СИСТЕМА ЗАРЯДА ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2000 года по МПК H03K3/53 H02J7/02 

Изобретение относится к импульсной технике и касается систем так называемого "медленного" заряда емкостных накопителей электрической энергией генераторов мощных импульсов (т.е. заряда за много периодов изменения напряжения зарядного источника), используемых в качестве импульсных источников вторичного питания ламп накачки оптических квантовых генераторов, в технической физике, в радиолокационной технике и прочих мощных потребителях энергии.

Схема предлагаемой системы изображена на фиг. 1, а на фиг. 5 - 9 поясняют принцип ее работы.

Известна система заряда емкостного накопителя (фиг. 2), содержащая трехфазный источник переменного тока, трехфазный мостовой выпрямитель, три промежуточных накопительных конденсатора, основной накопительный конденсатор, управляющий ключ (УК) и блок контроля напряжения (БКН), фазные выводы трехфазного источника переменного тока (ТИПТ) соединены с входными клеммами трехфазного мостового выпрямителя через промежуточные накопительные конденсаторы, положительная обкладка основного накопительного конденсатора подключена к катодам вентилей трехфазного мостового выпрямителя, управляющий ключ включен между общей точкой фазных обмоток и анодами вентилей трехфазного мостового выпрямителя, блок контроля напряжения своим входом подключен к основному накопительному конденсатору, а - выходом к управляющему ключу, при этом отрицательная обкладка основного накопительного конденсатора подключена к выходной клемме выпрямителя, образованной парой вентилей одного плеча трехфазного мостового выпрямителя, соединенных анодами, а свободные катоды этой же пары вентилей подключены соответственно к точкам соединения фазных обмоток и промежуточных накопительных конденсаторов, связанных с двумя другими плечами трехфазного мостового выпрямителя [1].

Недостатком этой системы заряда емкостного накопителя является низкое значение напряжения на накопительном конденсаторе, которое не превосходит значения 4,4 U_фm, где U_фm - амплитудное значение фазного напряжения источника. Это приводит к низким удельным энергетическим показателям системы заряда в целом.

Известна также система для заряда накопительного конденсатора (фиг. 3), содержащая трехфазный источник, три вентильно конденсаторные ячейки, зарядный тиристор, накопительный конденсатор и блок управления (БУ). Эта система заряда позволяет осуществлять его заряд до напряжения, равного 4 U_пm, где U_пm - амплитудное значение линейного напряжения источника [2].

Недостатком этой системы является все же недостаточная скорость передачи энергии из трехфазного источника переменного тока в накопительный конденсатор, т. к. формируемый зарядный импульс, поступающий в накопительный конденсатор, не превышает 4 U_пm, что приводит к недостаточно высоким удельным массогабаритным показателям системы.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является система заряда емкостного накопителя электрической энергии (фиг. 4), содержащая трехфазный источник переменного тока с тремя выходными линейными клеммами 1 - 3, вентильно-конденсаторный выпрямительно-умножающий агрегат 4, имеющий положительную 5 и отрицательную 6 шины для подключения емкостного накопителя 7, две вертикально-конденсаторные цепочки, в которых катоды вентилей 8, 9 соединены с одними обкладками соответствующих конденсаторов 10, 11, а их другие обкладки подключены соответственно к первой и третьей выходными клеммам, вентильные цепочки, состоящие каждая из двух вентилей, в одной из которых вентили 12 и 13 соединены катодами, а в другой вентили 14 и 15 соединены анодами, дозирующий конденсатор 16, блок контроля напряжения и фазового управления 17 вентилями, а также управляемый ключ 18. Эта система с переменной структурой зарядных цепей позволяет заряжать емкостной накопитель лишь до напряжения 8,8 U_фm.

Недостатками этой системы является следующее. Накопительный конденсатор состоит из двух секций, т.е. последовательно соединяемых конденсаторов, что увеличивает внутреннее сопротивление накопительного конденсатора. Кроме того, при разряде накопительного конденсатора из-за разброса емкости его секций возможен частичный перезаряд одной из них. Величина напряжения на накопительном конденсаторе все же недостаточно велика, за счет чего недостаточной оказывается скорость передачи энергии из источника в накопительный конденсатор.

Кроме того, наличие управляемого ключа 18 усложняет систему управления и увеличивает массогабаритные показатели устройства в целом.

Целью настоящего изобретения является улучшение удельных массогабаритных и энергетических показателей системы путем увеличения ее выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что система заряда емкостного накопителя электрической энергии, содержащая трехфазный источник переменного тока с тремя выходными линейными клеммами, вентильно-конденсаторный выпрямительно-умножающий агрегат, имеющий положительную и отрицательную шины для подключения емкостного накопителя, две вентильно-конденсаторные цепочки, в которых катоды вентилей соединены с одними обкладками соответствующих конденсаторов, а их другие обкладки подключены соответственно к первой и третьей выходным клеммам ТИПТ, две вентильные цепочки, состоящая каждая из двух вентилей, в первой вентильной цепочке вентили соединены катодами, а первый вентиль этой цепочки анодом подключен к отрицательной шине, во второй вентильной цепочке вентили соединены анодами, дозирующий конденсатор и блок контроля напряжения и фазового управления вентилями.

В этой системе вентиль второй вентильно-конденсаторной цепочки анодом подключен ко второй выходной клемме трехфазного источника переменного тока и точке соединения катодов вентилей первой вентильной цепочки, а катодом подключен к аноду вентиля первой вентильно-конденсаторной цепочки, при этом катод этого вентиля соединен с анодами вентилей второй вентильной цепочки, а их катоды связаны друг с другом через дозирующий конденсатор, при этом катод первого вентиля подключен к аноду второго вентиля первой вентильной цепочки, а катод вентиля к положительной шине.

Исключение управляемого ключа 18 и изменение схемы соединения отдельных элементов позволяют довести напряжение на накопительном конденсаторе до 6 U_пm, т. е. 10,38 U_фm, при сохранении элементной базы прототипа и использовании накопительного конденсатора одной лишь секции. Это обеспечивает улучшение удельных массогабаритных и энергетических показателей системы.

Отсутствие в технической и патентной литературе сведений (рекомендаций) по выполнению заявленной схемы в целях достижения описанного в заявке эффекта (результата) показывает новизну взимосвязи между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и положительным эффектом. Это обеспечивает существенное отличие данного изобретения от всех известных систем аналогичного назначения.

На фиг. 1 представлена электрическая схема системы заряда согласно изобретению.

Система заряда емкостного накопителя электрической энергии содержит ТИПТ с тремя выходными клеммами 1, 2 и 3, вентильно-конденсаторный выпрямительно-умножающий агрегат 4, имеющий положительную 5 и отрицательную 6 шины для подключения емкостного накопителя 7, две вентильно-конденсаторные цепочки, в которых катоды вентилей 8 и 9 соединены с одними обкладками соответствующих конденсаторов 10 и 11, а их другие обкладки подключены соответственно к первой и третьей входным клеммам ТИПТ, две вентильные цепочки, состоящие каждая из двух вентилей, в первой вентильной цепочке вентили 12 и 13 соединены катодами, а первый вентиль этой цепочки 13 анодом подключен к отрицательной шине 6, во второй вентильной цепочке вентили 14 и 15 соединены анодами, дозирующий конденсатор 16, блок контроля напряжения и фазового управления вентилями 17. При этом вентиль 9 второй вентильно-конденсаторной цепочки анодом подключен ко второй выходной клемме ТИПТ и точке соединения катодов вентилей 12 и 13 первой вентильной цепочки, а катодом подключен к аноду вентиля 8 первой вентильно-конденсаторной цепочки, при этом катод этого вентиля соединен с анодами вентилей 14 и 15 второй вентильной цепочки, а их катоды связаны друг с другом через дозирующий конденсатор 16, при этом катод первого вентиля 14 подключен к аноду второго вентиля 12 первой вентильной цепочки, а катод второго вентиля 15 - к положительной шине.

При рассмотрении работы системы будем считать, что фазовые напряжения трехфазного источника переменного тока образуют трехфазную звезду, сдвинуты друг относительно друга на 120 электрических градусов. Условимся считать, что все конденсаторы в исходном состоянии (до подачи напряжения) разряжены.

Пусть в исходный момент потенциал клеммы 1 положителен, линейное напряжение между клеммами 2 и 3 равно нулю и последующий момент времени начинает возрастать по абсолютному значению, причем к клемме 2 приложен положительный потенциал. В этот момент на управляющие электроды вентиля 9 от блока контроля напряжения и фазового управления вентилями 17 поступает отпирающий импульс. Вентиль 9 открывается и начинается заряд конденсатора 11 (фиг. 5) по цепи клемма 2 - вентиль 9 - конденсатор 11 - клемма 3 - клемма 2. Через 90 электрических градусов (эл. гр.)от выбранного начала отсчета линейное напряжение между клеммами 2 и 3 достигает амплитудного значения. К этому моменту напряжение на конденсаторе 11 достигает тоже амплитудного значения линейного напряжения. В дальнейшем напряжение между клеммами 2 и 3 начнет уменьшаться. Зарядный ток прекращается и вентиль 9 запирается, предотвращая разряд конденсатора 11 на источник. Через 120 эл. гр. линейное напряжение между клеммами 3 и 1 станет равным нулю, а затем начнет возрастать по абсолютному значению, причем положительный потенциал приложен к клемме 3. В этот момент на управляющий электрод вентиля 8 от блока 17 поступает отпирающий импульс. Вентиль 8 открывается и начинается заряд конденсатора 10 (фиг. 6) по цепи клемма 3 - конденсатор 11 - вентиль 8 - конденсатор 10 - клемма 1 - клемма 3. При этом к конденсатору 10 прикладывается суммарное напряжение источника и заряженного конденсатора 11. Через 210 эл. гр., когда линейное напряжение между клеммами 3 и 1 станет равным амплитудному, напряжение на конденсаторе 10 достигнет удвоенного амплитудного значения линейного напряжения источника. Затем линейное напряжение между клеммами 3 и 1 будет уменьшаться, зарядный ток прекратится и вентиль 8 закроется. Через 240 эл. гр., когда линейное напряжение между клеммами 1 и 2 станет равным нулю, а затем начнет возрастать по абсолютному значению, причем положительный потенциал приложен к клемме 1, на управляющие электроды вентилей 12 и 15 от блока 17 поступают отпирающие импульсы. Вентили 12 и 15 открываются и начинается заряд дозирующего конденсатора 16 (фиг. 7) по цепи клемма 1 - конденсатор 10 - вентиль 15 - дозирующий конденсатор 16 - вентиль 12 - клемма 2 - клемма 1. При этом к обкладкам дозирующего конденсатора 16 приложено суммарное напряжение источника и заряженного конденсатора 10. Через 330 эл. гр., когда линейное напряжение между клеммами 1 и 2 достигнет амплитудного значения, напряжение на обкладках дозирующего конденсатора 16 станет равным утроенному амплитудному значению линейного напряжения. Затем линейное напряжение между клеммами 1 и 2 начнет уменьшаться. Зарядный ток прекратится и вентили 12 и 15 закроются.

Через 360 эл. гр. состояние системы окажется аналогичным исходному, за исключением того, что дозирующий конденсатор 16 будет заряжен до устроенного амплитудного значения линейного напряжения.

После прихода от блока 17 отпирающего импульса на управляющий электрод вентиля 9 он откроется и начнется заряд конденсатора 11 по цепи клемма 2 - вентиль 9 - конденсатор 11 - клемма 3 - клемма 2. Через 420 эл. гр., когда линейное напряжение между клеммами 2 и 3 станет равными амплитудному, конденсатор 11 зарядится до амплитудного значения линейного напряжения. При последующем уменьшении линейного напряжения между клеммами 2 и 3 заряда конденсатора 11 происходить не будет. Зарядный ток прекратится и вентиль 9 закроется.

Через 480 эл. гр. линейное напряжение между клеммами 3 и 1 станет равным нулю и начнет возрастать по абсолютному значению, причем положительный потенциал приложен к клемме 3. В этот момент на управляющий электрод вентиля 8 от блока 17 поступает отпирающий импульс. Вентиль 8 открывается и начинается заряд конденсатора 10 по цепи клемма 3 - конденсатор 11 - вентиль 8 - конденсатор 10 - клемма 1 - клемма 3. При этом к обкладкам конденсатора 10 приложено суммарное напряжение источника и заряженного конденсатора 11. Через 570 эл. гр. , когда линейное напряжение между клеммами 3 и 1 станет равным амплитудному значению, напряжение на обкладках конденсатора 10 достигнет удвоенного амплитудного значения линейного напряжения. При последующем уменьшении линейного напряжения между клеммами 3 и 1 заряда конденсатора 10 происходить не будет. Зарядный ток прервется и вентиль 8 закроется.

Через 600 эл. гр. линейное напряжение между клеммами 1 и 2 станет равно нулю и затем начнет возрастать по абсолютному значению, причем положительный потенциал приложен к клемме 1. В этот момент на управляющие электроды вентилей 14 и 13 от блока 17 поступают отпирающие импульсы. Вентили 13 и 14 открываются и начинается заряд накопительного конденсатора 7 (фиг. 8) по цепи клемма 1 - конденсатор 10 - вентиль 14 - дозирующий конденсатор 16 - положительная шина 5 - накопительный конденсатор 7 - отрицательная шина 6 - вентиль 13 - клемма 2 - клемма 1. При этом к обкладкам накопительного конденсатора 7 прикладывается суммарное напряжение источника и зарядных конденсаторов 10 и 16. Когда напряжение на накопительном конденсаторе 7 станет равным суммарному напряжению, прикладываемому к его обкладкам, заряд накопительного конденсатора 7 прекращается. Вентили 13 и 14 закрываются. На этом зарядный цикл заканчивается. Через 720 эл. гр. начинается новый зарядный цикл, и все процессы, описанные выше повторяются. На фиг. 9,а приведены графики изменения линейных напряжений ТИПТ, а на фиг. 9,б приведена временная диаграмма генерирования импульсов, подаваемых в цепи управления вентилей, в соответствии с рассмотренным выше порядком работы системы заряда емкостного накопителя электрической энергии. Около каждого импульса указаны номера вентилей, в которые они подаются.

Процесс заряда накопительного конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет, - за много периодов изменения напряжения ТИПТ, - значения, равного 6 U_пm или 10,38 U_фm. Затем заряженный накопительный конденсатор 7 разряжается во внешнюю цепь, после чего начинается следующий этап заряда.

В связи с тем, что действующее в лаборатории устройство для заряда накопителя, спроектированное и изготовленное согласно авт. свид. N 911690, характеризуется лучшими энергетическими массогабаритными показателями среди известных устройств аналогичного назначения, это действующее устройство (прототип /3/) авторами принимается и за базовый объект данного изобретения.

Технико-экономические преимущества предлагаемой системы перед базовым объектом-прототипом вытекает из следующего. Обе системы содержат одинаковое число конденсаторов, но предлагаемая система имеет на один управляемый ключ меньше, при этом коэффициент умножения напряжения в прототипе составляет 8,8 U_фm, а в предлагаемой системе 10,38 U_фm, т.е. на 18% больше. Это позволяет увеличить количество энергии, запасаемой в накопительном конденсаторе на 40% больше, чем в прототипе, и соответственно уменьшить массогабаритные показатели системы.

Таким образом, исключение из схемы устройства управляемого ключа и изменение схемы включения отдельных элементов, т.е. подключение вентиля второй вентильно-конденсаторной цепочки анодом ко второй выходной клемме трехфазного источника переменного тока и точке соединения катодов вентилей первой вентильной цепочки, а катодом - к аноду вентиля первой вентильно-конденсаторной цепочки, при этом катод этого вентиля соединен с анодами вентилей второй вентильно-конденсаторной цепочки, а их катоды связаны друг с другом через дозирующий конденсатор, при этом катод первого вентиля подключен к аноду второго вентиля первой вентильно-конденсаторной цепочки, а катод второго вентиля - к положительной шине, приводит к увеличению напряжения на 18%, а запасаемой энергии на 40%. Это в свою очередь приводит к уменьшению массогабаритных показателей системы на 18%, а энергии на 40%.

Источники информации
1. SU 790155 А, 1980.

2. SU 1003312 А, 1983.

3. SU 911690 А, 1982.

Использование: в импульсной технике и в системах заряда емкостного накопителя электрической энергии. Технический результат заключается в улучшении удельных массогабаритных и энергетических показателей системы путем увеличения ее выходного напряжения. Это достигается тем, что используют дозирующий конденсатор, конденсаторы двух вентильно-конденсаторных цепочек, в которых катоды вентилей соединены с одними обкладками соответствующих конденсаторов, а их другие обкладки подключены соответственно к первой и третьей выходным клеммам трехфазного источника переменного тока. Две вентильные цепочки состоят из двух вентилей. В первой вентильной цепочке вентили соединены катодами. Первый вентиль этой цепочки анодом подключен к отрицательной шине. Во второй вентильной цепочке вентили соединены анодами. 9 ил.

Система заряда емкостного накопителя электрической энергии, содержащая трехфазный источник переменного тока с тремя выходными клеммами, вентильно-конденсаторный выпрямительно-умножающий агрегат, имеющий положительную и отрицательную шины для подключения емкостного накопителя, две вентильно-конденсаторные цепочки, в которых катоды вентилей соединены с одними обкладками соответствующих конденсаторов, их другие обкладки подключены соответственно к первой и третьей выходным клеммам трехфазного источника переменного тока, две вентильные цепочки, состоящие каждая из двух вентилей, в первой вентильной цепочке вентили соединены катодами, а первый вентиль этой цепочки анодом подключен к отрицательной шине, во второй вентильной цепочке вентили соединены анодами, дозирующий конденсатор, блок контроля напряжения и фазового управления вентилями, отличающийся тем, что вентиль второй вентильно-конденсаторной цепочки анодом подключен ко второй выходной клемме трехфазного источника переменного тока и точке соединения катодов вентилей первой вентильной цепочки, а катодом подключен к аноду вентиля первой вентильно-конденсаторной цепочки, при этом катод этого вентиля соединен с анодами вентилей второй вентильной цепочки, а их катоды связаны друг с другом через дозирующий конденсатор, при этом катод первого вентиля подключен к аноду второго вентиля первой вентильной цепочки, а катод второго вентиля - к положительной шине.