УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ЗАРЯДНОГО ТОКА КОНДЕНСАТОРА НАГРУЗКИ ПРИ ПОДКЛЮЧЕНИИ К СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2016 года по МПК H02H7/16 H02H9/02 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для ограничения зарядного тока конденсатора, в частности для ограничения зарядного тока конденсатора, подключенного к входу инвертора.

Известно устройство для ограничения зарядного тока конденсатора (http://electrum-av.com/ru/, Новиков П.А. Плавный заряд емкости: что выбрать? Рис. 1).

Известное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки состоит из резистора, подключенного между источником питания и конденсатором нагрузки, реле с замыкающим контактом, подключенным параллельно резистору, и системы управления, обеспечивающей срабатывание реле при увеличении напряжения на конденсаторе нагрузки до заданного уровня или по прошествии определенного времени с момента включения.

Недостатки устройства обусловлены тем, что катушка реле в основном режиме работы устройства остается подключенной к сети, что снижает ресурс ее работы и увеличивает вероятность отказа

Известно устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству (http://electrum-av.com/ru/, Новиков П.А. Плавный заряд емкости: что выбрать? Рис. 4) - прототип.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки состоит из первого выпрямителя, управляющего устройства, блока гальванической изоляции, второго управляемого выпрямителя с тиристорами, развязывающих диодов и ограничительных резисторов в цепи управления тиристорами. Шины питающего переменного напряжения подключены на вход первого выпрямителя и на вход второго управляемого выпрямителя. Выход первого выпрямителя соединен с входом управляющего устройства, выход которого подключен к входной цепи блока гальванической изоляции. Выходная цепь блока гальванической изоляции соединяет связанные вместе катоды развязывающих диодов и управляющие выводы тиристоров второго управляемого выпрямителя через ограничительные резисторы, при этом аноды развязывающих диодов подключены к шинам питающего напряжения.

Управляющее устройство по сигналу с выхода первого выпрямителя, представляющего собой пульсирующее напряжение с удвоенной частотой сети, определяет переход через 0 и по заложенной характеристике открывает блок гальванической развязки, который в свою очередь открывает тиристоры второго управляемого выпрямителя. Тиристоры открываются при последовательном увеличении угла их проводимости начиная с минимального и заканчивая полным открытием. После 15 полуволн тиристоры остаются постоянно открытыми. Таким образом, при частоте питающей сети 50 Гц заряд конденсатора происходит за 150 мс, что считается достаточным для ограничения зарядного тока конденсатора большой емкости.

Недостаток известного устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки обусловлен тем, что процесс заряда осуществляется за постоянное время, соответствующее заложенной в устройство характеристике. Уровень ограничения тока заряда будет соответствовать заданному значению при постоянных внешних условиях, для которых выбирались параметры характеристики заряда: это число полуволн питающего напряжения, за которое угол проводимости тиристоров изменяется от минимального до полного открытия, а также закон изменения приращения угла проводимости в указанном диапазоне.

При переменных внешних условиях, т.е. при изменении значения питающего напряжения, емкости конденсатора нагрузки или режима работы устройства, который может меняться от холостого хода до номинального, процесс заряда конденсатора будет отличаться от запрограммированного. При этом для одних сочетаний внешних условий будет происходить заряд при увеличенных как импульсных, так и средних значениях тока, для других внешних условий будет наблюдаться затягивание процесса заряда конденсатора нагрузки. Кроме этого возможны случайные изменения нагрузки на выходе устройства, включая и аварийные режимы с коротким замыканием, которые также вызовут превышение током допустимого значения.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача устранить указанные недостатки, т.е. обеспечить постоянство параметров процесса заряда конденсатора нагрузки при изменении внешних условий работы, за счет чего повысить надежность устройства. Кроме этого повышению надежности устройства способствует введение функции защиты от короткого замыкания в нагрузке.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, содержащее первый выпрямитель, блок гальванической изоляции, второй управляемый выпрямитель с тиристорами, развязывающие диоды, ограничительные резисторы в цепях управления тиристорами, при этом шины питающего переменного напряжения подключены на вход первого выпрямителя и на вход второго управляемого выпрямителя, выходная цепь блока гальванической изоляции соединяет связанные вместе катоды развязывающих диодов и управляющие выводы тиристоров второго управляемого выпрямителя через ограничительные резисторы, аноды развязывающих диодов подключены к шинам питающего напряжения, а выход второго управляемого выпрямителя соединен с выходными клеммами устройства для подключения конденсатора нагрузки, дополнительно введены генератор пилообразного сигнала, вход которого соединен с выходом первого выпрямителя, задатчик тока, регулятор тока, компаратор и измерительный преобразователь тока, при этом измерительный преобразователь тока включен в разрыв провода, соединяющего одну из выходных клемм второго управляемого выпрямителя с выходной клеммой устройства, первый и второй входы регулятора тока соединены с выходами задатчика тока и измерительного преобразователя тока соответственно, а первый и второй входы компаратора соединены с выходом генератора пилообразного сигнала и выходом регулятора тока соответственно, при этом выход компаратора подключен к входной цепи блока гальванической изоляции.

В заявленном устройстве для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- первый выпрямитель;

- второй управляемый выпрямитель с тиристорами;

- блок гальванической изоляции;

- развязывающие диоды;

- ограничительные диоды в цепях управления тиристорами;

- при этом шины питающего переменного напряжения подключены на вход первого выпрямителя и на вход второго управляемого выпрямителя;

- выходная цепь блока гальванической изоляции соединяет связанные вместе катоды развязывающих диодов и управляющие выводы тиристоров второго управляемого выпрямителя через ограничительные резисторы;

- аноды развязывающих диодов подключены к шинам питающего напряжения;

- первая выходная клемма второго управляемого выпрямителя соединена с первой выходной клеммой устройства для подключения конденсатора нагрузки.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки и его прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:

- в устройство введен генератор пилообразного сигнала, вход которого соединен с выходом первого выпрямителя;

- введен компаратор, выход которого подключен к входной цепи блока гальванической изоляции, а его первый вход соединен с выходом генератора пилообразного сигнала;

- введен измерительный преобразователь тока, включенный в разрыв провода, соединяющего вторую выходную клемму второго управляемого выпрямителя со второй выходной клеммой устройства;

- введены регулятор тока и задатчик тока, причем первый и второй входы регулятора тока соединены с выходами задатчика тока и измерительного преобразователя тока соответственно, а выход регулятора тока соединен со вторым входом компаратора.

Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи для достижения требуемого технического результата.

Признаки: «… в устройство введен генератор пилообразного сигнала, вход которого соединен с выходом первого выпрямителя, … введен компаратор, выход которого подключен к входной цепи блока гальванической изоляции, а его первый вход соединен с выходом генератора пилообразного сигнала, … введен измерительный преобразователь тока, включенный в разрыв провода, соединяющего вторую выходную клемму второго управляемого выпрямителя со второй выходной клеммой устройства, … введены регулятор тока и задатчик тока, причем первый и второй входы регулятора тока соединены с выходами задатчика тока и измерительного преобразователя тока соответственно, а выход регулятора тока соединен со вторым входом компаратора», позволяют контролировать значение тока заряда и изменять угол проводимости тиристоров второго управляемого выпрямителя таким образом, чтобы ток заряда не превышал заданного значения, определяемого уставкой задатчика тока.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Указанные существенные признаки, отличающие заявленное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки от прототипа, в совокупности с признаками, общими для него и прототипа, обеспечивает достижение заявленного технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки; на фиг. 2 - осциллограммы сигналов, полученные при схемотехническом моделировании процессов, сопровождающих заряд конденсатора нагрузки при подключении устройства к питающей сети: график изменения напряжения U_С(t) на конденсаторе нагрузки (кривая 1) и соответствующий ему вид сигнала управления U_У(t) на выходе компаратора (осциллограмма 2), а также форма мгновенных значений I_З(t) тока заряда конденсатора.

На фиг. 3 - приведены осциллограммы сигналов при схемотехническом моделировании режима возникновения перегрузки, близкого к короткому замыканию на выходе устройства в интервале времени t₁-t₂: вид сигнала управления U_У(t) на выходе компаратора (график 1), сигнал на выходе измерительного преобразователя тока (кривая 2) и форма мгновенных значений I_Н(t) тока нагрузки.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки при подключении к сети переменного тока содержит первый выпрямитель 1, блок 2 гальванической изоляции, второй управляемый выпрямитель 3 с тиристорами, развязывающие диоды 4, ограничительные резисторы 5 в цепях управления тиристорами, генератор 6 пилообразного сигнала, вход которого соединен с выходом первого выпрямителя 1, задатчик 7 тока, регулятор 8 тока, компаратор 9 и измерительный преобразователь 10 тока, при этом измерительный преобразователь 10 тока включен в разрыв провода, соединяющего первую выходную клемму второго управляемого выпрямителя 3 с первой выходной клеммой для подключения конденсатора нагрузки, первый и второй входы регулятора тока 8 соединены с выходами задатчика 7 тока и измерительного преобразователя 10 тока соответственно, первый вход компаратора 9 соединены с выходом генератора 6 пилообразного сигнала, второй вход компаратора 9 соединен с выходом регулятора 8 тока, а выход компаратора 9 подключен к входной цепи блока 2 гальванической изоляции. При этом шины питающего переменного напряжения подключены на вход первого выпрямителя 1 и на вход второго управляемого выпрямителя 3, выходная цепь блока 2 гальванической изоляции соединяет связанные вместе катоды развязывающих диодов 4 и управляющие выводы тиристоров второго управляемого выпрямителя 3 через ограничительные резисторы 5, аноды развязывающих диодов 4 подключены к шинам питающего напряжения, а вторая выходная клемма второго управляемого выпрямителя 3 соединена со второй выходной клеммой для подключения конденсатора нагрузки.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки при подключении к сети переменного тока работает следующим образом.

Выпрямленное напряжение с выхода первого выпрямителя 1 поступает на вход генератора 6 пилообразного сигнала, на выходе которого формируется периодический сигнал, синхронизированный с моментом перехода сетевого напряжения через ноль. В регуляторе тока 8 определяется рассогласование между заданным значением тока, поступающего с выхода задатчика 7 тока на первый вход регулятора 8 тока, и средним значением фактического тока в цепи заряда конденсатора нагрузки, поступающего с выхода измерительного преобразователя 10 тока на второй вход регулятора 8 тока. Полученный сигнал с выхода регулятора 8 тока поступает на второй вход компаратора 9, где происходит его сравнение с пилообразным сигналом, который с выхода генератора 6 поступает на первый вход компаратора 9. В результате на выходе компаратора 9 формируется последовательность прямоугольных импульсов с частотой питающей сети и изменяющейся длительностью от минимального значения до максимального. Эти импульсы через блок 2 гальванической изоляции воздействуют на цепи управления тиристорами второго управляемого выпрямителя 3, при этом во включенном состоянии оказывается тот тиристор, на аноде которого в данный момент присутствует напряжение положительного знака, а угол его проводимости определяется длительностью управляющего импульса с выхода компаратора. Таким образом, за счет действия обратной связи по току с выхода измерительного преобразователя 10 в процессе заряда конденсатора нагрузки С поддерживается неизменным среднее значение его тока заряда, равное уставке в блоке задатчика 7. По мере заряда конденсатора напряжение на нем растет и для поддержания неизменного значения тока заряда происходит увеличение длительности управляющих импульсов на выходе компаратора и, соответственно, увеличение углов проводимости тиристоров до полностью открытого состояния. Описанный процесс иллюстрируется осциллограммами, приведенными на фиг. 2.

При возникновении перегрузки на выходе устройства процесс ограничения тока выполняется аналогично, т.е. за счет действия обратной связи по току осуществляется поддержание среднего значения тока нагрузки, равного заданной уставке в задатчике 7. Как следует из осциллограмм, приведенных на фиг. 3, в интервале времени (t₁-t₂) действия перегрузки происходит необходимое уменьшение длительности управляющих импульсов с выхода компаратора 9, что приводит к уменьшению углов проводимости тиристоров управляемого выпрямителя 3 и ограничению тока нагрузки на заданном уровне. При снятии перегрузки напряжение на выходе устройства восстанавливается на исходном уровне.

Таким образом, в устройстве наряду с ограничением зарядного тока конденсатора нагрузки при подключении к сети переменного тока осуществляется также и защита от токов перегрузки, включая и режим короткого замыкания независимо от внешних факторов, а именно: от значения емкости конденсатора С, от возможных изменений питающего напряжения, а также от значения нагрузки, подключенной на выходе устройства в процессе заряда конденсатора С, или от каких либо других условий функционирования.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности за счет уменьшения токовых нагрузок на питающий источник напряжения переменного тока и на конденсатор нагрузки как при включении устройства, так и в режимах перегрузки устройства по его выходу. Для этого устройство ограничения зарядного тока содержит следующие элементы: первый выпрямитель, второй управляемый выпрямитель на тиристорах, задатчик тока, регулятор тока, измерительный преобразователь тока, генератор пилообразного сигнала, компаратор, устройство гальванической изоляции, развязывающие диоды и ограничительные резисторы в цепях управления тиристорами, клеммы для подключения конденсатора нагрузки. 3 ил.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, содержащее первый выпрямитель, блок гальванической изоляции, второй управляемый выпрямитель с тиристорами, развязывающие диоды, ограничительные резисторы в цепях управления тиристорами, при этом шины питающего переменного напряжения подключены на вход первого выпрямителя и на вход второго управляемого выпрямителя, выходная цепь блока гальванической изоляции соединяет связанные вместе катоды развязывающих диодов и управляющие выводы тиристоров второго управляемого выпрямителя через ограничительные резисторы, аноды развязывающих диодов подключены к шинам питающего напряжения, а выход второго управляемого выпрямителя соединен с выходными клеммами устройства для подключения конденсатора нагрузки, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены генератор пилообразного сигнала, вход которого соединен с выходом первого выпрямителя, задатчик тока, регулятор тока, компаратор и измерительный преобразователь тока, при этом измерительный преобразователь тока включен в разрыв провода, соединяющего одну из выходных клемм второго управляемого выпрямителя с выходной клеммой устройства, первый и второй входы регулятора тока соединены с выходами задатчика тока и измерительного преобразователя тока соответственно, первый вход компаратора соединен с выходом генератора пилообразного сигнала, а второй вход компаратора соединен с выходом регулятора тока, при этом выход компаратора подключен к входной цепи блока гальванической изоляции.