СПОСОБ РЕКУПЕРАЦИИ ЕМКОСТНОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2008 года по МПК H03K3/53 H03K17/04 H02M3/335 

Данная группа изобретений относится к импульсной технике и может быть использована в импульсных устройствах, работающих в квазирезонансном или резонансном режиме, включая преобразователи напряжения, импульсные генераторы с магнитным сжатием и без магнитного сжатия.

Известен способ рекуперации индуктивной энергии импульсных устройствах, заключающийся в том, что индуктивный дроссель подключают к источнику энергии, формируют в нем ток, отключают его от источника энергии, а затем запасенную в дросселе энергию через диод или диод и дополнительную обмотку дросселя рекуперируют в нагрузку или в другой приемник этой энергии [1], [2] и [3].

Недостатком известного способа рекуперации энергии являются значительные коммутационные потери в ключах. Ключи работают в тяжелом ключевом режиме, когда основной нагрев ключей происходит в моменты их включения и выключения.

Данный способ реализован в квазирезонансном импульсном преобразователе напряжения, который является наиболее близким по технической сущности аналогом первого заявляемого устройства [4]. Квазирезонансный импульсный преобразователь напряжения содержит конденсатор фильтра С0, первый и второй ключи S1 и S2, времязадающую индуктивность L0, дозирующий (разделительный) конденсатор С1, нагрузку Rн и схему управления ключами Controller; при этом конденсатор фильтра C0 положительным выводом подключен к шине питания S+, а отрицательным - к общей шине. Параллельно конденсатору фильтра C0 подключен полумост из последовательно соединенных ключей S1 и S2. Параллельно подключенному к общей шине ключу S2 подключена цепочка из последовательно соединенных времязадающей индуктивности L0, дозирующего конденсатора С1 и нагрузки Rн. Управляющие выводы ключей S1 и S2 подключены к выходным выводам схемы управления Controller.

Наиболее близким по технической сущности аналогом второго заявляемого устройства является квазирезонансный генератор однополярных импульсов, содержащий конденсатор фильтра C0, первый и второй ключи S1 и S2, времязадающую индуктивность L0, дозирующий конденсатор С1, нагрузку Rн и схему управления Controller. При этом конденсатор фильтра C0 положительным выводом подключен к шине питания S+, а отрицательным - к общей шине. Первые выводы конденсатора С1 и ключа S2 соединены между собой и через времязадающую индуктивность L0 и ключ S1 также подключены к шине питания S+. Второй вывод ключа S2 через нагрузку соединен с общей шиной и со вторым выводом конденсатора С1. Управляющие выводы ключей S1 и S2 подключены к выходным выводам схемы управления Controller [5].

Наиболее близким по технической сущности аналогом третьего заявляемого устройства является квазирезонансный генератор импульсов с магнитным сжатием, содержащий конденсатор фильтра C0, первый и второй ключи S1 и S2, времязадающую индуктивность L0, дозирующий (разделительный) конденсатор С01, нагрузку Rн, схему управления Controller и звено магнитного сжатия, состоящее из трансформатора звена сжатия Тr1 и конденсатора звена сжатия С1. При этом конденсатор фильтра C0 положительным выводом подключен к шине питания S+, а отрицательным - к общей шине. Параллельно конденсатору фильтра C0 подключен полумост из последовательно соединенных ключей S1 и S2. Параллельно подключенному к общей шине ключу S2 подключена цепочка из последовательно соединенных времязадающей индуктивности L0, дозирующего конденсатора С01 и первичной обмотки трансформатора звена сжатия Тr1. Параллельно его вторичной обмотке подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора звена сжатия С1 и нагрузки Rн. Управляющие выводы ключей S1 и S2 подключены к выходным выводам схемы управления Controller [6].

Общим недостатком всех трех квазирезонансных устройств является то, что в случае возникновения короткозамкнутой нагрузки энергия конденсатора С1 не рассеивается в нагрузке Rн, а накапливается в конденсаторе С1, что приводит к нарушению работы самих устройств, к нарастанию накапливаемой от импульса к импульсу энергии в конденсаторе С1, пока не произойдет пробой элементов схемы. Возникает «режим раскачки» энергии в схеме, который значительно снижает надежность устройств.

Задачей, на решение которой направлены заявляемые технические решения, является повышение надежности и КПД группы устройств за счет исключения аварийного «режима раскачки энергии» в схеме при закороченной нагрузке и возвращения неиспользованной в нагрузке энергии обратно в источник питания.

Техническим результатом данной группы изобретений является рекуперация неиспользованной в нагрузке емкостной энергии, накапливаемой в конденсаторе, в конденсатор фильтра или другой приемник этой энергии. При этом рекуперация происходит в резонансном режиме, когда все ключи включаются и отключаются при нулевом токе в них.

Для решения поставленной задачи в резонансных и квазирезонансных устройствах рекуперируемую емкость подключают к первичной обмотке трансформатора рекуперации, с помощью которого трансформируют ее напряжение, и через выпрямительный элемент передают данную рекуперируемую энергию в конденсатор фильтра или другой приемник этой энергии. При этом передача энергии происходит в колебательном режиме, при отсутствии коммутационных потерь в ключах.

Для решения вышеуказанной задачи в квазирезонансный импульсный преобразователь напряжения, содержащий конденсатор фильтра C0, первый и второй ключи S1 и S2, времязадающую индуктивность L0, дозирующий (разделительный) конденсатор С1, трансформатор преобразователя Тr1, нагрузку Rн и схему управления ключами Controller, согласно изобретению добавлены: датчик тока первого ключа J1, датчик тока второго ключа J2, датчик напряжения U1 и звено рекуперации, содержащее третий датчик тока J3, трансформатор звена рекуперации Тr2, дополнительную индуктивность L1 и диодные ключи D1 и D2. При этом положительный вывод конденсатора фильтра C0 подключен к шине питания S+ и к первому выводу ключа S1, второй вывод которого через датчик тока J1, ключ S2 и датчик тока J2 соединен с общей шиной и с отрицательным выводом конденсатора фильтра C0. Точка соединения первого датчика J1 и второго ключа S2 через времязадающую индуктивности L0, дозирующий конденсатор С1 и первичную обмотку трансформатора преобразователя Тr1 подключена к общей шине. Параллельно его вторичной обмотке подключена нагрузка Rн. Параллельно конденсатору фильтра C0 подключена цепь из последовательно соединенных вторичной обмотки трансформатора звена рекуперации Тr2, дополнительной индуктивности L1 и первого диода D1. При этом катод этого диодного ключа D1 соединен с шиной питания S+. Кроме того, параллельно дозирующему конденсатору С1 подключены датчик напряжения U1 и последовательно соединенные третий датчик тока J3, первичная обмотка импульсного трансформатора звена рекуперации Тr2 и второй диод D2. Причем катод этого диодного ключа D2 подключен к точке соединения времязадающей индуктивности L0 и дозирующего конденсатора С1. Выходы трех датчиков тока J1, J2, J3 и датчика напряжения U1 подключены к входу управляющей схемы Controller, выходные выводы которой соединены с управляющими выводами ключей S1 и S2.

Схема предлагаемого квазирезонансного импульсного преобразователя напряжения приведена на фиг.1. Принцип ее работы состоит из двух циклов. В исходном состоянии оба ключа S1 и S2 выключены, конденсатор С1 имеет начальное нулевое напряжение. Звено рекуперации D1, L1, Тr2, D2 и J3 отключено диодами D1 и D2 от схемы преобразователя. В начале первого цикла включается первый ключ S1, который подключает конденсатор фильтра C0 к конденсатору С1 и заряжает последний по цепи C0, S1, J1, L0, C1, Тr1, C0. При идеальной работе схемы половина энергии выделяется в нагрузке Rн, а половина энергии остается в конденсаторе C1. Полярность напряжения конденсатора C1 такова, что на диоде D2 возникает обратное запирающее напряжение, что надежно обеспечивает отключение звена рекуперации от схемы преобразователя напряжения. Однако при закороченной нагрузке Rн конденсатор C1 заряжается от фильтра C0 до удвоенного напряжения конденсатора фильтра, так как C0>>С1. После завершения тока зарядки конденсатора C1 датчик тока первого ключа J1 выдаст в схему управления Controller сигнал о завершении процесса зарядки. На основании полученного сигнала с датчика тока J1 схема управления Controller отключит ключ S1, ток через который прекратился еще до его отключения. На этом заканчивается первый цикл работы схемы. Затем включается второй ключ S2, который в обычном режиме разряжает конденсатор C1 на нагрузку Rн. Этот процесс происходит по цепи C1, L0, S2, J2, Тr1, C1. При идеальной работе схемы после разряда конденсатора C1 на его обкладках снова возникает начальное напряжение, равное нулю. Однако при закороченной нагрузке Rн конденсатор C1 не разрядится в нагрузку Rн, а сменит свою полярность на противоположную. Появление «обратного напряжения» на конденсаторе C1 уже свидетельствует об аварийной ситуации в схеме. Датчик напряжения U1 сигнализирует об этом в схему управления Controller. Появляющееся на C1 «обратное напряжение» открывает диод D2, а при достижении «обратным напряжением» на конденсаторе C1 некоторого порогового значения, зависящего от коэффициента трансформации трансформатора звена рекуперации Тr2, открывается и диод D1. Диоды D1 и D2 окажутся открытыми как только «обратное напряжение» конденсатора C1 достигнет величины:

где Uc1 - напряжение конденсатора C1,

Uc0 - напряжение конденсатора фильтра,

N1 - число витков первичной обмотки трансформатора звена рекуперации Тr2,

N2 - число витков вторичной обмотки трансформатора звена рекуперации Тr2.

После этого «обратная энергия» из конденсатора C1 полностью перекачивается в конденсатор фильтра C0. Одновременно с перекачиванием энергии сигнал датчика тока J3 поступает в схему управления Controller, которая задерживает очередное включение ключа S1 до полного окончания тока рекуперации. В результате перед каждым очередным включением ключа S1 и в обычном режиме, и в аварийном режиме работы схемы мы имеем нулевые начальные условия на конденсаторе C1. В следующий раз, когда наступит время для очередного включения ключа S1, схема управления Controller включит его при трех обязательных условиях: токи через датчики J2, J3 должны быть равны нулю, а «обратное напряжение» конденсатора С1, измеряемое датчиком U1, должно быть меньше порога срабатывания звена рекуперации . Если обеспечить продолжительность рекуперации энергии на порядок меньше времени открытого состояния каждого из ключей S1 и S2, то процесс рекуперации не будет влиять на работу преобразователя напряжения. Это упрощает управление преобразователем, но одновременно это приводит к увеличению токов через элементы звена рекуперации. Все процессы работы схемы преобразователя напряжения, включая и процесс рекуперации емкостной энергии из конденсатора С1 в конденсатор фильтра C0, происходят в резонансном режиме, поэтому отсутствуют коммутационные потери в ключах. Это приводит к повышению общего КПД и надежности преобразователя напряжения, поскольку исключена аварийная «раскачка энергии» в схеме даже при полностью закороченной нагрузке.

Для решения вышеуказанной задачи в квазирезонансный генератор однополярных импульсов, содержащий конденсатор фильтра C0, первый и второй ключи S1 и S2, времязадающую индуктивность L0, дозирующий конденсатор С1, нагрузку Rн и схему управления Controller, согласно изобретению добавлены: датчик тока первого ключа J1, датчик тока второго ключа J2, датчик напряжения U1 и звено рекуперации, содержащее третий датчик тока J3, трансформатор звена рекуперации Тr1, дополнительную индуктивность L1 и диодные ключи D1 и D2. При этом положительный вывод конденсатора фильтра C0 и первый вывод ключа S1 подключены к шине питания S+. Второй вывод ключа S1 подключен к первому выводу конденсатора С1 и к первому выводу ключа S2 через датчик тока первого ключа J1 и времязадающую индуктивность L0. Второй вывод ключа S2 через нагрузку Rн и датчик тока второго ключа J2 подключен к общей шине, к отрицательному выводу конденсатора фильтра C0 и ко второму выводу конденсатора С1. Параллельно конденсатору фильтра C0 также подключена цепь из последовательно соединенных вторичной обмотки импульсного трансформатора звена рекуперации Тr1, дополнительной индуктивности L1 и первого диода D1. При этом катод этого диодного ключа D1 соединен с шиной питания S+. Кроме того, параллельно дозирующему конденсатору С1 подключены датчик напряжения U1 и последовательно соединенные датчик тока J3, первичная обмотка трансформатора звена рекуперации Тr1 и второй диод D2. Причем катод этого диодного ключа D2 подключен к точке соединения времязадающей индуктивности L0, дозирующего конденсатора С1 и второго ключа S2. Выходы трех датчиков тока J1, J2, J3 и датчика напряжения U1 подключены к входу управляющей схемы Controller, выходные выводы которой соединены с управляющими выводами ключей S1 и S2.

Схема предлагаемого квазирезонансного генератора однополярных импульсов приведена на фиг.2. Принцип ее работы состоит из двух циклов. В исходном состоянии оба ключа S1 и S2 выключены, конденсатор С1 имеет начальное нулевое напряжение. Звено рекуперации D1, L1, Тr1, D2 и J3 отключено диодами D1 и D2 от схемы генератора. В начале первого цикла включается первый ключ S1, который подключает конденсатор фильтра C0 к конденсатору С1 и заряжает последний по цепи C0, S1, J1, L0, С1, C0. Полярность напряжения конденсатора С1 такова, что на диоде D2 возникает обратное запирающее напряжение. Конденсатор С1 заряжается от конденсатора фильтра C0 всегда до удвоенного напряжения последнего, так как C0>>С1. После завершения тока зарядки конденсатора С1 датчик тока первого ключа J1 выдает в схему управления Controller сигнал о завершении процесса зарядки. На основании полученных данных с J1 схема управления Controller отключит ключ S1, ток через который прекратился еще до его отключения. На этом закончился первый цикл работы схемы. Затем включается второй ключ S2, который в обычном режиме разряжает конденсатор С1 в нагрузку Rн. Этот процесс происходит по цепи С1, S2, Rн, J2, С1. При идеальной работе схемы после разряда конденсатора С1 на его обкладках снова возникает начальное напряжение, равное нулю. Однако при закороченной нагрузке Rн конденсатор С1 не разрядится в нагрузку Rн, а сменит свою полярность на противоположную. Появление «обратного напряжения» на конденсаторе С1 свидетельствует об аварийной ситуации в схеме. Датчик напряжения U1 сигнализирует об этом в схему управления Controller. Появляющееся на конденсаторе С1 «обратное напряжение» открывает диод D2, а при достижении «обратным напряжением» на конденсаторе С1 некоторого порогового значения, зависящего от коэффициента трансформации трансформатора звена рекуперации Тr1, открывается и диод D1. Диоды D1 и D2 окажутся открытыми как только «обратное напряжение» конденсатора С1 достигнет величины

где Uc1 - напряжение конденсатора С1;

Uc0 - напряжение конденсатора фильтра;

N1 - число витков первичной обмотки трансформатора звена рекуперации Тr1;

N2 - число витков вторичной обмотки трансформатора звена рекуперации Тr1.

После этого «обратная энергия» из конденсатора С1 полностью перекачивается в конденсатор фильтра C0. При этом наличие сигнала с датчика тока J3 является запретом для включения других ключей. В результате перед каждым очередным включением ключа S1 и в обычном режиме, и в аварийном режиме работы схемы мы имеем начальные нулевые условия на конденсаторе С1. В следующий раз, когда наступит время для очередного включения ключа S1, схема управления Controller включит его при трех обязательных условиях: токи через датчики J2, J3 должны быть равны нулю, а «обратное напряжение» конденсатора С1, измеряемое датчиком U1, должно быть меньше порога срабатывания звена рекуперации . Все процессы работы схемы генератора, включая и процесс рекуперации энергии из конденсатора С1 в конденсатор фильтра C0, происходят в резонансном режиме, поэтому отсутствуют коммутационные потери в ключах. Это приводит к повышению общего КПД и надежности генератора, поскольку исключена аварийная «раскачка энергии» в схеме даже при полностью закороченной нагрузке.

Для решения вышеуказанной задачи в квазирезонансный генератор импульсов с магнитным сжатием, содержащий конденсатор фильтра C0, ключи S1 и S2, дозирующий (разделительный) конденсатор С01, времязадающую индуктивность L0, нагрузку Rн, схему управления ключами Controller и магнитный генератор, состоящий из трансформатора звена сжатия Тr1 и конденсатора звена сжатия С1, согласно изобретению добавлены: датчик тока первого ключа J1, датчик тока второго ключа J2, датчик напряжения U1 и звено рекуперации, содержащее третий датчик тока J3, трансформатор звена рекуперации Тr2, дополнительную индуктивность L1, выпрямительный мостик Вr1 и двунаправленный ключ S3. При этом положительный вывод конденсатора фильтра C0 подключен к шине питания S+ и к первому выводу ключа S1, второй вывод которого через датчик тока J1, ключ S2 и датчик тока J2 соединен с общей шиной и с отрицательным выводом конденсатора фильтра C0. Точка соединения первого датчика тока J1 и второго ключа S2 через времязадающую индуктивности L0, дозирующий конденсатор С01 и первичную обмотку трансформатора звена сжатия Тr1 подключена к общей шине. Параллельно вторичной обмотке этого трансформатора Тr1 подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора звена сжатия С1 и нагрузки Rн. Параллельно конденсатору фильтра C0 подключена цепь из последовательно соединенных выходных выводов мостика Вr1 и дополнительной индуктивности L1. Причем отрицательный вывод мостика Вr1 подключен к общей шине. Входные выводы мостика Вr1 подключены к вторичной обмотке трансформатора звена рекуперации Тr2. Кроме того, параллельно конденсатору звена сжатия С1 подключены датчик напряжения U1 и последовательно соединенные третий датчик тока J3, первичная обмотка трансформатора звена рекуперации Тr2 и двунаправленный ключ S3. Выходы трех датчиков тока J1, J2, J3 и датчика напряжения U1 подключены к входу управляющей схемы Controller, выходные выводы которой подключены к управляющим выводам всех трех ключей S1, S2 и S3.

Схема предлагаемого квазирезонансного генератора импульсов с магнитным сжатием приведена на фиг.3. Принцип ее работы можно условно разбить на четыре цикла. В исходном состоянии все три ключа S1, S2 и S3 выключены, конденсаторы С01 и С1 имеют начальное напряжение, равное нулю. Звено рекуперации L1, Вr1, Тr2, S3 и J3 отключено от схемы генератора за счет отключенного ключа S3 и существующего обратного запирающего напряжения на выходных выводах мостика Вr1. В начале первого цикла, при обязательных условиях: отсутствии токов через датчики J2 и J3 и сигнала с датчика U1, говорящего, что напряжении на конденсаторе С1 меньше величины , схема управления Controller включает первый ключ S1, который подключает конденсатор фильтра C0 к конденсатору С01 и заряжает конденсаторы С01 и С1.

где Uc1 - напряжение конденсатора С1;

Uc0 - напряжение конденсатора фильтра;

N1 - число витков первичной обмотки трансформатора звена рекуперации Тr2;

N2 - число витков вторичной обмотки трансформатора звена рекуперации Тr2.

При этом конденсатор С01 заряжается по цепи C0, S1, J1, L0, С01, первичная обмотка трансформатора Тr1, C0, а конденсатор С1 заряжается по цепи вторичная обмотка трансформатора Тr1, Rн, С1, Тr1. Половина энергии запасается в конденсаторе С01, а половина энергии - в конденсаторе С1, так как С01=n²C1. Здесь n - коэффициент трансформации трансформатора Тr1. После завершения тока зарядки конденсаторов С01 и С1 датчик тока первого ключа J1 выдаст в схему управления Controller сигнал о завершении процесса зарядки. На основании полученных данных с датчика тока J1 схема управления Controller отключит ключ S1, ток через который прекратился еще до его отключения. Затем начинается второй цикл. Происходит насыщение сердечника трансформатора Тr1, и запасенная энергия в конденсаторе С1 рассеивается на нагрузке Rн. В идеальном случае конденсатор С1 должен быть полностью разряжен, в нем снова мы имеем нулевые начальные условия. Однако при закороченной нагрузке Rн конденсатор С1 не разряжается на нагрузку, а меняет полярность на его обкладках на противоположную. Датчик напряжения U1 выдаст сигнал в схему управления Controller, говорящий, что конденсатор С1 имеет не нулевое напряжение, что говорит об аварийной ситуации в схеме. Поэтому при достижении величины напряжения на конденсаторе С1, равной , схема управления Controller включает ключ S3. Наличие тока через датчик J3 запрещает через схему управления Controller включение других ключей. При этом откроются диоды мостика Вr1, и неиспользованная в нагрузке энергия конденсатора С1 полностью рекуперируется в конденсатор фильтра C0. Когда закончится процесс рекуперации энергии, датчик J3 сигнализирует об этом схеме управления Controller, которая отключит ключ S3, ток через который прекратился еще до его отключения. На этом закончился второй цикл работы схемы. Затем, если датчики J1 и J3 показывают отсутствие токов через них, а датчик напряжения U1 показывает напряжение , включается второй ключ S2. Этот ключ через трансформатор Тr1 разряжает конденсатор С01 на конденсатор С1. При этом зарядный ток конденсатора С1 будет протекать через нагрузку Rн. После завершения тока зарядки конденсатора С1 датчик тока второго ключа J2 выдаст в схему управления Controller сигнал о завершении процесса зарядки. На основании полученных данных с датчика тока J2, сигнализирующих об окончании тока зарядки конденсатора С1 от конденсатора С01, схема управления Controller отключит ключ S2, ток через который прекратился еще до его отключения. Наступает последний, четвертый цикл работы схемы. Происходит насыщение сердечника трансформатора Тr1, и запасенная энергия в конденсаторе С1 рассеивается на нагрузке Rн. Однако при закороченной нагрузке Rн конденсатор С1 не разряжается на нагрузку, а меняет полярность на его обкладках на противоположную. Датчик напряжения U1 выдаст сигнал в схему управления Controller, говорящий, что конденсатор С1 имеет не нулевое напряжение, что говорит об аварийной ситуации в схеме. Поэтому как только в процессе переполяривания конденсатора С1 напряжение на нем достигнет величины , схема управления Controller вновь включает ключ S3. Наличие тока через датчик J3 запрещает через схему управления Controller включение других ключей. При этом откроются диоды мостика Вr1, и неиспользованная в нагрузке энергия конденсатора С1 полностью рекуперируется в конденсатор фильтра C0. Когда закончится процесс рекуперации энергии, датчик тока J3 сигнализирует об этом схеме управления Controller, которая отключит ключ S3, ток через который прекратился еще до его отключения. В результате перед каждым очередным включением ключей S1 и S2 и в обычном режиме, и в аварийном режиме работы схемы мы имеем практически нулевые начальные условия на обкладках конденсатора С1. Все процессы работы схемы генератора, включая и процесс рекуперации энергии из конденсатора С1 в конденсатор C0, происходят в резонансном режиме, отсутствуют коммутационные потери в ключах. Это приводит к повышению общего КПД устройства и не приводит к нарушению работы схемы.

В нашем случае генератор импульсов чередующейся полярности имел одну ступень сжатия, состоящую из Тr1 и С1. В случае использования многоступенчатых магнитных генераторов сжатия датчик напряжения U1 и звено рекуперации L1, Вr1, Тr2, S3 и J3 следует подключать параллельно конденсатору первого звена сжатия, где амплитуды токов приемлемы для элементов схемы звена рекуперации.

Источники информации

1. Патент №2202120, RU МПК⁷ G05F 1/44.

2. Источники вторичного электропитания (справочное пособие под редакцией Ю.И.Конева). // С.С.Букреев, В.А.Головацкий, Г.Н.Гулякович и другие. - Москва, «Радио и связь», 1983, с.80.

3. Источники вторичного электропитания (справочное пособие под редакцией Ю.И.Конева). // С.С.Букреев, В.А.Головацкий, Г.Н.Гулякович и другие. - Москва, «Радио и связь», 1983, с.133, рис.376.

4. Мощные транзисторные устройства повышенной частоты. // А.А.Алексанян, Р.X.Бальян, М.А.Сиверс, С. В.Томашевич, М.А.Уткин. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1989, с. 5.

5. Импульсное зарядное устройство. // Бутаков Л.Д., Визирь В.А., Дубич В.К., Лашук Н.А., Шубкин Н.Г., Щербинин В.П. ПТЭ, №5, 1985, с.107.

6. Магнитотиристорный генератор импульсов. // Шубкин Н.Г., Сычев С.Л., Визирь В.А. ПТЭ, №3, 1990, с.96.

Группа изобретений относится к импульсной технике и может быть использована в импульсных устройствах, работающих в квазирезонансном или резонансном режиме, включая преобразователи напряжения, импульсные генераторы с магнитным сжатием и без магнитного сжатия. Для устранения аварийного режима «раскачки энергии» и повышения их КПД предлагается способ рекуперации емкостной энергии, заключающийся в том, что рекуперируемую емкость подключают к первичной обмотке импульсного трансформатора звена рекуперации, с помощью которого трансформируют ее напряжение, и через выпрямительный элемент передают рекуперируемую энергию в конденсатор фильтра или другой приемник этой энергии. Предлагаются три устройства, в которых реализован данный способ рекуперации емкостной энергии: преобразователь напряжения, генератор однополярных импульсов и генератор импульсов с магнитным сжатием. Порог напряжения в конденсаторе С1, при котором включается процесс рекуперации его энергии в конденсатор фильтра С0, зависит от коэффициента трансформации звена рекуперации и определяется по формуле:

где Uc1 - напряжение рекуперируемого конденсатора С1,

Uc0 - напряжение конденсатора фильтра,

N1 - число витков первичной обмотки трансформатора звена рекуперации,

N2 - число витков вторичной обмотки трансформатора звена рекуперации.

Техническим результатом является повышение надежности и КПД резонансных и квазирезонансных схем за счет рекуперации неиспользованной в нагрузке энергии в конденсатор фильтра или другой приемник этой энергии. Причем передача энергии происходит в колебательном режиме, при отсутствии коммутационных потерь в ключах. 4 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ рекуперации емкостной энергии в резонансных и квазирезонансных устройствах, заключающийся в том, что рекуперируемую емкость подключают к первичной обмотке трансформатора рекуперации, с помощью которого трансформируют ее напряжение, и через выпрямительный элемент передают рекуперируемую энергию в конденсатор фильтра или другой приемник этой энергии, причем передача энергии происходит в колебательном режиме при отсутствии коммутационных потерь в ключах.2. Квазирезонансный импульсный преобразователь напряжения, содержащий конденсатор фильтра, первый и второй ключи, времязадающую индуктивность, дозирующий конденсатор, трансформатор преобразователя, схему управления и нагрузку; при этом положительный вывод конденсатора фильтра соединен с шиной питания и первым выводом первого ключа, второй вывод которого соединен с первым выводом второго ключа и первым выводом времязадающей индуктивности, второй вывод этой индуктивности через дозирующий конденсатор и первичную обмотку трансформатора преобразователя подключен к общей шине, к которой также подключены отрицательный вывод конденсатора фильтра и второй вывод второго ключа; параллельно вторичной обмотке трансформатора преобразователя подключена нагрузка, а управляющие выводы обоих ключей подключены к выходу схемы управления, отличающийся тем, что в схему квазирезонансного преобразователя напряжения добавлены три датчика тока, датчик напряжения и звено рекуперации, содержащее два диодных ключа и импульсный трансформатор рекуперации, при этом второй вывод первого ключа подключен к первому выводу второго ключа и первому выводу времязадающей индуктивности через датчик тока первого ключа, второй вывод второго ключа подключен к общей шине через датчик тока второго ключа, параллельно конденсатору фильтра подключена цепь из последовательно соединенных вторичной обмотки трансформатора звена рекуперации, дополнительной индуктивности, и первого диодного ключа, причем катод этого диодного ключа соединен с шиной питания; кроме того, параллельно дозирующему конденсатору подключены датчик напряжения и последовательно включенные третий датчик тока, первичная обмотка трансформатора звена рекуперации и второй диодный ключ, причем катод этого диодного ключа подключен к точке соединения времязадающей индуктивности и дозирующего конденсатора, а выходы трех датчиков тока и датчика напряжения подключены к входу управляющей схемы.3. Квазирезонансный генератор однополярных импульсов, содержащий конденсатор фильтра, первый и второй ключи, дозирующий конденсатор, времязадающую индуктивность, схему управления и нагрузку, при этом положительный вывод конденсатора фильтра соединен с шиной питания и с первым выводом первого ключа, второй вывод которого через времязадающую индуктивность соединен с первым выводом дозирующего конденсатора и с первым выводом второго ключа, второй вывод которого через нагрузку соединен с общей шиной, к которой также подключены отрицательный вывод конденсатора фильтра и второй вывод дозирующего конденсатора, а управляющие выводы обоих ключей подключены к выходу схемы управления, отличающийся тем, что в схему генератора однополярных импульсов добавлены три датчика тока, датчик напряжения и звено рекуперации, содержащее два диодных ключа и импульсный трансформатор звена рекуперации, при этом второй вывод первого ключа подключен к времязадающей индуктивности через датчик тока первого ключа, нагрузка подключена к общей шине через датчик тока второго ключа, параллельно конденсатору фильтра подключена цепочка из последовательно соединенных вторичной обмотки трансформатора звена рекуперации, дополнительной индуктивности, и первого диодного ключа, причем катод этого диодного ключа соединен с шиной питания, а параллельно дозирующему конденсатору подключены датчик напряжения и последовательно соединенные третий датчик тока, первичная обмотка импульсного трансформатора звена рекуперации и второй диодный ключ, причем катод этого диодного ключа подключен к точке соединения времязадающей индуктивности, второго ключа и дозирующего конденсатора, а выходы трех датчиков тока и датчика напряжения подключены к входу управляющей схемы.4. Квазирезонансный генератор импульсов с магнитным сжатием, содержащий конденсатор фильтра, первый и второй ключи, времязадающую индуктивность, дозирующий конденсатор, нагрузку, схему управления ключами и звено магнитного генератора сжатия, состоящее из конденсатора звена сжатия, и трансформатора звена сжатия, при этом положительный вывод конденсатора фильтра соединен с шиной питания, к которой также подключен первый вывод первого ключа, второй вывод которого соединен с первым выводом второго ключа и первым выводом времязадающей индуктивности, причем второй вывод этой индуктивности через дозирующий конденсатор и первичную обмотку трансформатора звена сжатия подключен к общей шине, к которой также подключены отрицательный вывод конденсатора фильтра и второй вывод второго ключа; кроме того, параллельно вторичной обмотке трансформатора звена сжатия подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора звена сжатия и нагрузки, а управляющие выводы обоих ключей подключены к выходу схемы управления, отличающийся тем, что в схему генератора добавлены три датчика тока, датчик напряжения и звено рекуперации, содержащее управляемый двунаправленный ключ, импульсный трансформатор звена рекуперации, дополнительную индуктивность и выпрямительный мостик, при этом второй вывод первого ключа подключен к первому выводу второго ключа и первому выводу времязадающей индуктивности через датчик тока первого ключа, второй вывод второго ключа подключен к общей шине через датчик тока второго ключа, параллельно конденсатору фильтра подключена цепочка из последовательно соединенных дополнительной индуктивности, и выходных выводов выпрямительного моста, причем отрицательный вывод этого моста соединен с общей шиной, а входные выводы моста подключены параллельно вторичной обмотке импульсного трансформатора звена рекуперации; кроме того, параллельно конденсатору звена сжатия подключены датчик напряжения и последовательно соединенные третий датчик тока, первичная обмотка трансформатора звена рекуперации и двунаправленный ключ, выходы трех датчиков тока и датчика напряжения подключены к входу управляющей схемы, к выходу которой подключены управляющие выводы всех трех ключей.