СПОСОБ ЗАРЯДА ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК H02M7/162 

Изобретение относится к способам и устройствам заряда емкостных накопителей электрической энергии (аккумуляторов, молекулярных и других накопительных конденсаторов), широко используемых в импульсной технике. Его целесообразно использовать при реализации способов так называемого "медленного" заряда (например, за несколько периодов изменения тока источника) синусоидального напряжения, преимущественно для заряда емкостных накопителей электрической энергии (ЕНЭЭ) генераторов мощных импульсов, то есть заряда накопителя электрической энергии за длительное время от источника ограниченной мощности. Эти накопители используются в качестве мощных импульсных источников вторичного электропитания различных потребителей электрической энергии, таких как оптические квантовые генераторы, импульсные электрореактивные двигатели, радиолокационная техника, устройства экспериментальной физики, а также установок, использующих импульсные магнитные поля.

Схемы устройств для реализации предлагаемого способа заряда ЕНЭЭ представлены на фиг.1-6.

Широко известны способы заряда ЕНЭЭ, преимущественно накопительного конденсатора (НК), как от источников постоянного тока, так и от источников переменного тока с последующим его выпрямлением и ограничением для регулирования скорости заряда.

В настоящее время известен способ "медленного" заряда ЕНЭЭ от источника постоянного тока неизменного напряжения через токоограничивающий - балластный резистор, включаемый в цепь заряда по схеме на фиг.8 [1, 60 с.].

Недостатками этого способа являются крайне низкий КПД, не превышающий 0,5, и низкие удельные энергетические показатели устройств для заряда ЕНЭЭ. Под удельными энергетическими показателями устройств заряда (УЗ) НК обычно понимается отношение мощности, энергии к массе УЗ. Низкие показатели вызваны тем, что избыточная энергия источника гасится на балластном сопротивлении. Поэтому этот способ применяется крайне редко.

Известен и достаточно распространен способ "медленного" заряда ЕНЭЭ от источника переменного тока через вентильный выпрямитель, последовательно с которым включается токоограничивающий элемент, в качестве которого используются резисторы, катушки индуктивности или конденсаторы [1, 58 с. и др.], схема устройства для реализации которого приведена на фиг.9. При ограничении тока резистором КПД устройства повышается до 0,57 [1, 219 с.], однако имеет более низкое значение по сравнению с зарядными цепями с реактивными токоограничивающими элементами. Это связано с наличием больших потерь энергии в резисторах. Поэтому при использовании реактивных токоограничивающих элементов этот способ может обеспечить более высокий КПД, так как избыток энергии источника, который гасится на резисторе и тем снижает КПД, в реактивном элементе запасается в одном полупериоде изменения напряжения источника питания и возвращается в него в другом. Это повышает эффективность данного способа заряда ЕНЭЭ, поэтому он является энергосберегающим [1].

Недостатком этого способа является то, что напряжение на ЕНЭЭ не превышает амплитуды напряжения источника переменного тока (колебания которого относительно расчетного номинального значения могут достигать ±20%), в то время как напряжение на ЕНЭЭ, как правило, должно быть не ниже расчетного напряжения первичного источника электрической энергии.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению по п.1. формулы изобретения является энергосберегающий способ заряда емкостного накопителя электрической энергии, преимущественно накопительного конденсатора, от трехфазного источника переменного тока с использованием емкостного токоограничения и двухполупериодного выпрямления тока, заключающийся в том, что в каждом полупериоде изменения тока источника в одной из пар токоограничивающедозирующих конденсаторов (ТДК) запасают избыточную энергию, которую в последующем полупериоде при попарном перезаряде передают в емкостной накопитель, схема устройства для реализации которого представлена на фиг.10. [1, 278 с.].

В связи с тем, что напряжение источника часто изменяется от ±5% до ±20%, а многие импульсные потребители весьма критичны к величине энергии, передаваемой в них от ЕНЭЭ, зарядные устройства обычно проектируют для работы при наименьшем напряжении источника питания. Поэтому уже при номинальном напряжении НК может оказаться перезаряженным. В связи с этим большое применение получили так называемые системы заряда НК "по-готовности". В этих системах а момент достижения напряжения на обкладках НК заданного значения передача в него энергии источника прекращается. Это достигается за счет использования выпрямителей на управляемых вентилях и введения в систему заряда блока контроля напряжения и фазового управления тиристорами (БКН ФУТ) выпрямителя.

Принцип действия и схемы БКН ФУТ известны и детально описаны в технической литературе. Они позволяют изменять напряжение на выходе в широких пределах, но не выше амплитудного значения линейного напряжения трехфазного источника. Необходимо отметить, что основную массу УЗ составляют источник и ТДК, а масса тиристоров и БКН ФУТ не превышает 2-5% от общей массы. Для обеспечения требуемого уровня напряжения на НК при изменении напряжения питания даже в указанных пределах нередко бывает необходимо регулировать величину выходного напряжения выпрямительного устройства. Это также достигается с помощью использования в выпрямительном устройстве тиристоров. Кроме того, на практике находят применение системы, питающие импульсную нагрузку с заданной частотой, но требующие различных значений энергии в импульсах, отличающихся в 2 и более раз. Это можно обеспечить за счет применения дополнительного повышающего трансформатора или автотрансформатора. Но при этом увеличивается масса устройства и, соответственно, ухудшаются его удельные энергетические показатели. Лучшими энергетическими показателями характеризуются управляемые выпрямительные устройства, обеспечивающие работу как "по-готовности", так и "по-времени" (частоте срабатывания).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству по п. 2. и последующим пунктам формулы изобретения является энергосберегающее устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя выходными клеммами, трехфазный двухполупериодный мостовой, например, тиристорный выпрямитель с двумя выходными клеммами для подключения накопительного конденсатора и тремя входными клеммами, каждая из которых через токоограничивающе дозирующий конденсатор подключены к выходным клеммам источника переменного тока и блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами мостового выпрямителя [1, схема по рис. 95, 252 с.] (фиг.10).

Недостатком этого устройства, реализующего энергосберегающий способ "медленного" заряда НК, является то, что в нем ТДК ограничивают ток источника только при попарном их включении последовательно друг с другом (в результате чего эквивалентная емкость токоограничителя уменьшается в 2 раза) и передают запасенную энергию в НК также при попарном их перезаряде (в последующем такте преобразования), когда они включены также последовательно друг с другом. В этом случае эквивалентная емкость соответственно уменьшается вдвое. При такой передаче энергии источника в НК через пары ТДК регулирование скорости передачи энергии (то есть зарядной мощности устройства) в НК при полностью открытых тиристорах, работающих в этом случае в режиме обычных диодов, может быть осуществлена только за счет изменения емкости ТДК, то есть изменения массы устройства для заряда накопительного конденсатора. В связи с этим для регулирования скорости передачи энергии из источника в НК, когда она недостаточна, необходимо увеличивать емкость ТДК, что ухудшает удельные энергетические и массо-габаритные показатели системы в целом.

Целью изобретения в энергосберегающем способе заряда ЕНЭЭ, преимущественно НК, от трехфазного источника переменного тока с использованием емкостного токоограничения и двухполупериодного выпрямления тока, заключающееся в том, что в каждом полупериоде изменения тока источника в одной из пар ТДК запасается избыточная энергия, которая в последующем полупериоде при попарном перезаряде передается в емкостной накопитель, является улучшение удельных энергетических показателей устройств для заряда накопительного конденсатора путем увеличения скорости передачи в него энергии источника, определяемой произведением зарядного тока на напряжение без увеличения емкости ТДК, то есть практически без увеличения массы УЗ в целом. С этой целью одновременно с токовым ограничением в одной части токоограничивающедозирующих конденсаторов производят дополнительное накопление энергии в другой их части с последующей передачей накопленной энергии в емкостной накопитель в последующем такте преобразования энергии.

На фиг.1-6 представлены варианты схем устройств для заряда ЕНЭЭ, реализующие предложенный способ согласно изобретению, а на фиг.7 - временные диаграммы изменения напряжений источника.

Целью изобретения в устройствах, реализующих этот способ, является улучшение технико-экономических показателей, то есть улучшение их удельных энергетических характеристик путем увеличения скорости передачи энергии практически без увеличения их массы.

Для реализации заявленного энергосберегающего способа с помощью УЗНК по п.2-5 (схемы фиг 1-4), по сути повышение скорости передачи энергии осуществляется за счет интенсификации передачи энергии путем увеличения тока заряда НК вольтодобавочным способом, реализуемым за счет создания новых добавочных цепей, которые обеспечивают дополнительную передачу энергии в ТДК (их подзаряд) для последующей предачи этой энергии в емкостной накопитель в последующем такте преобразования энергии по п.6 (схема фиг.5) - токодобдвкой без увеличения зарядного напряжения, а по п.7 (схема фиг.6) - за счет использования обоих этих путей.

Поставленная цель в устройстве по п.2. формулы изобретения (схема на фиг. 1) достигается тем, что устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя выходными клеммами (1, 2 и 3), трехфазный двухполупериодный мостовой тиристорный выпрямитель (4-10) с двумя выходными клеммами (11 и 12) для подключения накопительного конденсатора (13) и тремя входными клеммами, каждая из которых через токоограничивающедозирующий конденсатор (14, 15 и 16) подключены к выходным клеммам источника переменного тока (1, 2 и 3) и блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами (17) мостового выпрямителя, снабжено дополнительным тиристором (18), а блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами - дополнительным выходом, который подключен к управляющему электроду, катоду тиристора и одной из входных клемм упомянутого выпрямителя, при этом положительная выходная клемма (11) выпрямителя соединена с анодом этого тиристора. Места подключения входов и выходов БКНФУТ к источнику электрической энергии и цепям управления тиристорами на фиг.1-6 обозначены номерами, заключенными в скобки.

Поставленная цель по п.3 формулы изобретения (схема на фиг.2) достигается тем, что устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя выходными клеммами, трехфазный двухполупериодный мостовой тиристорный выпрямитель с двумя выходными клеммами для подключения накопительного конденсатора и тремя входными клеммами, каждая из которых через ТДК подключены к выходным клеммам источника переменного тока, и блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами мостового выпрямителя, оно снабжено дополнительным тиристором, блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами - дополнительным выходом, который подключен к управляющему электроду, катоду тиристора и непосредственно к одной из входных клемм упомянутого выпрямителя, а анод тиристора через ТДК - к другой его входной клемме.

Поставленная цепь по п.4 формулы изобретения (схема на фиг.3) достигается тем, что устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя выходными клеммами, трехфазный двухполупериодный мостовой тиристорный выпрямитель с двумя выходными клеммами для подключения накопительного конденсатора и тремя входными клеммами, каждая из которых через ТДК подключены к выходным клеммам источника переменного тока, и блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами мостового выпрямителя, оно снабжено дополнительным тиристором, блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами - дополнительным выходом, который подключен к управляющему электроду, катоду тиристора и к одной входной клемме выпрямителя, а анод тиристора - к другой его входной клемме.

Поставленная цепь по п.5 формулы изобретения (схема на фиг.4) достигается тем, что устройство для заряда накопительного конденсатора по п.3 дополнительно снабжено вторым тиристором (19), а блок контроля напряжения и фазового управления - вторым дополнительным выходом, который подключен к управляющему электроду, катоду второго тиристора и аноду первого дополнительного тиристора, при этом анод второго дополнительного тиристора подключен к третьей входной клемме упомянутого выпрямителя.

Поставленная цель по п.6 формулы изобретения (схема на фиг.5) достигается тем, что устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя выходными клеммами, трехфазный двухполупериодный мостовой тиристорный выпрямитель с двумя выходными клеммами для подключения накопительного конденсатора и тремя входными клеммами, каждая из которых через ТДК подключены к выходным клеммам источника переменного тока, и блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами мостового выпрямителя, оно дополнительно снабжено двумя тиристорами, а блок контроля напряжения и фазового управления - двумя дополнительными выходами, которые подключены к управляющим электродам этих тиристоров соответственно, при этом тиристоры соединены в последовательно-согласную друг с другом цепочку и катод одного из них подключен к положительной, анод другого - к отрицательной выходным клеммам упомянутого выпрямителя, а точка соединения тиристоров - к одной из выходных клемм источника.

Поставленная цель по п.7 формулы изобретения (схема на фиг.6) достигается тем, что устройство для заряда накопительного конденсатора по п.6 дополнительно снабжено второй парой тиристоров (20 и 21), а блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами - второй парой выходов, которые подключены к управляющим электродам и катодам вновь введенных тиристоров, при этом тиристоры соединены в последовательно-согласную цепочку и катод одного, анод другого и точка их соединения подключены соответственно к трем входным клеммам упомянутого выпрямителя.

Прежде чем рассматривать работу заявляемого УЗ НК с ТДК в каждом линейном проводе трехфазного источника переменного тока (ТИПТ), необходимо отметить, что оно из-за наличия тиристоров относится к так называемым параметрическим существенно нелинейным и с многократной реконфигурацией цепей, причем параметрическая реконфигурация в нем определяется соотношением напряжений ТИПТ - ТДК - НК, где последнее непрерывно увеличивается в каждом полупериоде изменения тока источника.

Кроме того, рассмотрение процессов в УЗ НК удобнее вести, используя относительные значения зарядных напряжения и тока. U_з ⁺=U_з/U_б, I_з ⁺=I_з/I_б, где за базовое напряжение принята амплитуда линейного U_л напряжения источника, а за базовый ток - выпрямленное значение тока короткого замыкания УЗ при условии U_з=0 и равенство нулю активных сопротивлений в цепи заряда. I_б=I_кз=U_лм•ωС/1,9, где ω - круговая частота изменения тока ТИПТ, а С - емкость одного из ТДК, включенного в линейный провод. Здесь емкость конденсаторов выражается в фарадах, напряжение в вольтах, ток в амперах, а круговая частота - в радианах в секунду.

Анализ электромагнитных процессов в энергосберегающих УЗ НК по схеме фиг.1 и др. в целях сокращения объема описания целесообразно проводить в два этапа, то есть разделить их следующим образом: на первом этапе следует положить, что тиристор 18 закрыт, а БКНФУТ подает сигналы на тиристоры моста 4 таким образом, что они работают как обычные диоды. На втором этапе анализа можно исходить из предположения, что БКТФУТ подает сигнал на тиристор 18 и он открывается, реализуя режим заряда "по готовности" или "по времени". Это осуществляется на втором этапе за счет заряда ТДК 15 через ТДК 14 или 16 линейным напряжением u₁₂, и u₃₂ соответственно в течение одного полупериода и последующей передачи запасенной энергии в НК.

При передаче энергии ТИПТ в НК на первом этапе ток в каждой линии источника, подключаемой поочередно к НК через выпрямитель, пропорционален разности напряжений соответствующей линии и НК и обратно пропорционален емкостному сопротивлению пары ТДК, включенных последовательно друг с другом. Этот ток имеет наибольшее значение (принятое выше за базу) в режиме короткого замыкания выхода УЗНК.

Мощность заряда НК - Р_з, передаваемая в НК, Р_з ⁺=U_з ⁺•I_б ⁺=(1-I_б ⁺)I_б, равна нулю при коротком замыкании и холостом ходе, имеет максимум, когда зарядный ток вдвое меньше тока короткого замыкания, то есть когда зарядный ток вдвое меньше тока короткого замыкания, то есть когда зарядное напряжение НК равно половине амплитудного значения линейного напряжения ТИПТ. Регулирование зарядной мощности на первом этапе в анализируемом зарядном устройстве может осуществляться путем изменения величины тока короткого замыкания, и для ускорения заряда НК необходимо увеличивать емкость ТДК. Это приведет к соответствующему повышению массы устройства.

Рассматривая работу энергосберегающего УЗНК по схеме фиг.1, отметим, что уравнение внешней статической характеристик УЗНК с ТДК в каждом линейном проводе ТИПТ в относительных единицах может быть представлена формула U_з ⁺= (1-I_з ⁺). Зарядный ток I_з ⁺, падение напряжения на ТДК и мощность, потребляемые от ТИПТ, линейно уменьшаются по мере роста зарядного напряжения U_з ⁺ НК.

Пусть в исходный момент времени потенциал клеммы 1 равен нулю, клеммы 2 - имеет отрицательное значение, а клеммы 3 - положительное (фиг.7). Подробно процессы заряда НК через мостовой выпрямитель, питаемый от ТИПТ через ТДК, рассмотрены в литературе [1, 252-274 с.], где показано, что при "медленном" заряде этот процесс можно разделить на три цикла, каждый из которых характеризуется различными режимами работы вентилей.

Первый цикл зарядки осуществляется при U_тдк ⁺<0,4. На этом цикле энергия ТИПТ непрерывно передастся в НК, и имеет место чередование трех- и двухвентильных режимов, то есть ток источника в НК проводят одновременно три или два вентиля. В начале первого цикла процесса зарядки наблюдается только трехвентильный режим. Зоны двухвентильного режима растут по мере повышения напряжения на НК, и при U_тдк ⁺≥0,4 зона трехвентильного режима становится равной нулю.

Второй цикл зарядки происходит при 0,4<U_тдк ⁺≥0,75 и характеризуется наличием только двухвентильного режима и отсутствием пауз между импульсами зарядного тока, то есть заряд непрерывным током.

Третий цикл начинается, когда U_тдк ⁺>0,75. Он характеризуется наличием пауз между импульсами зарядного тока.

Таким образом, ток в НК вначале передается через вентиль 5 и несмежные с ним вентили 9 и 10 (затем 6 и 8, 9); потом 7 и 8, 9; равно как и по цепям с вентилями 8 и 6, 7; затем 9 и 5, 7; потом 10 и 5, 6. В двухвентильном режиме ток проводит одновременно: один вентиль, находящийся в анодной группе, и один вентиль, находящийся в катодной группе - как во всех классических схемах выпрямления тока трехфазных мостовых выпрямителей.

В первом цикле ток заряда протекает в любой момент времени через три вентиля и три ТДК, которые оказываются включенными по последовательно-параллельной схеме, реконфигурация которой меняется 12 раз за период. Отметим, что при ограничении тока заряда резистором существовал бы только двухвентильный режим заряда, определяемый только арифметической разностью напряжений источника и НК. В рассматриваемом УЗ с ТДК дополнительно создаются вторые цепи передачи энергии ТИПТ, условием возникновения которых является величина напряжения на ТДК, значение которого определяется алгебраической суммой напряжений, действующих в контуре. Это напряжение в процессе заряда уменьшается. Оно смещает потенциал катода одного из вентилей анодной группы и открывает его. Этот процесс заканчивается, когда напряжение на ТДК U_тдк ⁺= 0,4. Наличие трехвентильного цикла удлинняет время протекания тока через вентиль анодной группы, то есть увеличивает скорость передачи энергии в НК. Кроме того, эквивалентное емкостное сопротивление (Х_тдк) последовательно-параллельно включенных ТДК будет равно 1,5Х_тдк, а при двухвентильном режиме - 2Х_тдк. Это будет приводить к увеличению начального тока заряда. Таким образом осуществляется заряд НК на первом этапе при отключенном тиристоре 18. Этим путем можно зарядить НК до напряжения U_лм. Если в этот момент времени от БКНФУТ продолжать подавать импульсы на вентили моста и начать подавать импульсы на вентиль 18, то под действием напряжения u₁₂ по цепи 1-14-5-18-15-2-1 будет протекать ток источника, заряжая конденсаторы 14 и 15. Через половину периода полярность напряжения этой пинии источника изменится и под действием суммарного напряжения u₁₂ и напряжения на ТДК формируется зарядный импульс тока. Под действие напряжения u₃₂ со сдвигом по фазе будет происходить заряд ТДК 15, 16 и их последующий разряд на НК. Таким образом, за период изменения линейного напряжения источника и суммарного напряжения двух ТДК, включенных последовательно-согласно, за период будут формироваться два зарядных импульса тока. Это позволит зарядить НК до напряжения 2 U_лм.

Как показали исследования, с целью обеспечения постоянства зарядной мощности ко второму этапу целесообразно переходить, когда U₃ ⁺>0,3, то есть прекратится трехвентильный заряд и ток заряда упадет до I₃ ⁺=0,87. В этом случае в процессе заряда будут участвовать 7 тиристоров. Это приведет к увеличению тока тиристоров катодной группы. При этом энергия ТИПТ будет запасаться в парах конденсаторов 14, 15 и 15, 16 непосредственно от источников (минуя НК), а затем в последующем акте преобразования энергии передаваться в НК. Напряжение на указанных парах ТДК будет суммироваться с линейным напряжением источника, увеличивая амплитуду зарядного напряжения до 2 U_лм. Рассмотренный режим работы позволяет осуществлять передачу энергии из источника в НК с максимальной скоростью и зарядить его до напряжения, равного 2 U_лм. При этом величина энергии, запасенной в НК, возрастает в 4 раза. Таким образом, снабжение УЗНК дополнительным вентилем, приводя к незначительному увеличению массы зарядного устройства (на массу одного вентиля), приводит к увеличению энергии, запасаемой в НК, в 4 раза, что практически в 4 раза улучшает удельные энергетические характеристики устройства.

Работу устройства по фиг.2, как и последующих (фиг.3-6), также можно рассматривать в два этапа. При этом первый этап работы выпрямителя 4, выполненного на тиристорах 5-10 во всех устройствах (фиг.2-6) аналогичен рассмотренному. На втором этапе работы устройств, когда тиристоры открываются от БКНФУТ 17, также создаются дополнительные каналы передачи энергии из ТИПТ в ТДК и НК, увеличивающие скорость передачи энергии в накопительный конденсатор.

Процесс заряда через дополнительные каналы начинается после включения дополнительных вентилей-тиристоров. При работе выпрямительного устройства на этом этапе моменты проводимости вентилей будут определяться алгебраической суммой линейного напряжения и напряжения на паре ТДК, включенных в цепь соответствующего линейного напряжения. Проводить будет тот вентиль катодной группы, к аноду которого будет приложен наибольший потенциал, а в анодной - тот вентиль, к катоду которого будет приложен самый низкий потенциал. Ток заряда будет протекать в той цепи и тогда, когда алгебраическая сумма линейного напряжения и пары ТДК будет больше напряжения на НК.

Для устройства по фиг.2 на втором этапе, когда НК заряжен до напряжения U_лм, от БКНФУТ на тиристор 18 начинают подаваться отпирающие импульсы. Импульсы подаются в момент времени, когда потенциал клеммы 2 выше, чем потенциал клеммы 1 (фиг.7). При этом будет происходить заряд ТДК 14 непосредственно от ТИПТ по цепи 2-18-14-1-2 и ТДК 14 зарядится до амплитудного значения линейного напряжения источника. В последующие моменты времени периода изменения питающего напряжения, когда потенциал клеммы 1 будет выше потенциалов клемм 2 и 3, тиристор 18 закрывается. Далее происходит формирование двух зарядных импульсов под действием алгебраической суммы напряжений пар ТДК 14, 15 и 14, 16 и ТИПТ. Зарядные импульсы тока протекают по цепям 1-14-5-11-13-12-9-15-2-1 и 1-14-5-11-13-12-10-16-3-1. При этом к НК прикладываются импульсы напряжением 2U_лм. Это приводит к заряду НК за много периодов до напряжения, равного 2U_лм. При протекании тока по указанным цепям будет происходить заряд ТДК 15 и 16. Положительный потенциал будет на правых (по схеме фиг.2) обкладках.

В интервале времени, когда начнется заряд ТДК14 под действием суммарного напряжения u₂₁ и ТДК 15 по цепи 2-15-6-11-13-12-8-14-1-2 будет протекать ток, пока напряжение на ТДК15 будет больше, чем на ТДК 14. Аналогично формируется зарядный импульс по цепи 3-16-7-11-13-12-8-14-1-3, когда напряжение на ТДК 16 больше, чем на ТДК 14. Это увеличивает длительность зарядного импульса и максимальную величину зарядного тока устройства, то есть ускорит процесс заряда НК до напряжения 2U_лм.

Процессы второго этапа, рассмотренные выше, при работе устройств по фиг. 2-6 могут начинаться одновременно с процессами первого этапа, когда БКНФУТ будет открывать дополнительные тиристоры в соответствии с требуемой программой работы.

Раздельное рассмотрение процессов проводится лишь для наглядности процессов, возникающих при введении в электрическую схему дополнительных тиристоров. По завершении заряда НК происходит его разряд на нагрузку и далее процессы повторяются циклически.

Для устройства по фиг.3 на втором этапе работы, когда НК заряжен до напряжения U_лм, от БКНФУТ на тиристор 18 начинают подаваться отпирающие импульсы. Они подаются в момент времени, когда потенциал клеммы 2 выше потенциала клеммы 1 (150-270 эл. град, фиг.7). Начинается заряд ТДК 14 и 15 непосредственно от источника по цепи 2-15-18-14-1-2. Положительный потенциал будет на левой обкладке ТДК 15, а у ТДК 14 - на правой. Когда потенциал анода тиристора 18 станет ниже потенциала его катода, тиристор закроется. Каждый из конденсаторов зарядится до 0,5U_лм. В последующем, когда потенциал клеммы 3 станет выше потенциала клеммы 2, под действием суммарного напряжения u₃₂, ТДК 16 и ТДК 15 формируется зарядный импульс и ток протекает по цепи 3-16-7-11-13-12-9-15-2-3. ТДК 16 заряжается так, что на его левой обкладке будет положительный потенциал, а ТДК 15 вначале будет разряжаться, а затем перезаряжаться, то есть положительный потенциал будет на его правой обкладке. Когда суммарное напряжение u₁₃, ТДК 14 и ТДК 16 (все напряжения действуют согласно) будет больше напряжения на НК, формируется новый зарядный импульс по цепи 1-14-5-11-13-12-10-16-3-1. По мере заряда НК напряжение на ТДК 16 будет расти до U_лм, что в итоге приведет к заряду НК до напряжения, равного 2,5 U_лм.

Это приведет к увеличению энергии, запасаемой в НК, по сравнению с прототипом, на 625% - при практически неизменной массе устройства.

Для устройства по фиг.4 на втором этапе работы, когда НК заряжен до напряжения U_лм, сигнал от БКНФУТ на открытии тиристора 18 подастся в момент времени, когда потенциал клеммы 2 станет выше потенциала клеммы 1, то есть через 150 эл. град (фиг.7), при этом начинается заряд ТДК14 непосредственно от источника по цепи 2-18-14-1-2. В конце заряда напряжение на ТДК 14 будет равно U_лм.

Через 270 эл. град потенциал клеммы 3 станет выше потенциала клеммы 2 и БКНФУТ откроет тиристор 19, начнется заряд ТДК 16 непосредственно от источника по цепи 3-16-19-2-3. В конце заряда напряжение на ТДК 16 будет равно U_лм.

Через 390 эл. град потенциал клеммы 1 станет выше потенциала клеммы 3, произойдет суммирование напряжений u₁₃, ТДК 14, ТДК 16 и по цепи 1-14-5-11-13-12-10-16-3-1 будет происходить заряд НК 13. Максимальное значение зарядного напряжения такого импульса равно 3U_лм.

Кроме этого зарядного импульса с максимальным значением напряжения 3U_лм, будут формироваться импульсы тока тогда, когда в соответствующей зарядной цепи суммарное напряжение, формируемое под действием линейного напряжения источника и напряжения на соответствующей паре ТДК будет больше напряжения на НК. Это ускорит процесс заряда.

В конечном итоге НК зарядится до напряжения 3U_лм, что приведет к увеличению энергии, запасенной в НК, по сравнению с прототипом на 900%.

Для устройства по фиг.5 на процессы, протекающие в первом этапе, в то же время могут накладываться процессы, возникающие при открытии тиристоров 18 и 19. Если напряжение изменяется в соответствии с диаграммами фиг.7, то на интервале 0-30 эл. град наибольший положительный потенциал приложен к клемме 3, а отрицательный - к клемме 2. Под действием этого напряжения и при открытом состоянии тиристора 18 по цепи 3-18-11-13-12-9-15-2-3 протекает ток. При этом за счет вентиля 18 из цепи протекания этого тока исключен ТДК 16, поэтому величина тока источника, проходящего в этой цепи, возрастает и увеличивается вдвое. Величина тока заряда ограничена только одним ТДК 15.

На интервале 30-90 эл. град под действием напряжения u₁₂ ток заряда протекает по цепи 1-14-5-11-13-12-9-15-2-1. На этом интервале ток будет ограничиваться двумя ТДК (14 и 15).

На интервале 90-150 эл. град под действием напряжения u₁₃ ток заряда протекает по цепи 1 -14-5-11-13-12-19-3-1. За счет включения вентиля 19 из цепи заряда исключается ТДК 16, что приведет к увеличению зарядного тока.

На интервале 150-210 эл. град под действием напряжения u₂₃ ток заряда протекает по цепи 2-15-6-11-13-12-19-3-1. За счет включения вентиля 19 из цепи заряда исключается ТДК 16, что также приводит к увеличению зарядного тока на этом интервале.

На интервале 210-270 эл. град под действием напряжения u₂₁ ток заряда протекает по цепи 2-15-6-11-13-12-8-14-1-2 и ограничивается двумя ТДК (15 и 14).

На интервале 270-330 эд. град под действием напряжения u₃₁ ток заряда протекает по цепи 3-16-7-11-13-12-8-14-1-3 и ограничивается двумя ТДК (16 и 14).

На интервале 330-390 эд. град под действием напряжения u₃₂ ток заряда протекает по цепи 3-18-11-13-12-9-15-2-3 и ограничивается одним ТДК (15).

Таким образом, максимальная величина интервала, на котором ток заряда может ограничиваться одним ТДК, составляет 180 эл. град, то есть половину периода изменения питающего напряжения. Изменяя моменты включения вентилей 18 и 19, можно регулировать величину зарядного тока, то есть время заряда НК до напряжения U_лм. Устройство по фиг.5 в отличие от всех ранее рассмотренных устройств не увеличивает напряжение заряда НК, а улучшает его удельные энергетические характеристики непосредственно путем совмещения первого и второго этапов заряда за счет двухкратного увеличения тока начального заряда НК. Это происходит практически при той же массе устройства в целом, а эффект эквивалентен увеличению емкости ТДК в 2 раза.

Для устройства по фиг.6 на процессы, описанные при рассмотрении работы зарядного устройства по фиг.5, накладываются процессы, связанные с периодическим включением вентилей 20 и 21.

Вентиль 20 открывается БКНФУТ тогда, когда напряжение u₂₁ имеет положительный потенциал на клемме 2, а отрицательный - на клемме 1. При этом происходит заряд ТДК 15 и 14. Вентили 20 и 21 открываются тогда, когда потенциал клеммы 3 положителен, а клеммы 1 - отрицателен. При этом происходит заряд ТДК 16 и 14.

Вентиль 21 открывается БКНФУТ тогда, когда напряжение u₃₂ имеет положительный потенциал на клемме 3, а отрицательный - на клемме 2. При этом происходит заряд ТДК 16 и 15.

Таким образом, в течение первого периода изменение питающего напряжения ТДК будут заряжены. В связи с этим на следующем интервале изменения питающего напряжения ТДК будут уже заряжены и моменты включения вентилей выпрямительного моста будут определяться суммой напряжений, действующей в цепи заряда НК, то есть соответствующим линейным напряжением источника и напряжением соответствующей пары ТДК, которые были заряжены на предыдущем интервале. Эти напряжения в определенные моменты времени действуют согласно с напряжением источника. При этом ТДК в определенные моменты времени будут заряжены до U_лм, а в цепи заряда НК будут формироваться зарядные импульсы тока под действием суммарного напряжения, равного 3U_лм.

В результате протекания рассмотренных процессов за много периодов изменения питающего напряжения (время заряда зависит от емкости ТДК и НК) НК будет заряжен до напряжения 3U_лм, но за меньшее (при прочих равных условиях) время за счет действия включенных вентилей 18 и 19. Пара ТДК 18, 19, увеличивая значение начального тока, интенсифицирует процессы заряда НК до U_лм, а пара ТДК 20, 21 обеспечивает трехкратное увеличение зарядного напряжения на НК.

Использование вариантов энергосберегающих устройств по схемам фиг.1-6 позволяет осуществлять регулируемый заряд и увеличить энергию, запасаемую в НК до 900% при практически неизменной массе зарядных устройств, реализующих заявленный способ.

В зарядных устройствах по схемам фиг.1-6 вводимые дополнительные тиристоры позволяют и на втором этапе осуществлять трехвентильный режим отбора энергии от ТИПТ в ТДК и НК, что увеличивает скорость передачи энергии источника, так как одновременно с токовым ограничением в одной части ТДК и дополнительным накоплением энергии в другой их части, осуществляется передача накопленной энергии в емкостной накопитель в последующем такте преобразования.

Новизна предложений не следует явным образом из известного уровня техники, обеспечивает изобретательский уровень данных изобретений, которые могут быть использованы, как отмечено выше, для "медленного" заряда НК генераторов мощных импульсов, используемых для оптических квантовых генераторов, импульсных электрореактивных двигателей, устройств экспериментальной физики и т. п.

Таким образом, в способе заряда емкостного накопителя электрической энергии от трехфазного источника переменного тока с использованием емкостного токоограничения и двухполупериодного выпрямления тока, заключающемся в том, что в каждом полупериоде изменений тока источника в одной из пар ТДК запасают избыточную энергию в одной из пар ТДК, которую в последующем полупериоде при попарном перезаряде передают в емкостной накопитель, при этом одновременно с токовым ограничением в одной части ТДК производят дополнительное накопление энергии в другой их части с последующей передачей накопленной энергии в емкостной накопитель в последующем такте преобразования энергии. При этом технико-экономические показатели устройств заряда улучшаются.

Следовательно, если в энергосберегающее устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя выходными клеммами, трехфазный двухполупериодный мостовой выпрямитель с двумя выходными клеммами для подключения накопительного конденсатора и тремя входными клеммами, каждая из которых через ТДК подключены к выходным клеммам источника переменного тока, ввести один, два или четыре тиристора, то это позволяет изменять - поднимать вольт-амперную характеристику ЗУ практически без изменения массы устройства. Это позволяет изменять энергию, запасаемую в НК (скорость передачи энергии в 4; 6,25 и 9 раз), как путем увеличения зарядного тока, так и зарядного напряжения.

Экспериментальные исследования макетов устройств для заряда емкостного накопителя электрической энергии, выполненных по схемам фиг.1-5, проведенные в лаборатории электроснабжения, подтвердили их работоспособность и реальность достижения цели по всем пунктам формулы изобретения.

Источник информации
1. И. В. Пентегов. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии. Киев, "Наукова думка", 1982.

Изобретение может быть использовано для заряда аккумуляторов и накопительных конденсаторов (НК), используемых в импульсной технике в качестве вторичных источников электрической энергии (оптических квантовых генераторов, электрореактивных двигателей и т.п.). Цель изобретения заключается в улучшении удельных энергетических показателей устройств путем увеличения скорости передачи в накопитель энергии трехфазного источника переменного тока (ТИПТ). Устройства для заряда емкостного накопителя содержат ТИПТ, управляемый трехфазный двухполупериодный мостовой выпрямитель, три токоограничивающедозирующих конденсатора, НК, блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами и дополнительные вентили, подключаемые в соответствии с предложенными схемами. В результате напряжение токоограничивающедозирующих конденсаторов, накапливающих энергию в один полупериод питающего напряжения суммируются с напряжением источника в других временных интервалах. За счет этого формируется зарядный импульс. Это позволяет заряжать НК до напряжения U_ЛМ; 2 U_ЛМ; 2,5 U_ЛМ; 3 U_ЛМ (где U_ЛМ - амплитуда линейного напряжения источника), а также изменять скорость заряда НК, то есть изменять вольт-амперную характеристику устройства. Предложенные устройства позволяют увеличивать значение запасаемой в НК энергии до 900%. Это является техническим результатом. 5 с. и 2 з.п.ф-лы, 10 ил.

1. Способ заряда емкостного накопителя электрической энергии, преимущественно накопительного конденсатора, от трехфазного источника переменного тока с использованием емкостного токоограничения и двухполупериодного выпрямления тока, заключающийся в том, что в каждом полупериоде изменения тока источника в одной из пар токоограничивающе-дозирующих конденсаторов запасают избыточную энергию, которую в последующем полупериоде при попарном перезаряде передают в емкостной накопитель, отличающийся тем, что одновременно с токовым ограничением в одной части токоограничивающе-дозирующих конденсаторов производят дополнительное накопление энергии в другой их части с последующей передачей накопленной энергии в емкостной накопитель в последующем такте преобразования энергии.2. Устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя выходными клеммами, трехфазный двухполупериодный мостовой, например тиристорный, выпрямитель с двумя выходными клеммами для подключения накопительного конденсатора и тремя входными клеммами, каждая из которых через токоограничивающе-дозирующий конденсатор подключена к выходным клеммам источника переменного тока, и блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами мостового выпрямителя, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным тиристором, а блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами снабжен дополнительным выходом и от него подаются отпирающие импульсы на дополнительный тиристор, катод которого подключен к одной из входных клемм упомянутого выпрямителя, при этом положительная выходная клемма выпрямителя соединена с анодом этого тиристора.3. Устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя выходными клеммами, трехфазный двухполупериодный мостовой тиристорный выпрямитель с двумя выходными клеммами для подключения накопительного конденсатора и тремя входными клеммами, каждая из которых через токоограничивающе-дозирующий конденсатор подключена к выходным клеммам источника переменного тока, и блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами мостового выпрямителя, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным тиристором, блок контроля напряжением и фазового управления тиристорами снабжен дополнительным выходом и от него подаются отпирающие импульсы на дополнительный тиристор, катод которого подключен к одной из входных клемм упомянутого выпрямителя, а анод тиристора через токоограничивающе-дозирующий конденсатор - к другой его входной клемме.4. Устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя выходными клеммами, трехфазный двухполупериодный мостовой тиристорный выпрямитель с двумя выходными клеммами для подключения накопительного конденсатора и тремя входными клеммами, каждая из которых через токоограничивающе-дозирующий конденсатор подключена к выходным клеммам источника переменного тока, и блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами мостового выпрямителя, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным тиристором, блок контроля напряжением и фазового управления тиристорами снабжен дополнительным выходом и от него подаются отпирающие импульсы на дополнительный тиристор, катод которого подключен к одной из входных клемм выпрямителя, а анод тиристора - к другой его входной клемме.5. Устройство для заряда накопительного конденсатора по п.3, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено вторым тиристором, а блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами - вторым дополнительным выходом, при этом катод второго дополнительного тиристора подключен к аноду первого дополнительного тиристора, а анод второго дополнительного тиристора подключен к третьей входной клемме упомянутого выпрямителя.6. Устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя выходными клеммами, трехфазный двухполупериодный мостовой тиристорный выпрямитель с двумя выходными клеммами для подключения накопительного конденсатора и тремя входными клеммами, каждая из которых через токоограничивающе-дозирующий конденсатор подключена к выходным клеммам источника переменного тока, и блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами мостового выпрямителя, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено двумя тиристорами, а блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами - двумя дополнительными выходами, которые подключены к управляющим электродам и катодам этих тиристоров соответственно, при этом тиристоры соединены в последовательно-согласную друг с другом цепочку и катод одного из них подключен к положительной, анод другого - к отрицательной выходным клеммам упомянутого выпрямителя, а точка соединения тиристоров - к одной из выходных клемм источника.7. Устройство для заряда накопительного конденсатора по п.6, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено второй парой тиристоров, а блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами - второй парой выходов, которые подключены к управляющим электродам и катодам вновь введенных тиристоров, при этом тиристоры соединены в последовательно-согласную цепочку и катод одного, анод другого и точка их соединения подключены соответственно к трем входным клеммам упомянутого выпрямителя.