УСТРОЙСТВО ЗАРЯДА НАКОПИТЕЛЬНОГО КОНДЕНСАТОРА Российский патент 2015 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится устройствам заряда емкостных накопителей электрической энергии (аккумуляторов, молекулярных и других накопительных конденсаторов), широко используемых в импульсной технике, и 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, именно к устройствам для заряда и разряда электрических батарей, и может быть применено в энергетических установках различного типа, при работе независимого источника питания постоянного тока, выполненного в виде батарей аккумуляторов энергии, изготовленных на базе молекулярных конденсаторов с использованием нанотехнологий.

Известно техническое решение «Зарядный блок источника сейсмических колебаний» (Пат. РФ №1140073. Опубл. 15.02.1985, аналог), содержащий выпрямитель, звено повышения напряжения, полупроводниковый ключ, накопительный конденсатор, подключенный к сейсмоисточнику, схему управления, состоящую из делителя напряжения, датчика тока, пороговой схемы, генератора импульсов, при этом выход полупроводникового ключа соединен с входом делителя напряжения, выход которого соединен с первым входом пороговой схемы, второй вход которой соединен с выходом датчика тока, а выход - с входом генератора импульсов, первый вход датчика тока соединен с выходом выпрямителя, звено повышения напряжения выполнено в виде тиристорного моста, подключенного одной диагональю через полупроводниковый ключ параллельно накопительному конденсатору, к одному из полюсов которого подключен второй вход датчика тока, в другую диагональ тиристорного моста включен коммутирующий конденсатор, при этом звено повышения напряжения подключено к выпрямителю через дроссель, а выходы генератора импульсов соединены с управляющими электродами тиристоров.

Недостатком данного устройства (аналога) является большая реактивная мощность в коммутируемом конденсаторе, что приводит к снижению КПД источника при повышении частоты преобразования и увеличению размеров коммутируемого конденсатора.

Известно также техническое решение «Устройство для заряда емкостного накопителя схемы питания электромагнитного привода сейсмоисточника» (Пат. РФ №2232408. Опубл. 10.07.2004, прототип), в котором источник постоянного напряжения, включен во вторую диагональ мостовой схемы коммутации, в плечи которой включены управляемые ключи, а в первую диагональ включен конденсатор емкостного накопителя энергии, подключенного к сейсмоисточнику со схемой разряда. В смежные плечи мостовой схемы включены обмотки дросселей, последовательно соединенные с ключами, а точки их соединения подключены непосредственно или через дополнительные обмотки дросселей к выводу емкостного накопителя через ключевые приборы.

Недостатками прототипа являются большая реактивная мощность в коммутируемом конденсаторе и недостаточный КПД работы зарядного устройства.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение КПД путем увеличения эффективности работы устройства заряда емкостного накопителя энергии.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве заряда накопительного конденсатора, содержащем источник постоянного напряжения, управляемый ключ, конденсатор емкостного накопителя энергии, генератор импульсов, трансформатор (дроссель), дополнительно включены датчики тока и компараторы, первичная обмотка трансформатора одним выводом подключена к источнику питания, а вторым - к коллектору управляемого ключа, первый вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к первому электроду накопительного конденсатора, а второй электрод накопительного конденсатора подключен ко второму выводу вторичной обмотки трансформатора. В эмиттер управляемого ключа включен датчик тока, выход которого подключен к входу компаратора, а выход компаратора - к входу генератора импульсов, выход которого подключен к управляющему входу управляемого ключа, а второй вход генератора импульсов подключен к выходу компаратора напряжения, выход которого подключен к датчику тока во вторичной обмотке трансформатора.

Существенным отличием предлагаемого технического решения является включение в эмиттер управляемого ключа датчика тока, выход которого подключен к входу компаратора, а выход компаратора - к входу генератора импульсов, выход которого подключен к управляющему входу управляемого ключа, а второй вход генератора импульсов подключен к выходу компаратора, выход которого подключен к датчику тока во вторичной обмотке трансформатора. Это решение позволяет существенно сократить время заряда накопительного конденсатора, поскольку порог срабатывания компаратора, на выходе которого подключен датчик тока вторичной обмотки трансформатора, выбирается на уровне выше четверти и более от максимального значения тока во вторичной обмотке трансформатора.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства заряда накопительного конденсатора, где введены следующие обозначения: низковольтный источник питания - 1; управляемый ключ - 2; генератор импульсов - 3; диод - 4; накопительный конденсатор - 5; датчик тока в эмиттере управляемого ключа - 6; компаратор тока в эмиттере управляющего ключа - 7; датчик тока во вторичной обмотке трансформатора - 8; трансформатор тока заряда накопительного конденсатора - 9; компаратор тока заряда накопительного конденсатора - 10; компаратор напряжения -11; сейсмоисточник - 12.

На фиг.2 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие работу устройства, где введены следующие обозначения: U_упр - график напряжения на выходе генератора; I₁ - график тока в первичной обмотке трансформатора; ось 16 - график зарядного тока емкостного накопителя 11; I₂ - график тока во вторичной обмотке трансформатора; U_с - график напряжения емкостного накопителя.

Устройство заряда накопительного конденсатора работает следующим образом. При включении источника питания (1) управляемый ключ (2) открыт и в первичной обмотке трансформатора возникает ток (I₁). При достижении тока (I₁) максимального значения (I_{1 max}) компаратор (7) устанавливает выход генератора импульсов (3) в состояние «0», управляемый ключ (2) закрывается и во вторичной обмотке трансформатора (9) индуцируется ток (I₂), который через электронный ключ (4) заряжает накопительный конденсатор (5).

При снижении тока (I₂) заряда накопительного конденсатора до минимально установленного уровня (I_{2 min}) компаратор (10) устанавливает выход генератора импульсов (3) в состояние «1», при этом открывается управляемый ключ (2) и процесс преобразования напряжения заряда накопительного конденсатора повторяется. При достижении напряжения (U_c) накопительного конденсатора заданного значения генератор импульсов (3) переводится в состояние «0» компаратором напряжения (11) накопительного конденсатора. Сокращение времени заряда накопительного конденсатора (5) осуществляется выбором минимального порога (I_{2 min}), равным четверти и более половины от максимального значения тока заряда (I₂) накопительного конденсатора, этим исключается время заряда накопительного конденсатора (5) малыми значениями тока как (I₂), так и (I₁).

Устройства заряда накопительного конденсатора прошли испытания в полевых условиях районов Сибири и Крайнего Севера в системах поиска нефти и газа с применением невзрывных источников сейсмических волн и показали высокий КПД и стабильность в работе.

Изобретение относится к устройствам заряда емкостных накопителей электрической энергии, широко используемых в импульсной технике, и может быть использовано для «медленного» заряда конденсатора емкостного накопителя электрической энергии от источника тока ограниченной мощности. Технический результат заключается в повышении КПД и сокращении времени заряда накопительного конденсатора. Устройство содержит источник постоянного напряжения и трансформатор тока, первый вывод вторичной обмотки которого подключен к первому электроду накопительного конденсатора, а второй электрод накопительного конденсатора подключен ко второму выводу вторичной обмотки трансформатора, в эмиттер управляемого ключа включен датчик тока, выход которого подключен к входу компаратора, а выход компаратора - к входу генератора импульсов, выход которого подключен к управляющему входу управляемого ключа, а второй вход генератора импульсов подключен к выходу компаратора напряжения, выход которого подключен к датчику тока во вторичной обмотке трансформатора. 2 ил.

Устройство заряда накопительного конденсатора, содержащее источник постоянного напряжения, управляемый ключ, конденсатор емкостного накопителя энергии, генератор импульсов, трансформатор тока, отличающееся тем, что в него дополнительно включены датчики тока и компараторы, первичная обмотка трансформатора тока одним выводом подключена к источнику питания, а вторым к коллектору управляемого ключа, первый вывод вторичной обмотки трансформатора подключен к первому электроду накопительного конденсатора, а второй электрод накопительного конденсатора подключен ко второму выводу вторичной обмотки трансформатора, в эмиттер управляемого ключа включен датчик тока, выход которого подключен ко входу компаратора, а выход компаратора - к входу генератора импульсов, выход которого подключен к управляющему входу управляемого ключа, а второй вход генератора импульсов подключен к выходу компаратора, подключенного к датчику тока заряда накопительного конденсатора, и выход компаратора напряжения, подключенный своим входом к клеммам накопительного конденсатора, подключен ко входу управления генератором импульсов.