ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 2007 года по МПК H02J3/02 H03K3/53 G05F1/44 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании источников электропитания импульсных нагрузок с емкостными накопителями энергии.

Известны системы электропитания импульсных нагрузок, содержащие многофазный генератор напряжения с основной нагрузкой стабильной частоты и емкостной накопитель, присоединенный к импульсному потребителю электроэнергии (1).

С целью уменьшения влияния импульсной нагрузки на форму и величину питающего ее напряжения генератора, т.е. уменьшения модуляции питающего напряжения генератора, использованы специальные зарядные устройства, подключенные к емкостному накопителю электроэнергии. Однако эти устройства отличаются сложностью и требуют особого построения силовой части системы, что в целом усложняет конструкцию и ведет к снижению надежности и ухудшению массогабаритных показателей.

Наиболее близким к данному изобретению техническим решением является источник централизованного электропитания с импульсной нагрузкой, содержащий нерегулируемый магнитоэлектрический генератор переменного тока нестабильной частоты, подключенный к основной нагрузке и импульсной нагрузке, соединенной с накопительным конденсатором, имеющим специальное зарядное устройство, причем мощность импульсной нагрузки соизмерима с мощностью генератора (2). Данному устройству присущи все вышеперечисленные недостатки устройства (1).

Положительным результатом, которого можно достичь при использовании данного изобретения, является повышение надежности и улучшение массогабаритных показателей путем упрощения конструкции.

Положительный результат достигается тем, что в источнике электропитания импульсной нагрузки, содержащем нерегулируемый многофазный генератор напряжения нестабильной частоты, мощность которого соизмерима с мощностью импульсной нагрузки, каждая из М фаз генератора напряжения соединена с соответствующим входом преобразователя напряжения нестабильной частоты в стабильную и первичной обмоткой соответствующего однофазного трансформатора, вторичная обмотка которого подсоединена ко входу выпрямителя, подключенные к накопительному конденсатору выходные выводы которого служат для присоединения импульсной нагрузки (2), указанное соединение каждой из М фаз генератора напряжения с первичной обмоткой соответствующего однофазного трансформатора осуществлено через соответствующий этой фазе управляемый ключ, управляющий вход которого присоединен к выходу блока управления, вход которого подключен к выходу узла сравнения, измерительным входом присоединенного к выводам накопительного конденсатора, при этом блок управления выполнен обеспечивающим в каждом из периодов подключения импульсной нагрузки формирование напряжения на накопительном конденсаторе путем последовательного подключения фаз генератора напряжения к накопительному конденсатору до достижения на нем заданного уровня напряжения с последующим одновременным отключением всех фаз, сохраняя при этом возможность периодического подключения одной из фаз при снижении заданного уровня напряжения на накопительном конденсаторе, причем параллельно первичной обмотке каждого однофазного трансформатора присоединен соответствующий дополнительный конденсатор, емкость С которого выбрана из условия

, где

S_ф (Вт) - мощность соответствующей фазы импульсной нагрузки в номинальном режиме;

М - число фаз генератора напряжения;

ω (Гц) - частота выходного напряжения генератора напряжения;

U_г (В) - действующее напряжение генератора;

К = от 0,5 до 1,5 - коэффициент, зависящий от кратности изменения оборотов генератора и диапазона изменения его основной нагрузки, подключенной к выходу преобразователя нестабильной частоты в стабильную в период подключения импульсной нагрузки.

На Фиг.1 представлена электрическая схема устройства.

На Фиг.2 представлены временные диаграммы работы устройства.

Устройство (Фиг.1) содержит нерегулируемый, магнитоэлектрический, многофазный генератор напряжения 1 переменного тока нестабильной частоты, работающий, например, от авиадвигателя с переменным числом оборотов (n _var). Каждая из М фаз генератора напряжения 1 соединена с соответствующим входом преобразователя нестабильной частоты в стабильную 2, выходные выводы которого служат для подключения основной нагрузки (фазы А, В, С). Каждая из М фаз генератора 1 соединена так же через соответствующий этой фазе управляемый ключ 3 с первичной обмоткой (w₁) соответствующего однофазного трансформатора 4, параллельно которой подключен соответствующий дополнительный конденсатор 5. Вторичные обмотки (w₂) однофазных трансформаторов 4 подсоединены к входу выпрямителя 6 высоковольтному, выходные выводы которого, подключенные к накопительному конденсатору 7, служат для присоединения импульсной нагрузки. Управляющий вход каждого из управляемых ключей 3 присоединен к соответствующему выходу блока управления 8, вход которого подключен к выходу узла сравнения 9, измерительным входом присоединенного к выводам накопительного конденсатора 7. Блок управления 8 выполнен обеспечивающим в каждом из периодов подключения импульсной нагрузки формирование напряжения на накопительном конденсаторе 7 путем последовательного подключения фаз генератора напряжения 1 к накопительному конденсатору 7 до достижения на нем заданного уровня напряжения с последующим одновременным отключением всех фаз, сохраняя при этом возможность периодического подключения одной из фаз при снижении заданного уровня напряжения (U_o) на накопительном конденсаторе 7 до минимально допустимого (U_{o min}).

Устройство работает следующим образом.

При включении устройства напряжение генератора 1 переменного тока стабильной частоты (f=Const) через преобразователь нестабильной частоты в стабильную 2 подается на выходные выводы, служащие для подключения основной нагрузки. Напряжение переменного тока нестабильной частоты через управляемые ключи 3, обмотки соответствующих однофазных трансформаторов 4 и высоковольтный выпрямитель 6 подается на выходные выводы, служащие для подключения импульсной нагрузки с емкостным накопителем энергии (конденсатором 7). Подключение импульсной нагрузки к питающему генератору вызывает модуляцию напряжения питания, величина которой зависит от соотношения мощности генератора 1 и зарядной мощности накопительного конденсатора 7. Для исключения модуляции напряжение на конденсаторе 7 формируют в виде плавно нарастающей кривой, для чего фазы генератора 1 подключают к конденсатору 7 последовательно одну за другой до достижения на нем заданного уровня напряжения (U_o), фиксируемого узлом сравнения 9. На данном этапе ток заряда конденсатора имеет минимальное приращение по амплитуде.

При достижении напряжения на конденсаторе заданного уровня U_o блок управления 8 по сигналу с выхода узла сравнения 9 вырабатывает команду на одновременное отключение всех ранее задействованных фаз генератора (размыкание соответствующих управляемых ключей 3). В идеальном варианте, при котором отсутствуют цепи разряда конденсатора 7, вызванные, например, токами утечки через делители напряжения, уровень U_o будет сохраняться до окончания периода подключения нагрузки, после чего конденсатор 7 разряжается и формируется пауза.

В реальном варианте конденсатор 7 частично разряжается до уровня минимально допустимого напряжения, которое фиксируется узлом сравнения 9. Блок управления в этом случае формирует команду на периодическое подключение к конденсатору одной из фаз генератора напряжения 1 (для поднятия напряжения до заданного уровня U_o и его поддержания до конца периода подключения нагрузки). Узел сравнения 9 имеет пороговую характеристику, обеспечивая срабатывание по величине заданного напряжения U_o и минимально допустимого U_{o min}.

Подключение дополнительных конденсаторов 5 к первичным обмоткам однофазных трансформаторов 4 еще более снижает модуляцию напряжения генератора 1, что поясняется временными диаграммами, изображенными на Фиг.2, где:

10 - статическая внешняя характеристика генератора 1 при линейной нагрузке с Cosϕ≤1 инд. в установившемся режиме до подключения дополнительных конденсаторов 5;

11 - статическая внешняя характеристика генератора 1 после подключения конденсаторов 5 при линейной нагрузке с Cosϕ≤1 емк.

До момента подключения импульсной нагрузки генератор 1 находится в состоянии, определяемом рабочей точкой 10-1 (Uн, Iн). При подключении импульсной нагрузки напряжение генератора 1 изменяется на величину ΔU имп и рабочая точка перемещается в точку 10-2, при этом ток изменяется на ΔI имп.

При неполной компенсации или перекомпенсации, вызванной, например, изменением частоты генератора напряжения 1, величины импульсной нагрузки, влиянием ненагруженных импульсной нагрузкой фаз, величина напряжения генератора 1 может находиться в окружности точки 11-1. При этом изменение напряжения при подключении нагрузки будет всегда меньше величины ΔU имп при отсутствии компенсации.

Выбор величины каждого из дополнительных конденсаторов 5 определен условием обязательного превышения резонансной частоты контура, состоящего из дополнительного конденсатора и индуктивности рассеяния обмотки генератора, над минимальной частотой генератора 1. Величину емкости С дополнительного конденсатора выбирают из условия:

, где

S_Ф (Вт) - мощность соответствующей фазы импульсной нагрузки в номинальном режиме;

М - число фаз генератора напряжения;

ω (Гц) - частота выходного напряжения генератора напряжения;

U_г (В) - действующее напряжение генератора;

К = от 0,5 до 1,5 - коэффициент, зависящий от кратности изменения оборотов генератора и диапазона изменения его основной нагрузки, подключенной к выходу преобразователя нестабильной частоты в стабильную в период подключения импульсной нагрузки.

Данное устройство обеспечивает исключение модуляции напряжения питающего генератора переменного тока при подключении импульсной нагрузки, сохранение оптимальных массогабаритных показателей, что делает его предпочтительным при проектировании систем электроснабжения, применяемых, например, в самолетостроении.

Источники информации

1. Булатов О.Г. и др. «Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии». М., «Радио и связь», 1986 г., с.41-51.

2. Мизюрин С.Р. и др. «Расчет синхронных генераторов и трансформаторов при импульсной нагрузке на емкостной накопитель энергии». М., 1974, с.48.

Использование: при проектировании источников электропитания с импульсной нагрузкой и емкостным накопителем энергии. Технический результат заключается в исключении модуляции напряжения и сохранении оптимальных массогабаритных показателей. Устройство содержит нерегулируемый магнитоэлектрический многофазный генератор напряжения (1) переменного тока нестабильной частоты, питающий основную нагрузку стабильной частоты и импульсную нагрузку с накопительным конденсатором (7), напряжение на накопительном конденсаторе (7) формируют в виде плавно нарастающей кривой, для чего фазы генератора (1) подключают к накопительному конденсатору (7) последовательно одну за другой до достижения на нем заданного уровня напряжения (U_о), фиксируемого узлом сравнения (9), после чего все фазы одновременно отключают. Для поддержания напряжения на заданном уровне U_o до конца периода подключения нагрузки (при частичном разряде конденсатора до минимально допустимого уровня) блок управления (8) формирует команду на периодическое включение одной из фаз генератора напряжения (1). Параллельно первичным обмоткам однофазных трансформаторов (4) подсоединены дополнительные конденсаторы (5). 2 ил.

Источник электропитания импульсной нагрузки, содержащий нерегулируемый многофазный генератор напряжения нестабильной частоты, мощность которого соизмерима с мощностью импульсной нагрузки, каждая из М фаз генератора напряжения соединена с соответствующим входом преобразователя напряжения нестабильной частоты в стабильную и первичной обмоткой соответствующего однофазного трансформатора, вторичная обмотка которого подсоединена ко входу выпрямителя, подключенные к накопительному конденсатору, выходные выводы которого служат для присоединения импульсной нагрузки, отличающийся тем, что указанное соединение каждой из М фаз генератора напряжения с первичной обмоткой соответствующего однофазного трансформатора осуществлено через соответствующий этой фазе управляемый ключ, управляющий вход которого присоединен к выходу блока управления, вход которого подключен к выходу узла сравнения, измерительным входом присоединенного к выводам накопительного конденсатора и имеющего пороговую характеристику, обеспечивающую срабатывание по величине заданного U_o и минимально допустимого U_min напряжения, при этом блок управления выполнен обеспечивающим в каждом из периодов подключения импульсной нагрузки формирование напряжения на накопительном конденсаторе путем последовательного подключения фаз генератора напряжения к накопительному конденсатору до достижения на нем заданного уровня напряжения с последующим одновременным отключением всех фаз, сохраняя при этом возможность периодического подключения одной из фаз при снижении заданного уровня напряжения на накопительном конденсаторе, причем параллельно первичной обмотке каждого однофазного трансформатора присоединен соответствующий дополнительный конденсатор, емкость С которого выбрана из условия:

,

где S_ф (Вт) - мощность соответствующей фазы импульсной нагрузки в номинальном режиме;

М - число фаз генератора напряжения;

ω (Гц) - частота выходного напряжения генератора напряжения;

U_г (B) - действующее напряжение генератора;

К = от 0,5 до 1,5 - коэффициент.