УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА НАКОПИТЕЛЬНОГО КОНДЕНСАТОРА Российский патент 2007 года по МПК H03K3/57 

Изобретение относится к электротехнике, касается вопросов "медленного" заряда емкостных накопителей электрической энергии от источника переменного тока (ИПТ) ограниченной мощности за много периодов изменения его напряжения. Эти накопители энергии широко используются для питания импульсных потребителей энергии: электрореактивных двигателей, ламп накачки оптических квантовых генераторов и других мощных потребителей энергии.

Электрическая схема предлагаемого устройства изображена на фиг.1.

Известно устройство для заряда емкостного накопителя электрической энергии (ЕНЭЭ) от источника постоянного напряжения через токоограничивающий резистор, включенный с ним последовательно в цепь заряда между источником и накопителем по схеме фиг.2 [Л1, 15 с].

Недостатками такого устройства являются крайне низкий коэффициент полезного действия (КПД), не превышающий 0,5, и низкие удельные электрические показатели. Это вызвано тем, что избыточная энергия источника частично гасится на балластном сопротивлении токоограничивающего резистора, что существенно их ухудшает.

Известны также устройства для так называемого "медленного" заряда ЕНЭЭ от ИПТ, - за много периодов изменения тока источника, - с выпрямлением тока, ограничение тока в которых осуществляют в цепи переменного тока за счет включенного реактивного сопротивления (фиг.3) [Л1, 58 с].

Недостатком такого устройства является пониженный коэффициент мощности ИПТ при индуктивном балласте, из-за отставания тока заряда от напряжения источника.

В случае ограничения тока заряда ЕНЭЭ токоограничивающе-дозирующими конденсаторами (ТДК), КПД зарядного устройства возрастает до значений, близких к единице. Однако конденсатор, дифференцируя ток, укорачивает длительность зарядных импульсов тока, что также ухудшает энергетические характеристики зарядного устройства (ЗУ).

Известно также устройство для заряда накопительного конденсатора (НК) от трехфазного ИПТ (фиг.4) с тремя включенными ТДК. Процессы в этом ЗУ описываются существенно нелинейными дифференциальными уравнениями и приближенный анализ процессов в подобном устройстве описан в литературе [1], где показано, что за период изменения тока ИПТ в нем формируется шесть импульсов тока заряда накопителя. В силу того, что пары ТДК в процессе ограничения тока источника и дозирования величины энергии, передаваемой в накопитель, включены последовательно друг с другом, эквивалентная емкость каждой пары вдвое меньше емкости собственно дозатора. По этой причине устройство заряда для увеличения скорости заряда накопителя требует соответствующего уменьшения емкостного сопротивления цепи с ТДК.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является устройство для заряда НК, (схема на фиг.5), содержащее трехфазный четырехпроводный источник переменного тока, обмотки которого образуют трехлучевую звезду с тремя выходными выводами (клеммами), а к нейтрале подключен один из выводов управляемого ключа двухсторонней проводимости, выпрямитель - умножитель напряжения, образованный трехфазным выпрямительным мостом и тремя ТДК, в котором два выходных вывода (клеммы) трехфазного выпрямительного моста через первый и второй ТДК подключены соответственно к двум выходным клеммам ИПТ, а к выходным выводам - НК, и блок контроля напряжения и управления ключом [Л2].

За период изменения тока ИПТ в нем формируется, - со сдвигом по фазе, - шесть импульсов тока под действием линейного напряжения ИПТ, на которые со сдвигом по фазе накладываются еще три зарядных импульса НК, которые формируются под действием суммарного напряжения соответствующих фаз и ТДК. Кроме того, ИПТ формирует также три импульса тока для подзаряда ТДК.

Таким образом, ИПТ за период изменения питающего напряжения формирует со сдвигом по фазе двенадцать импульсов тока, что характеризует равномерный отбор мощности от ИПТ и обеспечивает относительно высокий коэффициент использования мощности ИПТ.

По мере заряда НК величина энергии, отдаваемая каждым зарядным импульсом в него, уменьшается. Когда напряжение НК достигнет амплитудного значения линейного напряжения U_mл, заряд НК импульсами линейного напряжения прекратится. На конечном этапе заряд НК осуществляется только тремя импульсами тока, которые формируются под действием суммарного напряжения фазы и соответствующего ТДК.

Рассмотренное устройство характеризуется недостаточно высокой скоростью передачи энергии в НК, а повышение скорости передачи энергии в таком устройстве возможно только за счет уменьшения сопротивления ТДК. Однако это ведет к необходимости увеличения емкости этих конденсаторов, а следовательно - к увеличению массо-габаритных показателей ЗУ.

Целью изобретения является повышение скорости передачи энергии в НК и улучшение удельных энергетических и массогабаритных показателей путем увеличения угловой длительности тока ИНТ и повышения коэффициента использования мощности источника, под которым понимают отношение среднезарядной мощности конденсатора к типовой (габаритной) мощности источника.

На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема устройства для заряда НК согласно изобретению.

Устройство для заряда НК 1 содержит трехфазный четырехпроводный ИНТ 2, обмотки которого образуют трехлучевую звезду с тремя выходными клеммами 3-5, а к нейтрале подключен один из выводов управляемого ключа 6 двухсторонней проводимости, выпрямитель - умножитель напряжения 7, образованный трехфазным выпрямительным мостом 8-13, и тремя ТДК 14-16, в котором две входные клеммы трехфазного выпрямительного моста через первый 14 и второй 15 ТДК подключены соответственно к двум выходным клеммам 3 и 5 ИПТ, а к выходным выводам подключен НК 1, и блок контроля напряжения и управления ключом 17, третья 4 выходная клемма источника ИПТ 2 подключена к третей входной клемме выпрямительного моста 7 непосредственно, при этом одна обкладка третьего ТДК 16 соединена с другим выводом управляемого ключа 6, а другая - с одной из выходных клемм мостового выпрямителя 7.

Принцип действия и схемы выполнения блока контроля напряжения и управления 17 ключом двухсторонней проводимости 6 широко известны и детально описаны в технической литературе. Он позволяет регулировать ток заряда и изменять напряжение на выходе устройства.

При рассмотрении работы устройства будем считать, что ключ двухсторонней проводимости 6 все время замкнут. На фиг. 6 приведены временные диаграммы изменения фазных напряжений трехфазного ИПТ U₃, U₄ и U₅.

Процессы в ЗУ будут протекать по 12 каналам и в каналах будут сдвинуты по фазе - относительно друг друга.

Под действием линейных напряжений ИПТ процессы заряда НК будут протекать по 6 цепям в следующей последовательности:

1. 3-14-8-1-12-4-3, на интервале 30-90 электрических градусов;

2. 3-14-8-1-13-15-5-3, на интервале 90-150 электрических градусов;

3. 4-9-1-13-15-5-4, на интервале 150-210 электрических градусов;

4. 4-9-1-11-14-3-4, на интервале 210-270 электрических градусов;

5. 5-15-10-1-11-14-3-5, на интервале 270-330 электрических градусов;

6. 5-15-10-1-12-4-5, на интервале 330-390 электрических градусов.

Под действием фазных напряжений ИПТ и напряжения конденсаторов, находящихся в цепи заряда и заряженных при работе в других цепях заряд ТДК 16 будет происходить по цепям:

7. 3-14-8-16-6-3, на интервале 30-150 электрических градусов; суммарным напряжением U₃ и ТДК 14.

8. 4-9-16-6-4, на интервале 150-270 электрических градусов; напряжением U₄.

9. 5-15-10-16-6-5, на интервале 270-390 электрических градусов; суммарным напряжением U₅ и ТДК 15.

Под действием фазных напряжений ИПТ и напряжения конденсаторов, находящихся в цепи разряда и заряженных при работе в других цепях, разряд ТДК 16 будет происходить по трем следующим цепям:

10. 16-1-13-15-5-6, на интервале 90-210 электрических градусов; когда суммарное напряжение U₅ и ТДК 15 и 16 больше напряжения НК 1.

11. 16-1-11-14-3-6-16, на интервале 210-330 электрических градусов; когда суммарное напряжения U₃ и ТДК 14 и 16 больше напряжения НК 1;

12. 16-1-12-4-6-16, на интервале 330-450 электрических градусов; когда суммарное напряжения U₄ и ТДК 16 больше напряжения НК 1.

Из анализа работы каналов 1-6 следует, что в цепи каналов 1, 3, 4 и 6, формирующих зарядные импульсы под действием линейного напряжения фаз, стоит по одному конденсатору, ограничивающему ток заряда, а не два, как в прототипе. Поэтому амплитуда зарядных импульсов тока в этих цепях также увеличивается.

При заряде ТДК 16 фазные напряжения в каналах 7 и 9 суммируются с напряжением ТДК 14 и 15 соответственно, то амплитуда зарядного тока в этих каналах также возрастает и ТДК 16 на определенных временных интервалах может заряжаться не до U_mф, а выше, что увеличивает скорость передачи энергии в НК.

При разряде ТДК 16 в НК по каналам 10 и 11 напряжение соответствующих фаз и ТДК 16 суммируется с напряжением ТДК 14 и 15 соответственно, что также влияет на амплитуду и длительность зарядных импульсов, а следовательно, и на скорость передачи энергии в НК.

Все это увеличивает скорость передачи энергии в НК без изменения параметров схемы устройства, что улучшает удельные энергетические и массогабаритные параметры устройства.

Пусть ωt=30 электрическим градусам, тогда на интервале 30-90 электрических градусов самый высокий потенциал будет у фазы 3, а самый низкий - у фазы 4. Под действием линейного напряжения фаз 3 и 4 будет происходить заряд НК 1 по цепи: 3-14-8-1-12-4-3. Одновременно под действием фазного напряжения U₃ будет происходить заряд конденсатора 16 до амплитудного значения фазного напряжения по цепи: 3-14-8-16-6-3. полярность напряжения на конденсаторах 14 и 16 показана на фиг.1 без скобок.

На интервале 90-150 электрических градусов заряд НК 1 будет продолжаться - под действием линейного напряжения фаз 3 и 5 по цепи: 3-14-8-1-13-15-5-3. При этом будет продолжаться заряд конденсатора 14 и начнется заряд конденсатора 15. Полярность напряжения на конденсаторе 15 показана на фиг.1 также без скобок.

На интервале 150-210 электрических градусов заряд НК 1 происходит под действие линейного напряжения фаз 4 и 5 по цепи: 4-9-1-13-15-5-4, при этом продолжается заряд конденсатора 15. Конденсаторы 14-15 будут заряжены до напряжения, не превышающего 0,5 U_mл (U_mл - максимальное амплитудное значение линейного напряжения источника). Кроме того, когда суммарное напряжение конденсаторов 15 и 16 и напряжение фазы 5 будет превосходить линейное напряжение фаз 4, 5, под действием этого напряжения будет формироваться зарядный импульс тока в НК 1, а когда конденсатор 16 подразрядится, будет происходить его подзаряд по цепи: 4-9-16-6-4 до амплитудного значения фазного напряжения источника U_mф.

На интервале 210-270 электрических градусов заряд НК 1 происходит под действием линейного напряжения фаз 4 и 3, а зарядный импульс тока НК 1 будет протекать по цепи: 4-9-11-14-3-4. Конденсатор 14 при этом будет перезаряжаться. Полярность на конденсаторе указана в скобках.

На интервале 270-330 конденсатор 16 будет подзаряжаться напряжением фазы 5, линейное напряжение фазы 5 и 3 будет суммироваться с напряжением конденсаторов 14 и 15, каждый из которых на предыдущих интервалах был заряжен до напряжения 0,5 U_mл. Таким образом, к НК будет приложен зарядный импульс с амплитудой, превышающей U_mл. Зарядный импульс тока на этом интервале будет протекать по цепи: 5-15-10-1-11-14-3-5. Конденсаторы 14 и 15 будут перезаряжаться отдавая энергию, запасенную на предыдущих интервалах. Полярность напряжений на конденсаторах указана в скобках.

На интервале 330-390 электрических градусов будет действовать линейное напряжение фаз 5 и 4 конденсатор 15 будет перезаряжаться по цепи: 5-15-10-1-12-4-5 до разности линейного напряжения фаз 5, 4 и напряжения на НК. В этом такте амплитуда зарядного тока будет ограничиваться только одним конденсатором 15, поэтому амплитуда тока зарядного импульса будет больше.

В процессе функционирования ЗУ на одних тактах (временных интервалах) конденсаторы 14, 15 и 16 заряжаются, а на других - отдают запасенную в них энергию в ПК и при этом перезаряжаются.

Конденсатор 16 от фазы 4 заряжается до U_mф, а от фаз 3 и 4 - до более высокого напряжения за счет суммирования напряжения конденсаторов 14 и 15 с напряжением соответствующих фаз. Конденсатор 16 разряжается на НК 1 тогда, когда сумма напряжений соответствующей фазы и конденсатора 16 будет больше действующего в данный момент линейного напряжения. Таким образом, на начальном этапе заряда НК 1 за период изменения питающего напряжения в него поступает не 6, а 9 импульсов зарядного тока с большей длительностью и амплитудой, что обеспечивает более быстрый заряд НК, особенно на начальном этапе. Это позволяет повысить коэффициент использования установленной мощности источника, а следовательно, улучшить удельные массогабаритные и энергетические показатели системы.

По мере заряда НК и роста на нем напряжения амплитуда тока зарядных импульсов уменьшается, а конденсаторы перестают перезаряжаться, что приводит к уменьшению амплитуды тока зарядных импульсов.

Когда напряжение на НК достигнет амплитуды линейного напряжения, передача энергии в НК будет происходить только за счет импульсов тока, напряжение которых формируется путем суммирования напряжения фаз и соответствующих дозирующих конденсаторов. Поэтому при дальнейшем заряде НК перестанут функционировать цепи, содержащие конденсаторы 14 и 15. На конечном этапе заряда за период изменения питающего напряжения в НК будет поступать только один зарядный импульс тока по цепи: 16-1-12-4-6-16, а в следующем полупериоде изменения фазного напряжения 4 будет происходить заряд конденсатора 16 по цепи: 4-9-16-6-4.

Таким образом, подключение третьего выходного вывода ИПТ к третьей входной клемме выпрямительного моста непосредственно и соединение одной обкладки третьего ТДК с другим выводом управляемого ключа, а другой его обкладки - с одной из выходных клемм выпрямительного моста, приводит к изменению статической вольт-амперной характеристики ЗУ - к ее подъему, так как увеличивается угловая длительность тока источника, и поэтому обеспечивается более быстрый заряд НК, особенно с момента подключения НК к ЗУ и достижения на нем линейного напряжения, превышающего U_mл. Все это ускоряет процесс передачи энергии источника в накопитель без увеличения установленной мощности источника и емкости ТДК, то есть их массы.

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

Таким образом, если в устройстве для заряда НК, содержащем трехфазный четырехпроводный ИПТ, обмотки которого образуют трехлучевую звезду с тремя выходными выводами, к нейтрале которой подключен один из выводов управляемого ключа двухсторонней проводимости, выпрямитель - умножитель напряжения, образованный трехфазным выпрямительным мостом и тремя ТДК, в котором два входных вывода трехфазного выпрямительного моста через первый и второй ТДК подключены соответственно к двум выходным выводам ИПТ, а к выходным выводам подключен НК, и блок контроля напряжения и управления, произвести реконфигурацию 6 вентилей - диодов и трех ТДК согласно предлагаемой схеме обеспечивается форсировка передачи энергии ИПТ в нагрузку. При этом, так как ток фаз ИПТ всегда ограничен реактивным сопротивлением ТДК, КПД не уменьшается, а проведение тока заряда в НК в четырех из шести каналов осуществляется только одним ТДК, поэтому надобность в увеличении емкости для увеличения тока заряда отпадает, а мощность заряда Р_з=U_нк·I_з увеличивается без увеличения массы ЗУ. Это обеспечивает увеличение длительности импульсов тока источника и соответственно скорости передачи энергии, что улучшает его удельные энергетические показатели.

Изобретение может быть использовано для "медленного" заряда емкостных накопителей электрической энергии (ЕНЭЭ) от источника переменного тока ограниченной мощности за много периодов изменения его напряжения. Технический результат - повышение скорости передач энергии в ЕНЭЭ, и улучшение удельных энергетических и массогабаритных показателей устройства, а также повышение коэффициента использования энергии источника переменного тока. Устройство содержит трехфазный четырехпроводный источник переменного тока, выпрямитель - умножитель напряжения, образованный трехфазным выпрямительным мостом и тремя токоограничивающе-дозирующими конденсаторами, схема включения которых позволяет увеличить угловую длительность тока источника переменного тока, более быстрый заряд ЕНЭЭ без изменения емкости токоограничивающе-дозирующих конденсаторов, то есть улучшить технико-экономические показатели устройства. 6 ил.

Устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный четырехпроводный источник переменного тока, обмотки которого образуют трехлучевую звезду с тремя выходными выводами, к нейтрале которой подключен один из выводов управляемого ключа двухсторонней проводимости, выпрямитель - умножитель напряжения, образованный трехфазным выпрямительным мостом и тремя токоограничивающе-дозирующими конденсаторами, в котором два входные вывода трехфазного выпрямительного моста через первый и второй токоограничивающе-дозирующие конденсаторы подключены соответственно к двум выходным выводам источника переменного тока, а к выходным выводам выпрямительного моста подключены выводы накопительного конденсатора, и блок контроля напряжения и управления ключом, отличающееся тем, что третий выходной вывод источника переменного тока подключен к третьему входному выводу выпрямительного моста непосредственно, при этом одна обкладка третьего токоограничивающе-дозирующего конденсатора соединена с другим выводом управляемого ключа, а другая - с одним из выходных выводов выпрямительного моста.