СПОСОБ ЗАРЯДКИ ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2005 года по МПК H02J7/02 H03K3/53 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках питания для заряда емкостных накопителей энергии.

Известен способ заряда емкостного накопителя (а.с. СССР № 738114, МКИ Н 03 К 3/53, опубл. 1980), основанный на ступенчатой аппроксимации зарядной функции выходного напряжения за счет формирования К ступеней преобразователей из N уровней их выходных напряжений по определенному закону. Режим зарядки при этом приближается к линейному закону, т.е. среднее значение зарядного тока остается постоянным, повышая тем самым КПД установки. Недостатком данного способа является то, что при высоких коэффициентах усиления по напряжению скачки тока при подключении очередной ступени могут быть значительны, что приводит к необходимости увеличения установленной мощности элементов зарядного устройства, кроме того, массогабаритные показатели зарядного устройства значительно увеличиваются, т.к. время работы каждого из модулей строго меньше времени заряда емкостного накопителя.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является способ зарядки емкостного накопителя (а. с. СССР № 928621, МКИ Н 03 К 3/53, опубл. 1982), заключающийся в том, что зарядное напряжение формируют ступенчато, увеличивая его в зависимости от напряжения емкостного накопителя, и одновременно уменьшают ток зарядки, на первой ступени зарядного напряжения формируют дополнительную ступень тока зарядки, действующее значение которого меньше или равно действующему значению тока зарядки последней ступени зарядного напряжения, соответствующему короткому замыканию в емкостном накопителе энергии или цепи импульсной нагрузки.

Такой способ позволяет снизить скачки тока при переходе со ступени на ступень, однако установленная мощность зарядного устройства при этом становится избыточной, т.к. часть модулей на начальном этапе заряда емкостных накопителей энергии не работает. Достижение высокого коэффициента усиления по напряжению требует либо увеличения ступеней, либо увеличения коэффициента трансформации выходных трансформаторов модулей.

Как известно, большой коэффициент трансформации приводит к росту потерь из-за возникающих паразитных емкостей. Как следствие, в вышеописанных устройствах при большой мощности и большом коэффициенте усиления по напряжению их надежность и КПД снижаются за счет роста коммутационных потерь и количества модулей, при этом также увеличиваются их масса и габариты.

Целью изобретения является повышение надежности устройства и уменьшение его массогабаритных показателей при высоких значениях мощности и большом коэффициенте усиления по напряжению.

Поставленная цель достигается тем, что зарядное устройство содержит n последовательно включенных инверторов с резонансным подъемом выходного напряжения, входы которых подключены параллельно к источнику напряжения, и выходные выпрямители соединяются последовательно и подключаются к нагрузке. Схема управления работает по принципу частотно-импульсного управления. Фазовый сдвиг импульсов управления в модулях составляет π/n. Частота управления изменяется по сигналам датчика тока, включенного в цепь протекания тока заряда емкостного накопителя или в цепь тока, потребляемого от источника питания. При этом частота увеличивается по мере заряда емкостного накопителя энергии. В момент пуска частота работы инверторных модулей минимальна и обеспечивает заданный уровень тока заряда емкостного накопителя или тока, потребляемого от источника питания. По мере заряда емкостного накопителя энергии и снижении тока через датчик частота начинает возрастать, и значение выходного напряжения возрастает за счет суммирования токов инверторных модулей, обеспечивая постоянство тока заряда емкостного накопителя или тока, потребляемого от источника питания.

Применение резонансных инверторов позволяет использовать в качестве ключей как мощные транзисторы в режиме мягкой коммутации, так и тиристоры.

При этом оптимальный по току и напряжению режим работы ключей определяется параметрами колебательного контура, состоящего из коммутирующей индуктивности, приведенной индуктивности трансформатора, коммутирующей емкости и паразитной приведенной емкости трансформатора, а с приближением частоты к резонансной напряжение на первичной обмотке выходного трансформатора инверторного модуля может во много раз превышать входное напряжение. Это позволяет использовать описанное зарядное устройство для емкостных накопителей энергии большой мощности с большим коэффициентом усиления по напряжению.

Описанный способ реализуется с помощью устройства структурная схема которого представлена на чертеже.

К источнику напряжения 1 через датчик тока 2 подключены n инверторных модулей 3...3n, управляемые системой управления 4, частота управления которой регулируется датчиком тока, фазовый сдвиг импульсов управления между модулями составляет π/n. Датчик тока 2 может быть также включен в цепь заряда емкостного накопителя. Инверторные модули представляют собой последовательные резонансные инверторы, где параметры резонансного контура выбираются из условия поддержания заданного уровня тока заряда емкостного накопителя или тока, потребляемого от источника питания. Выходные обмотки трансформаторов инверторных модулей через выпрямители последовательно подключены к емкостному накопителю энергии 5 и датчику напряжения 6.

Устройство работает следующим образом. Заряд емкостного накопителя начинается на частоте, обеспечивающей заданный уровень тока заряда емкостного накопителя или тока, потребляемого от источника питания. По мере заряда емкости накопителя энергии частота растет, и выходное суммарное напряжение увеличивается, поддерживая уровень тока. С приближением частоты к резонансной напряжение начинает увеличиваться за счет уменьшения бестоковой паузы и резонансной раскачки его в колебательном контуре каждого резонансного модуля, и заряд продолжается до конечного уровня, после чего срабатывает датчик напряжения, и зарядное устройство отключается.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках питания для заряда емкостных накопителей энергии. Технический результат: повышение надежности устройства и уменьшение его массогабаритных показателей при высоких значениях мощности и большом коэффициенте усиления по напряжению. Сущность изобретения: инверторные модули зарядного устройства выполняются резонансными и управляются частотно-импульсным методом с фазовым сдвигом импульсов управления соседних модулей на π/n, а частота управления растет, начиная с минимальной, что обеспечивает рост выходного напряжения за счет уменьшения бестоковой паузы и резонансной раскачки в колебательных контурах инверторных модулей, при этом постоянство входного или зарядного тока поддерживается изменением частоты по сигналу с датчика входного или зарядного тока. 1 ил.

Способ заряда емкостного накопителя энергии зарядным устройством, состоящим из n инверторных модулей, при котором увеличивают выходное напряжения для поддержания заданного уровня тока зарядного емкостного накопителя или потребляемого тока, отличающийся тем, что инверторные модули выполняют резонансными и управляют ими частотно-импульсным методом с фазовым сдвигом импульсов управления соседних модулей на π/n, а частоту управления увеличивают, что обеспечивает рост выходного напряжения за счет уменьшения бестоковой паузы и резонансной раскачки в колебательных контурах инверторных модулей, при этом постоянство тока заряда емкостного накопителя или потребляемого тока поддерживают изменением частоты по сигналу с датчика тока заряда емкостного накопителя или потребляемого тока.