УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ЗАРЯДНОГО ТОКА КОНДЕНСАТОРА НАГРУЗКИ ПРИ ПОДКЛЮЧЕНИИ К СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2017 года по МПК H02J7/10 

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, значения 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, второй выпрямитель, при этом шины питающего переменного напряжения подключены на вход первого выпрямителя и на вход второго выпрямителя, а первый выход второго выпрямителя соединен с первой клеммой для подключения конденсатора нагрузки, дополнительно введены ключ, сглаживающий реактор и обратный диод, причем второй выход второго выпрямителя соединен с первым выводом ключа, второй вывод ключа через сглаживающий реактор соединен со второй клеммой для подключения конденсатора нагрузки, обратный диод катодом подключен ко второму выводу ключа, а его анод соединен с первым выходом второго выпрямителя, кроме этого в устройство введены пороговый элемент, источник опорного напряжения, компаратор и логический блок, первый вход которого соединен с выходом первого выпрямителя, а второй вход логического блока связан с выходом компаратора, первый и второй входы которого соединены с выходами порогового элемента и источника опорного напряжения соответственно, при этом вход порогового элемента подключен к первому выводу ключа, выход логического блока соединен с управляющим входом ключа, а второй выпрямитель выполнен неуправляемым.

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

- первый выпрямитель;

- второй выпрямитель;

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

- первая выходная клемма второго 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 введены ключ, сглаживающий реактор и обратный диод, причем второй выход второго выпрямителя соединен с первым выводом ключа, второй вывод ключа через сглаживающий реактор соединен со второй клеммой для подключения конденсатора нагрузки, обратный диод катодом подключен ко второму выводу ключа, а его анод соединен с первым выходом второго выпрямителя;

- в устройство введены пороговый элемент, источник опорного напряжения, компаратор и логический блок, первый вход которого соединен с выходом первого выпрямителя, а второй вход логического блока связан с выходом компаратора;

- первый и второй входы компаратора соединены с выходами порогового элемента и источника опорного напряжения соответственно;

- вход порогового элемента подключен к первому выводу ключа, выход логического блока соединен с управляющим входом ключа, а второй выпрямитель выполнен неуправляемым.

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

Признаки: «… в устройство введены ключ, сглаживающий реактор и обратный диод, причем второй выход второго выпрямителя соединен с первым выводом ключа, второй вывод ключа через сглаживающий реактор соединен со второй клеммой для подключения конденсатора нагрузки, обратный диод катодом подключен ко второму выводу ключа, а его анод соединен с первым выходом второго выпрямителя» обеспечивают периодическое подключение конденсатора нагрузки к источнику питающего напряжения на определенный интервал времени, причем за счет сглаживающего реактора и обратного диода ток заряда конденсатора поддерживается непрерывным с заданным уровнем пульсаций и плавным нарастанием напряжения на конденсаторе нагрузки.

Признаки: «… введены пороговый элемент, источник опорного напряжения, компаратор и логический блок, первый вход которого соединен с выходом первого выпрямителя, а второй вход логического блока связан с выходом компаратора, первый и второй входы которого соединены с выходами порогового элемента и источника опорного напряжения соответственно, при этом вход порогового элемента подключен к первому выводу ключа, выход логического блока соединен с управляющим входом ключа, а второй выпрямитель выполнен неуправляемым» позволяют контролировать ток ключа путем измерения падения напряжения на ключе в открытом состоянии и формировать посредством логического блока сигнал на уменьшение длительности интервала проводимости ключа, если указанное падение напряжение в интервале открытого состояния ключа будет больше некоторого заданного значения, определяемого уставкой источника опорного напряжения.

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 как заряд конденсатора нагрузки при подключении устройства к питающей сети, так и наброс нагрузки, соответствующий практически короткому замыканию (моменты времени t₁ и t₂ - начало и окончание режима КЗ):

- U_C(t) - график изменения напряжения на конденсаторе нагрузки;

- U_У(t) - вид сигнала управления на управляющем входе ключа;

- I_З(t) - график изменения тока нагрузки устройства.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки при подключении к сети переменного тока содержит первый выпрямитель 1, второй выпрямитель 2, при этом шины питающего переменного напряжения подключены на вход первого выпрямителя 1 и на вход второго выпрямителя 2, а первый выход второго выпрямителя 2 соединен с первой клеммой 3 для подключения конденсатора 4 нагрузки, ключ 5, сглаживающий реактор 6 и обратный диод 7, причем второй выход второго выпрямителя 2 соединен с первым выводом ключа 5, а второй вывод ключа 5 через сглаживающий реактор 6 соединен со второй клеммой 8 для подключения конденсатора 4 нагрузки, обратный диод 7 катодом подключен ко второму выводу ключа 5, а его анод соединен с первым выходом второго выпрямителя 2, пороговый элемент 9, источник 10 опорного напряжения, компаратор 11 и логический блок 12, первый вход которого соединен с выходом первого выпрямителя 1, а его второй вход связан с выходом компаратора 11, первый и второй входы компаратора 11 соединены с выходами порогового элемента 9 и источника 10 опорного напряжения соответственно, при этом вход порогового элемента 9 подключен к первому выводу ключа 5, выход логического блока 12 соединен с управляющим входом ключа 5, а второй выпрямитель 2 выполнен неуправляемым.

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 логического блока 12, на выходе которого формируется импульсный сигнал с частотой питающей сети и коэффициентом заполнения практически равным единице. Этот сигнал вызывает коммутацию ключа 5 с таким же коэффициентом заполнения его выходных импульсов. Такое управление соответствует максимальному среднему значению напряжения на втором выводе ключа 5 и максимальному току нагрузки, скорость изменения которого ограничена сглаживающим реактором 6. Вместе с тем ток нагрузки вызывает на ключе 5 определенное падение напряжения, которое с первого вывода ключа 5 поступает на вход порогового элемента 9. Сигнал с выхода порогового элемента 9 сравнивается в компараторе 11 с сигналом источника 10 опорного напряжения и воздействует на логический блок 12 таким образом, что интервал проводимости ключа 5 уменьшается. В результате на каждом интервале проводимости ключа 5 ограничивается максимальное значение его тока. Импульсный ток ключа 5 сглаживается реактором 6 и в интервалах проводимости ключа 5 последовательно увеличивает заряд конденсатора, а в интервалах паузы ключа 5 ток реактора 6 замыкается через обратный диод 7, что сохраняет заряд практически на неизменном уровне. Значение индуктивности реактора 6 выбирается из условия ограничения пульсаций тока на заданном уровне. Таким образом, происходит плавное увеличение заряда конденсатора и, соответственно, напряжения на его выводах при ограничении тока заряда допустимым уровнем, определяемым уставкой источника 10 опорного напряжения. При этом указанное регулирование выполняется вне зависимости от причин, приводящих к увеличению тока ключа 5. Графики изменения сигналов, приведенные на фиг. 2, наглядно это иллюстрируют.

Так, в интервале времени от начала процесса t=0 до момента t₁ показано изменение координат при включении устройства. На этом участке происходит плавное увеличение напряжения U_C(t) конденсатора с ограничением тока I_З(t) заряда заданным значением I_ЗМ(t). Напряжение U_У(t) управления имеет вид импульсов с постоянной частотой и переменным коэффициентом заполнения, определяемым соотношением между падением напряжения на ключе 5 и уставкой источника 10 опорного напряжения. При завершении процесса заряда конденсатора коэффициент заполнения импульсов U_У(t) управления ключом 5 становится практически равным единице.

В интервале времени от t₁ до t₂ моделируется наброс нагрузки на выходе устройства. При этом коэффициент заполнения управляющих импульсов U_У(t) уменьшается и принимает значение, обеспечивающее ограничение тока нагрузки тем же максимальным значением I_ЗМ(t). После снятия нагрузки в момент t₂ происходит повторный заряд конденсатора как в начале демонстрируемого процесса.

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 – повышение надежности устройства ограничения. Устройство содержит первый выпрямитель, второй выпрямитель, при этом шины питающего переменного напряжения подключены на вход первого выпрямителя и на вход второго выпрямителя, а первый выход второго выпрямителя соединен с первой клеммой для подключения конденсатора нагрузки. В устройство дополнительно введены ключ, сглаживающий реактор, обратный диод, пороговый элемент, источник опорного напряжения, компаратор и логический блок. При этом второй выход второго выпрямителя соединен с первым выводом ключа, второй вывод ключа через сглаживающий реактор соединен со второй клеммой для подключения конденсатора нагрузки, обратный диод катодом подключен ко второму выводу ключа, а его анод соединен с первым выходом второго выпрямителя, первый вход логического блока соединен с выходом первого выпрямителя, а его второй вход связан с выходом компаратора, первый и второй входы компаратора соединены с выходами порогового элемента и источника опорного напряжения соответственно, при этом вход порогового элемента подключен к первому выводу ключа, выход логического блока соединен с управляющим входом ключа, а второй выпрямитель выполнен неуправляемым. 2 ил.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, содержащее первый выпрямитель, второй выпрямитель, при этом шины питающего переменного напряжения подключены на вход первого выпрямителя и на вход второго выпрямителя, а первый выход второго выпрямителя соединен с первой клеммой для подключения конденсатора нагрузки, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены ключ, сглаживающий реактор, обратный диод, пороговый элемент, источник опорного напряжения, компаратор и логический блок, причем второй выход второго выпрямителя соединен с первым выводом ключа, второй вывод ключа через сглаживающий реактор соединен со второй клеммой для подключения конденсатора нагрузки, обратный диод катодом подключен ко второму выводу ключа, а его анод соединен с первым выходом второго выпрямителя, первый вход логического блока соединен с выходом первого выпрямителя, а его второй вход связан с выходом компаратора, первый и второй входы компаратора соединены с выходами порогового элемента и источника опорного напряжения соответственно, при этом вход порогового элемента подключен к первому выводу ключа, выход логического блока соединен с управляющим входом ключа, а второй выпрямитель выполнен неуправляемым.