и увеличению КПД устройства в целом.

Рассмотренное зарядное устройство может быть эффективно использовано в мощных электрофизических, технологических и других установках, в медицинской аппаратуре (например, рентгеновских аппаратах) для заряда емкостных накопителей, собранных из импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости.

Источники информации
1. Иванов А. М. Герасимов А.Ф. Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя. Электричество, N8, 1991.

2. Булатов О. Г. Иванов В.С. Панфилов Д.И. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии. М. Радио и связь, 1986, с. 46, рис. 3,4,а.

3. Булатов О. Г. Иванов В.С. Панфилов Д.И. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии. М. Радио и связь, 1986, с. 46, рис. 3,4,б.

Изобретение относится к области электротехники, а точнее к устройствам заряда от источника питания переменного тока мощных емкостных накопителей энергии, выполненных главным образом на базе импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости. Зарядное устройство содержит источник питания переменного тока зашунтированный двумя последовательно соединенными управляемыми ключами с двунаправленной проводимостью. Средняя точка управляемых ключей с двунаправленной проводимостью через последовательно соединенные дроссель и дозирующий конденсатор соединена со средней точкой двух вентильных элементов, шунтирующих емкостной накопитель, один из выводов которого соединен с источником питания. Устройство выполнено по схеме удвоения напряжения, достигаемого благодаря заряду в один из полупериодов напряжения дозирующего конденсатора до амплитудного значения, а в другой - заряду емкостного накопителя от последовательно включенных источника питания и дозирующего конденсатора. Снижение загрузки источника питания реактивным током и повышение КПД устройства в целом достигается путем обеспечения перезаряда дозирующего конденсатора через управляемый ключ с двунаправленной проводимостью, минуя источник питания. Предлагаемое зарядное устройство может быть эффективно использовано в мощных электрофизических, технологических и др. установках для заряда емкостных накопителей энергии (например, в рентгеновских аппаратах). 2 ил.

Зарядное устройство емкостного накопителя с двойным электрическим слоем, содержащее источник питания переменного тока и два последовательно соединенных вентильных элемента, шунтирующих накопитель, один из выводов которого соединен с источником питания переменного тока, дозирующий конденсатор, подключенный одним выводом к средней точке вентильных элементов, отличающееся тем, что источник питания переменного тока зашунтирован двумя последовательно соединенными управляемыми ключами с двунаправленной проводимостью, между точкой соединения которых и другим выводом дозирующего конденсатора включен дроссель.