УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА НАКОПИТЕЛЬНОГО КОНДЕНСАТОРА Российский патент 2012 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к электротехнике, касается «медленного» заряда емкостных накопителей электрической энергии (ЕНЭЭ) 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. Для работы этих потребителей энергии требуются импульсы длительностью 10^-3÷10^-5 с, с энергией в импульсе до 10⁶ Дж и напряжением порядка 10⁶ [1 и др.].

Электрические схемы предлагаемых устройств представлены на фиг.1 и 2, а временные диаграммы напряжений, поясняющие их работу - на фиг.3.

Получение импульсов энергии с такими характеристиками от источников ограниченной мощности возможно только путем накопления энергии в течение определенного отрезка времени, более длительного, чем сам импульс. Для этой цели используются ЕНЭЭ в виде конденсаторов или дросселей.

При использовании источника переменного тока для заряда накопительного конденсатора (НК) повышение напряжения можно осуществить с помощью трансформатора. Однако трансформатор, повышая напряжение в n раз (где n - коэффициент трансформации, определяемый отношением количества витков первичной и вторичной обмоток трансформатора), одновременно в n² раз увеличивает внутреннее сопротивление источника. Масса же трансформатора обычно соизмерима с массой ИПТ той же мощности, но для обеспечения высокого КПД сопротивление источника должно быть не менее чем в 20 раз меньше сопротивления нагрузки [2, с.103].

При этом, если заряд НК осуществляется в течение одного полупериода изменения питающего напряжения, то для заряда энергоемкого накопителя потребуется ИПТ весьма большой мощности. Поэтому для заряда используются устройства так называемого «медленного» заряда НК от ИПТ за много периодов изменения тока источника с выпрямлением его. Ограничение тока осуществляется в цепи переменного или выпрямляемого тока за счет включенного активного или реактивного сопротивления. При ограничении тока заряда с помощью резистора КПД зарядного устройства НК меньше 50%. При использовании для ограничения тока дросселя или конденсатора существенно повышается не только КПД, но и коэффициент использования мощности источника, так как при ограничении тока реактивными двухполюсниками последние, запасая избыточную энергию источника в одном такте заряда НК, в последующем канализируют ее через источник для заряда НК. При этом потери в реактивном двухполюснике сокращаются, так как они обратно пропорциональны их добротности. Добротность силовых дросселей не превышает значения 8÷15, а добротность конденсаторов на порядок больше, поэтому использование конденсаторов в цепях заряда НК является наиболее целесообразным. В случае ограничения тока заряда НК токоограничивающими конденсаторами (ТК) КПД зарядного устройства (ЗУ) возрастает до значений, близких к единице [3, 89 с.].

Дозирующие конденсаторы, используемые для ограничения тока заряда НК в сочетании с вентилями выпрямителя, одновременно могут осуществлять и увеличение зарядного напряжения - бестрансформаторным путем, т.е. умножать напряжение первичного источника.

В [4, с.308-309] отмечается: «умножители напряжения не только позволяют получить ряд выходных напряжений, отличающихся друг от друга почти в целое число раз при наличии одного ИПТ, но позволяют сделать это при использовании малогабаритных и недорогих деталей с низкими номинальными напряжениями…». Поскольку выходное сопротивление вентильно-конденсаторного выпрямителя - умножителя напряжения пропорционально n³, то бестрансформаторное повышение напряжения эквивалентно уменьшению внутреннего сопротивления ИПТ в n³ раз [4, с.309].

Известное устройство для заряда НК [1,59 с., №9] по схеме фиг.4 допускает применение всех видов токоограничивающих элементов. Это устройство с последовательно включенными в линейные провода ТК на стороне переменного тока (так называемые предвключенные ТК), снижая потери энергии в ЗУ, имеет линейно-падающую внешнюю вольтамперную характеристику и обеспечивает высокий КПД при заряде НК. Предвключение ТК дифференцирует ток источника, «укорачивает» импульсы зарядного тока, обостряет их форму, поэтому такое ЗУ характеризуется рядом недостатков, снижающих энергетические показатели этой зарядной цепи. Энергия ИПТ этим ЗУ передается в НК по трем каналам, по которым в течение периода изменения питающего напряжения в НК поступает шесть зарядных импульсов тока, а максимальная величина напряжения, до которого заряжается НК, не превышает амплитуды линейного напряжения ИПТ (U_лm), что ограничивает область использования таких ЗУ.

Если последовательно с конденсатором включить индуктивность и эту цепь настроить в резонанс напряжений при частоте, близкой к частоте питающей сети, то резонансные LC цепи будут представлять собой токоограничивающие цепи, позволяющие плавно осуществлять процесс зарядки НК (фиг.5) [1, 344 с.], т.к. интегрирующие ток дроссели улучшают использование тока ИПТ, а заряд происходит так же по трем каналам и в течение периода в НК поступает шесть импульсов тока. Однако максимальное напряжение, до которого заряжается НК, также не превышает амплитуды линейного напряжения источника [1, 275 с.].

Наиболее близким по схемотехническому решению к данному изобретению является устройство для заряда НК (схема фиг.6) [1, 61 с., №20], содержащее трехфазный источник переменного тока, выпрямитель для заряда накопительного конденсатора, образованный двумя вентильными ячейками, пары вентилей в которых соединены последовательно-согласно, и отдельным вентилем, анодный вывод второго вентиля первой ячейки образует отрицательную выходную клемму выпрямителя, а катодный вывод второй ячейки и катод отдельного вентиля - положительную выходную клемму выпрямителя для подключения накопительного конденсатора, два токоограничивающих конденсатора и два дросселя образуют две дроссельно-конденсаторные цепочки, в которых дроссель и конденсатор включены последовательно, а точки их соединения в цепочки подключены к первому и второму линейным выводам трехфазного источника переменного тока соответственно, свободный вывод дросселя первой дроссельно-конденсаторной цепочки подключен к аноду отдельного вентиля, свободный вывод конденсатора второй дроссельно-конденсаторной цепочки подключен к точке соединения вентилей второй вентильной ячейки [1, 69 с.].

В этом ЗУ с двумя трехфазными мостовыми выпрямителями, соединенными параллельно по выходу, каждая пара элементов L и С, подсоединенных к каждой линии ИПТ, образует контур с резонансом токов, а каждая пара элементов L и С, подсоединенных к разным линиям, образует контур с резонансом напряжений. Это обеспечивает более равномерное распределение зарядного тока во времени, а максимальное значение зарядного напряжения не превышает величины πU_лm/2 [1, 349 с.]. Кроме того, устройство содержит 12 диодов.

Целью изобретения многоканального ЗУ НК от трехфазного ИПТ с бестрансформаторным утроением зарядного напряжения, разработанного в Санкт-Петербургской Военно-космической академии им. А.Ф.Можайского, является улучшение технико-экономических показателей ЗУ, т.е. улучшение их удельных энергетических показателей путем увеличения скорости передачи энергии из источника в накопитель за счет трехкратного бестрансформаторного повышения зарядного напряжения и сокращение массы ЗУ.

Это достигается тем, что в устройстве для заряда накопительного конденсатора по схеме фиг.1, содержащем трехфазный источник переменного тока (1), выпрямитель (2) для заряда накопительного конденсатора (3), образованный двумя вентильными ячейками, пары вентилей в которых (4, 5 и 6, 7) соединены последовательно-согласно, и отдельным вентилем (8), анодный вывод второго вентиля (5) первой ячейки образует отрицательную выходную клемму выпрямителя, а катодный вывод (6) второй ячейки и катод отдельного вентиля (8) - положительную выходную клемму выпрямителя, для подключения накопительного конденсатора (3), два токоограничивающих конденсатора (9 и 11) и два дросселя (10 и 12) образуют две дроссельно-конденсаторные цепочки, в которых дроссель и конденсатор включены последовательно, а точки их соединения в цепочке подключены к первому (13) и второму (14) линейным выводам трехфазного источника переменного тока соответственно, свободный вывод дросселя (10) первой дроссельно-конденсаторной цепочки подключен к аноду отдельного вентиля (8), свободный вывод конденсатора (9) второй дроссельно-конденсаторной цепочки подключен к точке соединения вентилей второй вентильной ячейки, а третий линейный вывод (15) трехфазного источника переменного тока соединен с катодным (4) и анодным (7) выводами первой и второй вентильных ячеек соответственно, а свободный вывод дросселя (12) второй дроссельно-конденсаторной цепочки подключен к катоду второго вентиля (5) первой вентильной ячейки, анод которого соединен со свободным выводом конденсатора (11) первой дроссельно-конденсаторной цепочки.

Данное многоканальное устройство для заряда ЕНЭЭ характеризуется тем, что в каждом периоде изменения тока/напряжения ИЭЭ происходит многократная реконфигурация электрических цепей ЗУ. Эта реконфигурация осуществляется путем естественной коммутации вентилей, которая обеспечивается оригинальным схемотехническим решением путем использования реактивных элементов. Всего в этом устройстве в каждом периоде функционирует 12 электрических цепей - каналов отбора энергии ИПТ в токоограничивающие конденсаторы, токоограничивающие дроссели (ТД) и накопительный конденсатор.

Два канала:

1. 14-10-8-3-5-12-13-14;

2. 14-11-5-4-15-14; оба на интервале 0÷30 эл. град.

Два канала:

3. 15-7-6-3-5-12-13-15;

4. 15-7-9-13-15; оба на интервале 30÷90 эл. град.

Канал 5. 15-7-6-3-11-14-15; на интервале 90÷150 эл. град.

Канал 6. 13-9-6-3-11-14-13; на интервале 150÷210 эл. град.

Канал 7. 13-9-6-3-5-4-15-13; на интервале 210÷270 эл. град.

Два канала:

8. 14-10-8-3-5-4-15-14;

9. 14-11-5-4-15-14; оба на интервале 270÷330 эл. град.

Два канала:

10. 14-10-8-3-5-12-13-14;

11. 10-8-3-11-10; оба на интервале 330÷360 эл. град.

Канал 12. 9-6-3-5-12-9.

Заряд НК (3) по этим цепям происходит, когда напряжение в них будет больше, чем на НК (3). Каналы обеспечивают передачу энергии трехфазного ИПТ в ЕНЭЭ с малыми потерями как внутри ЗУ, так и в источнике, а также своеобразное трансформирование внутреннего сопротивления источника, которое уменьшается в 27 раз при циклическом заряде НК. Кроме того, обеспечивается бестрансформаторное повышение зарядного напряжения при соединении обмоток ИПТ треугольником до 3U_mф и до раз - при соединении обмоток звездой.

При необходимости прерывания заряда НК по достижении заданного значения зарядного напряжения, имеющего величину меньше номинальной (что особенно важно в случае колебания выходного напряжения ИПТ), вариант ЗУ по схеме фиг.2 снабжают блоком контроля напряжения (16), а в качестве вентиля (6) используют тиристор. Это ЗУ позволяет стабилизировать значение энергии в НК при изменении напряжения ИПТ от минимального до максимального значения за счет снятия сигнала управления с тиристора (6). Блок контроля напряжения и фазового управления (16) тиристором может быть выполнен по любой известной схеме, описанной в технической литературе. В этом ЗУ передача и накопление энергии ИПТ в НК и ТК осуществляется по нескольким каналам. При рассмотрении работы данного многоканального устройства (с многократной параметрической реконфигурацией его цепей) условимся считать, что обмотки ИПТ соединены в треугольник и его фазовые напряжения равны линейным. В случае соединения обмоток звездой, линейные напряжения ИПТ в раз превышают фазовые. Условимся также, что линейные напряжения источника изменяются в последовательности: А; В; С.

Будем считать, что к клеммам ИПТ 13 и 15 подключена обмотка фазы А, к клеммам 13 и 14 - обмотка фазы В, а к клеммам 14 и 15 - обмотка фазы С, и в системе обеспечивается прямой порядок чередования (следования) фаз - по диаграммам фиг.3. В этой многоканальной системе энергия ИПТ передается в накопитель через цепи с реактивными элементами. Кроме того, формируются зарядные импульсы тока, которые передают энергию, запасенную в реактивных элементах на предыдущих тактах, в НК помимо ИПТ.

Процессы заряда, происходящие в ЗУ в течение периода можно разделить на несколько временных промежутков, определяемых напряжением на клеммах ИПТ. В этих промежутках происходит изменение конфигурации зарядных цепей, а процессы повторяются в последующих периодах.

На интервале 0÷30 эл. град (фиг.3) самый высокий потенциал будет на клемме 14, а самый низкий на клемме 13. Под действием разности потенциалов этих клемм энергия из источника будет передаваться по первому каналу в НК 3. Дроссели 10 и 12 ограничивают ток и запасают энергию, а когда ток в цепи будет уменьшаться, они будут отдавать запасенную энергию в НК 3.

Одновременно по второму каналу будет происходить заряд ТК 11.

На интервале 30-90 эл. град энергия по третьему каналу передается в НК 3, а по четвертому - заряжается ТК 9.

В источнике переменного тока параллельно обмотке с выводами (клеммами) 15-13 подключены две другие обмотки с выводами 13-14 и 14-15, которые также будут отдавать свою энергию во внешнюю цепь. Таким образом, все три обмотки ИПТ будут отдавать энергию во внешнюю цепь одновременно. Это происходит на всех интервалах зарядного процесса и приводит к увеличению зарядного тока минимум в 1,5 раза в начале заряда с увеличением до 1,73 раза.

На интервале 90÷150 эл. град заряд НК будет происходить по пятому каналу, так как потенциал клеммы 14 станет более отрицательным, чем потенциал клеммы 13.

На интервале 150÷210 эл. град, когда потенциал клеммы 13 станет более положительным, чем потенциал клеммы 15, заряд НК будет происходить по шестому каналу. При этом будет происходить суммирование напряжения ИПТ и ТК. Так как заряд ТК 9 и 11 происходит на каждом цикле до линейного напряжения источника и они каждый раз полностью разряжаются, поэтому заряд НК осуществляется на определенном интервале практически постоянной мощностью.

На интервале 210÷270 эл. град заряд НК происходит по цепи седьмого канала, так как на этом интервале потенциал клеммы 15 имеет самое низкое значение.

На интервале 270÷330 эл. град заряд НК происходит по цепи восьмого канала, так как на этом интервале самый низкий потенциал на клемме 15, кроме того, по цепи девятого канала происходит заряд ТК 11, напряжение которого в следующем периоде в третьем такте будет суммироваться с напряжением ИПТ.

На интервале 330÷360 эл. град заряд НК происходит по цепи десятого канала. На этом интервале в формировании зарядного тока НК участвуют оба дросселя. Когда ток в этой цепи растет, они сдерживают скорость его нарастания, а когда ток уменьшается, они сдерживают скорость его убывания, т.е. удлиняют импульс зарядного тока этой цепи.

На интервале 210÷270 эл. град формируется зарядный импульс путем суммирования напряжения источника и напряжений ТК 11 (заряженного на интервале 30÷90) и ТК 9 (заряженного на интервале 90÷150). При этом формируется зарядный импульс под действием суммы напряжений ИПТ и ТК 9 и ТК 11. Максимальная величина напряжения в этом импульсе достигает величины утроенного линейного напряжения U_mл источника. Именно до этого напряжения (3 U_mл) за много периодов может зарядиться накопительный конденсатор 3.

Передача энергии ИПТ в НК и ТК происходит током, опережающим соответствующие напряжения, а проведение через дроссели токов ИПТ (отстающих по фазе от напряжения) повышает коэффициент мощности ИПТ и улучшает его энергетические удельные показатели. Кроме этого в течение периода образуются два канала 10-8-3-11-10 и 9-6-3-5-12-9, в которых энергия, запасенная в реактивных элементах, может непосредственно передаваться в НК. Это происходит, когда суммарное напряжение реактивных элементов этих цепей будет превосходить напряжение на клеммах НК3.

В начале заряда, когда напряжение НК меньше амплитудного значения напряжения источника, энергию в НК передают все рассмотренные зарядные цепи. По мере заряда НК количество зарядных цепей, передающих энергию в НК, уменьшается, так как напряжение НК становится больше напряжения в этих цепях и к концу заряда энергию в НК передают цепи, доводящие напряжение НК до максимального значения.

В системах электроснабжения импульсных нагрузок с НК (при одной и той же массе НК) основную составляющую массы системы определяет масса источника электрической энергии. Масса же самого ЗУ НК значительно меньше массы источника. Масса ИПТ определяется величиной его выходной (так называемой расчетной или «габаритной») мощности. Поэтому ЗУ НК должны не только ограничивать величину зарядной мощности, но и передавать энергию источника с практически постоянной скоростью, т.е. стабилизировать ее значение. Это условие требует применения ЗУ НК, выходная вольтамперная характеристика которых имеет практически гиперболический характер, так как при линейной вольтамперной характеристике «габаритная» мощность ИПТ будет превышать практически в пять раз среднезарядную мощность НК [1, с.12].

Конденсаторы 9 и 11 являются токоограничивающедозирующими. Ограничивая ток ИПТ в каналах заряда НК 3, они являют собой ТК, а в следующих тактах изменения тока они, перезаряжаясь, нормируют постоянную дозу энергии, то есть служат дозаторами энергии.

Эти дозирующие конденсаторы в рассматриваемом ЗУ осуществляют постоянный отбор мощности от ИПТ (из-за заряда их до постоянно-амплитудного значения линейного напряжения ИПТ), что деформирует внешнюю статическую вольтамперную характеристику, приближая ее к гиперболической. При этом типовая «габаритная» мощность самого ИПТ существенно уменьшается. Следовательно, за период изменения напряжения трехфазного ИПТ происходит многократное параметрическое циклическое переключение каналов передачи энергии ИПТ в ТК и в НК. Эти каналы передачи энергии обеспечивают формирование вольтамперной характеристики гиперболического вида, что подтверждает экспериментальное исследование макета предложенного устройства (фиг.1), проведенное в лаборатории электрооборудования Военно-космической академии им. А.Ф.Можайского. Они подтверждают хорошую работоспособность ЗУ и реальность достижения цели изобретения: минимизировать массогабаритные показатели ИПТ и обеспечить бестрансформаторное утроение зарядного напряжения, увеличение запасаемой в НК энергии в девять раз по сравнению с прототипом не только без усложнения ЗУ, но и при уменьшенном числе элементов, входящих в его состав.

В связи с тем, что напряжение ИПТ обычно поддерживается вблизи номинального с допуском в несколько процентов, систему заряда НК проектируют так, чтобы напряжение на нем обеспечивалось при нижнем значении напряжения источника. При повышении напряжения источника заряд НК прерывают по достижении требуемого, что обычно осуществляется за счет выполнения выпрямителя управляемым, т.е. при использовании в нем кремниевых управляемых вентилей - тиристоров. В известных по фиг.4-6 рассматриваемых ЗУ выпрямитель должен иметь 6 тиристоров, что удорожает их изготовление.

Предложенное по п.2 формулы изобретения ЗУ имеет всего один тиристор и четыре обычных вентиля - диода.

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.

Таким образом, если в устройстве для заряда накопительного конденсатора, содержащем трехфазный источник переменного тока, выпрямитель для заряда накопительного конденсатора, образованный двумя вентильными ячейками, пары вентилей в которых соединены последовательно-согласно, и отдельным вентилем, анодный вывод второго вентиля первой ячейки образует отрицательную выходную клемму выпрямителя, а катодный вывод второй ячейки и катод отдельного вентиля - положительную клемму выпрямителя для подключении накопительного конденсатора, два токоограничивающих конденсатора и два дросселя образуют две дроссельно-конденсаторные цепочки, в которых дроссель и конденсатор включены последовательно, а точки их соединения в цепочки подключены к первому и второму линейным выводам трехфазного источника переменного тока соответственно, свободный вывод дросселя первой дроссельно-конденсаторной цепочки подключен к аноду отдельного вентиля, свободный вывод конденсатора второй дроссельно-конденсаторной цепочки подключен к точке соединения вентилей второй вентильной ячейки, при этом третий линейный вывод трехфазного источника переменного тока соединен с катодным и анодным выводами первой и второй вентильных ячеек соответственно, а свободный вывод дросселя второй дроссельно-конденсаторной цепочки подключен к катоду второго вентиля первой вентильной ячейки, анод которого соединен со свободным выводом конденсатора первой дроссельно-конденсаторной цепочки. Это обеспечивает повышение зарядного напряжения на НК в три раза, а запасаемой в нем энергии - в девять раз при уменьшении массы ЗУ за счет сокращения числа диодов, конденсаторов и дросселей и формирование внешней статической вольтамперной характеристики, близкой к гиперболической, что позволяет лучше использовать мощность ИПТ.

Источники информации

1. И.В.Пентегов «Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии», Киев, «Наукова думка», 1982 г., 420 с.

2. Основы теории цепей. Учебник, изд. 4, Москва, «Энергия», 1975 г., 752 с.

3. Синилов Г.Н. и др. Расчет и эксплуатация светотехнических импульсных установок и источников питания. Москва, Энергоатомиздат, 1989 г., 192 с.

4. Справочник по полупроводниковой электронике под ред. Л.П.Хантера. Сокр. Перевод с англ. под ред. д.т.н. С.Я.Шаца и к.т.н И.И.Литвинова. М., «Машиностроение», 1975 г., 508 с.

Изобретение может быть использовано для «медленного» заряда емкостных накопителей электрической энергии (ЕНЭЭ) от источника переменного тока ограниченной мощности за много периодов изменения его напряжения: оптических квантовых генераторов, электрореактивных двигателей и других мощных импульсных потребителей электрической энергии. Достигаемый технический результат - увеличение скорости передачи энергии от источника переменного тока в накопитель за счет трехкратного бестрансформаторного повышения зарядного напряжения. Устройство для заряда накопительного конденсатора содержит трехфазный источник переменного тока, выпрямитель для заряда накопительного конденсатора, содержащий две вентильные ячейки, два токоограничивающих конденсатора, два дросселя, два вентиля, накопительный конденсатор. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный источник переменного тока, выпрямитель для заряда накопительного конденсатора, образованный двумя вентильными ячейками, пары вентилей в которых соединены последовательно-согласно, и отдельным вентилем, анодный вывод второго вентиля первой ячейки образует отрицательную выходную клемму выпрямителя, а катодный вывод второй ячейки и катод отдельного вентиля - положительную выходную клемму выпрямителя для подключения накопительного конденсатора, два токоограничивающих конденсатора и два дросселя образуют две дроссельно-конденсаторные цепочки, в которых дроссель и конденсатор включены последовательно, а точки их соединения в цепочки подключены к первому и второму линейным выводам трехфазного источника переменного тока соответственно, свободный вывод дросселя первой дроссельно-конденсаторной цепочки подключен к аноду отдельного вентиля, свободный вывод конденсатора второй дроссельно-конденсаторной цепочки подключен к точке соединения вентилей второй вентильной ячейки, отличающееся тем, что третий линейный вывод упомянутого источника соединен с катодным и анодным выводами первой и второй вентильных ячеек соответственно, а свободный вывод дросселя второй дроссельно-конденсаторной цепочки подключен к катоду второго вентиля первой вентильной ячейки, анод которого соединен со свободным выводом конденсатора первой дроссельно-конденсаторной цепочки.

2. Устройство для заряда накопительного конденсатора по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено блоком контроля напряжения и фазового управления тиристором, а в качестве первого вентиля второй вентильной ячейки используется тиристор.