СПОСОБ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ИСТОЧНИКА ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2018 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к способам питания мощных импульсных нагрузок (ИН) с промежуточным накопителями энергии в виде накопительных конденсаторов, «медленно» заряжаемых от источника ограниченной мощности и устройствам заряда емкостных накопителей электрической энергии (ЕНЭЭ) в виде конденсаторов, ионисторов и т.п., широко используемых в импульсной технике, при их заряде от источника переменного тока (ИПТ), в том числе ограниченной мощности. Схемы устройств для реализации заявляемого способа представлены на фиг. 1, 3 и 5, а диаграммы заряда конденсаторов - на фиг. 2 и 4.

Во многих областях современной техники формируются мощные импульсы длительностью 10^-3÷10^-8 сек с энергией в импульсе порядка 10⁶ Дж и более и напряжением до 10⁶ В и выше.

В связи с тем что обеспечение больших значений энергии непосредственно от автономных источников электрической энергии (ИЭЭ) практически невозможно, единственным способом питания мощной ИН является выполнение ее системы электроснабжения (СЭС) с источником вторичного электропитания (ИВЭП), в состав которого входит ЕНЭЭ в виде батареи накопительных конденсаторов (НК) или индуктивный накопитель либо сочетание индуктивного и ЕНЭЭ. В состав ИВЭП также входят устройства преобразования параметров энергии источника, передаваемой в накопитель, контроля напряжений ИЭЭ и накопителя, защиты накопителей от перенапряжения, коммутационная, диагностическая аппаратура и др. При реализации ИВЭП с ЕНЭЭ одним из важнейших вопросов является вопрос выбора способа регулирования тока заряда НК.

Основным элементом ИВЭП с ЕНЭЭ являются НК с жидким, твердым или газообразным диэлектриком. Так как емкость конденсаторов невелика, обычно 1,5÷2 мкФ, их объединяют параллельно в секции. Рабочее напряжение секции НК часто не превышает 5, реже 10 кВ.

При номинальных напряжениях ИВЭП в десятки-сотни киловольт батареи их НК составляют из нескольких секций (групп секций), соединенных последовательно. Такое соединение НК в батарее позволяет, коммутируя секции, осуществлять реконфигурацию электрических цепей в ИВЭП как в зарядном, так и в разрядном циклах.

Использование различных способов регулирования скорости заряда НК (зарядная мощность определяется произведением напряжения НК на ток заряда Р_з=ui), а также схемотехнических выполнений зарядных устройств обусловили различные способы электропитания ИН.

Все известные способы питания ИН заключаются в периодическом чередовании циклов накопления энергии в НК и последующего разряда на сопротивление нагрузки. Основную сложность в организации питания представляет цикл заряда ЕНЭЭ от ИЭЭ.

Простейший известный способ питания ИН от ИЭЭ постоянной ЭДС Ε с ИВЭП в виде батареи конденсаторов (схема на фиг. 6), в котором НК заряжается через токоограничивающий резистор, ограничивающий ток в ходе зарядного цикла [1].

Недостатком этого способа являются крайне низкий КПД, не превышающий 0,5 и низкие удельные энергетические показатели устройств для заряда ЕНЭЭ. Под удельными энергетическими показателями устройств заряда (УЗ) НК обычно понимается отношение среднезарядной мощности/энергии к массе УЗ. Низкие показатели вызваны тем, что избыточная энергия источника в начале зарядного цикла гасится на балластном сопротивлении, а пиковое значение мощности ИЭЭ в 4,88 раза превышает среднезарядную мощность [1, c. 12]. При частичном разряде НК, т.е. при его подзаряде от U_C1 U_C2 и последующем подзаряде пиковое значение мощности, потребляемой от ИЭЭ, снижается, а КПД повышается, т.к. энергия в разрядном импульсе при потребляемой от источника энергии W_и=CE(U_C1-U_C2) и КПД , где , однако система питания при этом существенно усложняется, а при питании многих импульсных нагрузок режим подзаряд-подразряд практически невозможен. Именно поэтому этот способ и такие УЗ применяются крайне редко.

При заряде НК в УЗ по схеме фиг. 7 ЕНЭЭ заряжается от источника переменного тока через вентильный выпрямитель, последовательно с которым включается токоограничивающий элемент, в качестве которого используются резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы и индуктивно-емкостные двухполюсники [1, c. 58 и др.]. При ограничении тока резистором КПД устройства повышается до 0,57 [1, c. 219], однако этот коэффициент имеет более низкое значение по сравнению с зарядными цепями с реактивными токоограничивающими элементами. Это связано с наличием больших потерь энергии в резисторах. Поэтому при использовании реактивных токоограничивающих элементов этот способ может обеспечить более высокий КПД, так как избыток энергии источника, который гасится в резисторе (и тем снижает КПД), в реактивном элементе запасается в одном полупериоде изменения напряжения источника питания и возвращается в него через накопитель в другом. Это повышает эффективность данного способа заряда ЕНЭЭ, поэтому он является энергосберегающим [1].

Недостатком способа заряда НК по схеме фиг. 7 является пониженный коэффициент мощности ИПТ при реактивном балласте из-за отставания/опережения тока заряда от напряжения источника. Индуктивный балласт позволяет повысить КПД зарядного устройства, но понижает внешнюю выходную вольтамперную характеристику источника, а емкостной балласт из-за большей добротности емкости обеспечивает получение более высокого КПД и подъем вольтамперной характеристики источника.

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению по п. 1 формулы изобретения - базовым объектом является способ питания ИН от источника переменного напряжения с использованием заряда батареи емкостных накопителей электрической энергии и выпрямителя, заключающийся в заряде секций батареи выпрямленным током источника, например, с преобразованием неизменного напряжения источника в стабилизированный зарядный ток и разряде батареи - при достижении заданного значения напряжения на секциях батареи при суммировании этих напряжений на сопротивлении нагрузки [2, 3]. Схема генератора импульсов напряжения (ГИН) для питания ИН по патенту Э. Маркса приведена на фиг. 8.

В базовом объекте - каскадном ГИН - осуществляется, например, формирование разрядных импульсов длительностью 50⋅10^-9 с, напряжением 2 MB при 160 каскадах-ступенях умножения напряжения [3, c. 135 и далее].

Такие ГИН имеют n каскадов-секций умножения напряжения ИЭЭ, выполненных на n НК 1…1ⁿ (каждый емкостью С), ограничение тока заряда в которых осуществляет сопротивление 2, а также сопротивления 2'…2ⁿ и 3…3ⁿ токоограничительные-развязывающие сопротивления. В цикле заряда ЕНЭЭ все каскады соединены параллельно друг другу и ИЭЭ, а при разряде эти НК через разрядники 4…4ⁿ соединяются последовательно и подключаются к сопротивлению ИН 5, напряжение на которой в n раз превышает амплитуду выпрямленного выходного напряжения ИЭЭ. Управление срабатыванием разрядников 4…4ⁿ разрядных ключей производят в основном путем подачи управляющего сигнала «Пуск» от устройства контроля напряжений и регулирования заряда накопителей 6 на разрядник 4, остальные разрядники пробиваются за счет резкого повышения напряжения. Сигнал «Пуск» подают на дополнительный электрод первого разрядника 4 либо в этот разрядник подают ионизирующий импульс с блока 6 [3, c. 136; 4, c. 80 и др.]. Разрядник пробивается, и ко второму разряднику скачком прикладывается двойное напряжение, и он также пробивается, и после его пробоя к третьему разряднику прикладывается тройное напряжение и т.д. Суммарное время пробоя всех разрядников определяется количеством каскадов и обычно укладывается в несколько микросекунд. Развязывающие сопротивления после пробоя разрядников, шунтируя НК, подразряжают их и тем снижают напряжение каскадов.

Так как развязывающие сопротивления 2'…2ⁿ и 3'…3ⁿ при срабатывании разрядников 4 шунтируют конденсаторы каскадов, их величину выбирают такой, чтобы постоянная времени τ разряда НК каскада существенно превышала длительность разрядного импульса t_и: τ=RC≥t_и. Увеличение сопротивления в каскадах, снижая КПД УЗ НК, ухудшает энергетические показатели ИВЭП. Однако такой способ питания ИН является лучшим из всех иных способов повышения напряжения без применения повышающих трансформаторов.

Недостатком этого способа питания ИН является низкий уровень значения среднезарядной мощности, а соответственно, низкий КПД заряда ЕНЭЭ и низкие удельные энергетические показатели УЗ НК.

Указанные недостатки, учитывая прогресс в развитии электротехнических материалов со времен разработки ГИН Э. Марксом, могут быть решены двумя путями: снижением потерь мощности в элементах электрических цепей (ЭЦ) заряда и разряда ГИН (применяя управляемые резисторы), а также за счет преобразования неизменного напряжения ИЭЭ в неизменный ток заряда, стабилизируемый индуктивно-емкостным преобразователем (ИЕП).

Так, уменьшением омического сопротивления токоограничивающего 2 и развязывающих сопротивлений 2'…2ⁿ и 3'…3ⁿ при заряде НК сокращает потери энергии в зарядном цикле, а увеличение сопротивлений при срабатывании разрядников 4'…4ⁿ - устраняет подразряд этих НК. Данную задачу можно решить при использовании в качестве этих сопротивлений управляемых полупроводниковых резисторов, именуемых бесконтактными переменными резисторами [7]. Так, на выпускаемых промышленностью тиристорах, работающих при напряжении в 10 кВ и выше, падает напряжение порядка 1,2 В при проведении тока в сотни ампер, а в импульсе они пропускают энергию в сотни килоджоулей. Понятно, что их можно использовать в качестве элементов ЭЦ ГИН 2'…2ⁿ; 3'…3ⁿ и 4'…4ⁿ.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству по п. 2. формулы изобретения является устройство для заряда батареи ЕНЭЭ, содержащее включенные параллельно-последовательно два и более каскадов умножения напряжения, в каждом из которых выводы конденсатора подключены через сопротивления в первом каскаде к положительному и отрицательному выводам источника зарядного тока, а в последующих - к выводам конденсатора предыдущего каскада, разрядные ключи, преимущественно управляемые, соединяющие разнополярные выводы конденсаторов смежных каскадов и свободного вывода последнего каскада с одним выводом сопротивления нагрузки, второй вывод которого подключен к точке соединения другого вывода нагрузки с отрицательным выводом источника зарядного тока и одним выводом разрядного ключа первого каскада, а также блок контроля напряжений и управления разрядными ключами. Схема этого зарядного устройства приведена на фиг. 8 [2, рис. 2.55, c. 41; 3, c. 136; 4, c. 80 и др.].

Недостатком этого устройства, реализующего подобный способ заряда батареи ЕНЭЭ, является то, что даже при энергосберегающем заряде НК током неизменной стабильной величины значение среднезарядной мощности не превышает величины 0,5, а КПД устройства из-за использования в качестве сопротивления резисторов, имеет невысокое значение.

Целью изобретения по п. 1 формулы изобретения является улучшение удельных энергетических показателей зарядных устройств путем увеличения среднего значения зарядной мощности и увеличение КПД УЗ ЕНЭЭ.

Поставленная цель по п. 1 формулы изобретения достигается тем, что в способе питания ИН от источника переменного напряжения начальный заряд батареи производят при ее минимальной емкости и емкость батареи ЕНЭЭ увеличивают по мере повышения напряжения на ее секциях.

Увеличение емкости батареи по мере повышения напряжения на ее секциях создает условия, при которых в каждом следующем такте заряд накопителей происходит с уровня суммарного напряжения накопителей, равного напряжению источника, что позволяет увеличить среднее значение зарядной мощности. Реализация способа осуществляется с помощью УЗ батареи НК по пп. 2-4 формулы изобретения.

Целью изобретения по п. 2 формулы изобретения является улучшение удельных энергетических показателей систем заряда путем повышения среднего значения зарядной мощности и КПД устройства.

Поставленная цель в устройстве по п. 2 формулы изобретения (схема по фиг. 1) достигается тем, в устройстве для заряда батареи ЕНЭЭ от источника зарядного тока в качестве сопротивлений каскадов и разрядных ключей применены тиристоры, блок контроля напряжений и управления разрядными ключами снабжен парами выходных выводов по количеству вновь введенных тиристоров, анод первого зарядного тиристора первого каскада подключен к положительному выводу зарядного источника, а катод - к анодам первого зарядного тиристора второго каскада и зарядного ключа первого каскада, при этом зарядные тиристоры второго и последующих каскадом умножения напряжений включены в электрические цепи последовательно-согласно друг с другом и их катоды и аноды соединены непосредственно, а тиристоры разрядных ключей соединены друг с другом последовательно-согласно через конденсаторы упомянутых каскадов.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству по пп. 3 и 4 формулы изобретения является устройство для заряда ЕНЭЭ, содержащее батарею из конденсаторов, подключенную к выходной диагонали мостового управляемого выпрямителя на тиристорах, блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами 6, входная диагональ выпрямителя подключена к источнику переменного напряжения через ИЕП переменного напряжения в стабилизированный ток 8 [5, рис. 5.36, c. 158, 157 и далее]. Заряд НК неизменным током, обеспечивая линейный рост напряжения батареи ЕНЭЭ (и соответственно - увеличение зарядной мощности) и высокий КПД, целесообразно использовать в ГИН любой конструкции, т.к. он является энергосберегающим. Вопросы энергосбережения при заряде НК разрешаются в СЭС и ИЕП - стабилизаторами тока заряда ЕНЭЭ как от одно-, так и от трехфазных ИЭЭ переменного тока. Схем стабилизаторов тока, описанных в технической литературе, достаточно большое количество и даже в 1981 году в монографии [6] рассмотрено более 140. Схема этого УЗ приведена на фиг. 9. Защита УЗ НК от перезаряда осуществляется тиристорами Τ₁ и Т₂, закорачивающими вход выпрямителя. Так как разряд ЕНЭЭ в ГИН обычно производят «по готовности», т.е. в момент времени достижения на батарее НК заданного напряжения, надобность в закорачивании входа выпрямителя отпадает, достаточно снять сигналы с вентилей выпрямителя, проводящих ток ИЕП в накопитель.

Недостатком этого энергосберегающего зарядного устройства, реализующего заряд батареи ЕНЭЭ током неизменного значения, является то, что значение среднезарядной мощности не превышает 0,5.

Целью изобретения является улучшение удельных энергетических показателей зарядных устройств путем увеличения среднего значения зарядной мощности. Для этого батарея ЕНЭЭ, если она образована двумя или четным количеством соединенных последовательно секций НК, выполнена в виде так называемого трансформатора напряжения (ΕΤΗ) [согласно ГОСТ 18685-73 ΕΤΗ - трансформатор напряжения, содержащий емкостной делитель].

Поставленная цель в устройстве по п. 3 формулы изобретения (схема по фиг. 3) достигается тем, устройство для заряда ЕНЭЭ от источника переменного напряжения через индуктивно-емкостной преобразователь переменного напряжения в стабилизированный ток дополнительно снабжено ключом двусторонней проводимости, блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами снабжен дополнительным выходом, а батарея конденсаторов выполнена в виде ΕΤΗ, в котором батарея состоит из двух конденсаторов (секций НК), соединенных последовательно, и снабжена выводом средней точки, соединенной с клеммой входной диагонали упомянутого выпрямителя через вновь введенный ключ двусторонней проводимости, управляемый вход которого подключен к дополнительному выходу блока контроля напряжения и фазового управления тиристорами.

В СЭС ИН с ИВЭП, батарея ЕНЭЭ которого имеет одну или нечетное количество соединенных последовательно секций НК, батарею целесообразно выполнять из трех конденсаторов, два из которых, малой емкости, образуют ΕΤΗ, включенный параллельно основной секции (нечетному количеству секций). Такое выполнение батареи ЕНЭЭ позволяет повысить среднезарядное значение зарядной мощности в СЭС ИН с нечетным количеством секций НК.

Поставленная цель в устройстве по п. 4 формулы изобретения (схема по фиг. 3) достигается тем, в устройстве для заряда ЕНЭЭ от источника переменного напряжения через индуктивно-емкостной преобразователь переменного напряжения в стабилизированный ток емкостной накопитель электрической энергии выполнен в виде батареи из трех конденсаторов, образующих треугольник, в котором два конденсатора одинаковой емкости создают емкостной трансформатор напряжения, а вывод его средней точки соединен с одной из клемм входной диагонали выпрямителя через ключ двухсторонней проводимости.

Реализация способа по п. 1 формулы изобретения осуществляется при работе ИВЭП зарядных устройства по пп. 2, 3 и 4 формулы, выполненных по схемам фиг. 1, 3 и 5. Эта реализация в УЗ по схеме фиг. 1 заключается в следующем.

В ИВЭП с ЕНЭЭ, выполненном в виде батареи НК, образуемой конденсаторами 1, 1', 1'' и т.д., создается ряд каскадов, конденсаторы которых при их поочередном заряде соединяются через пары зарядно-развязывающих тиристоров 2 и 3, 2' и 3', 2'' и 3'' и т.д., а при разряде - последовательно через разрядные тиристоры 4,4',…, 4ⁿ. В этом ИВЭП при работе в зарядно-разрядном циклах, имеющем n каскадов умножения напряжения, каждый НК заряжается в соответствующем такте.

Первый каскад УЗ ИВЭП своим входом через тиристоры 2 и 3 подключен к положительной и отрицательной клеммам зарядного источника, а выход этого каскада - клеммы НК, образует вход второго каскада с конденсатором 1' и тиристорами 2' и 3'. Выход второго каскада служит входом следующего, третьего, каскада и далее - подобным образом.

Выходы верхних по схеме обкладок конденсаторов при их заряде имеют положительное, а нижних - отрицательное напряжение. Положительный вывод конденсатора каскада через разрядный тиристор 4 соединен с отрицательным выводом источника, а тиристор 4' второго каскада соединен с положительным выводом третьего каскада и отрицательным выводом своего второго каскада; аналогично включены разрядные тиристоры последующих каскадов.

Отрицательный вывод конденсатора 1ⁿ через тиристор 4ⁿ подключен к отрицательному выводу ИН 5, положительный электрод которой соединен с катодом первого тиристора 4 в точке его подключения к отрицательному выводу зарядного источника.

Работой ЗУ ИВЭП управляет блок контроля напряжений и управления разрядными ключами (БКНУРК) 6 (связи с НК и тиристорами на схеме не показаны). Этот блок открывает одновременно, при подключении конденсаторов к ИН, разрядные ключи - тиристоры 4…4ⁿ, а также управляет открытием пар зарядного и развязывающего тиристоров 2 и 3 первого каскада, затем - 2' и 3' второго каскада и далее. В состав этого блока обычно входят датчики тока, напряжения и формирования импульсов для открытия тиристоров, описанные в литературе.

Энергосберегающий заряд НК постоянным током характеризуется ростом зарядного напряжения и зарядной мощности . Если ЕНЭЭ образован из n секций НК, то, приняв постоянную времени секции равной единице τ=RC=1, а также считая зарядный ток равным единице, НК емкостью C (как показано на диаграмме фиг. 2, где ось абсцисс иллюстрирует относительное время, а ось ординат - относительное соотношение напряжение/мощность) будет заряжен до напряжения, равного 1, за время t=1, а до напряжения, равного 2 (показано пунктиром), за время t=2.

Заряд конденсатора емкостью 2С (то есть параллельно включенных двух секций 1 и 1') до U=1 длится вдвое дольше, а 3С; 4С и далее продолжается соответственно за время: 3t, 4t и т.д. Понятно, что заряд всех секций одновременно, как это производится в базовом объекте-прототипе, до напряжения, равного единице, характеризуется среднезарядной мощностью, равной Р_зср=0,5, т.е. мощность источника вдвое превышает среднезарядную.

В ЗУ по схеме фиг. 1 величину зарядной емкости увеличивают путем поочередного подключения второй и последующих секций по мере увеличения напряжения первой секции до заданного значения, то есть устройство питает ИН при работе в циклическом режиме с циклическим потактным увеличением зарядной емкости батареи накопителей.

В первом такте заряда батареи ЕНЭЭ по сигналам блока 6 открывается тиристоры 2 и 3 и НК 1 заряжается до заданного значения напряжения. Среднезарядная мощность (СМ) в этом такте равна 0,5. Сигналами блока 6 открываются тиристоры 2' и 3', и при открытых тиристорах 2 и 3 НК 1 передает энергию в НК 1', а напряжение заряда снижается вдвое, и поэтому дозаряд конденсатора (сплошная прямая на диаграмме фиг. 2) удвоенной емкостью производится от 0,5 U до U=1 со СМ 0,75 и в конце этого такта СМ за удвоенное время имеет значение 0,625.

В следующем такте при открытых тиристорах 2,3 и 2',3' открывается тиристоры 2'' и 3'': батарея емкостью 3С будет подзаряжаться от напряжения 0, (6) ДО U=1 со СМ 0,832.

В третьем такте осуществляется подзаряд конденсаторов 1,1' и 1'' от напряжения 0, (6)U до U=1 со СМ за такт 0,832 и 0,693 за три такта. Аналогично ЗУ работает в режиме дозаряда батареи НК и при увеличении ее емкости на единицу с ростом СМ в четвертом такте до 0,875 (соответственно за четыре такта - 0,74). Чем больше каскадов в батарее - соответственно увеличивается количество тактов, повысится значение СМ, стремящегося к единице, а также напряжения, подаваемого на ИН.

Энергосберегающий способ заряда ЕНЭЭ током неизменного значения характеризуется КПД , где Τ - длительность цикла заряда, а τ=RС - постоянная времени зарядной цепи, состоящей из n НК. Этот КПД возрастает по мере увеличения зарядного напряжения в каждом такте зарядного цикла и при T>>RC стремится к 100%. Так как τ₁=RC имеет весьма малое значение, КПД уже в первом такте характеризуется достаточно высоким значением, и при последующих дозарядах батареи НК этот коэффициент повышается.

Использование управляемых вентилей-тиристоров в каскадах выпрямителя-умножителя напряжения (осуществляющих поэтапное увеличение емкости НК, а соответственно и увеличение СМ) и в качестве разрядных ключей (срабатывающих практически одновременно - вместо поэтапного пробоя разрядников) обеспечивает существенное уменьшение потерь мощности/энергии в цикле заряда и улучшения удельных энергетических показателей ИВЭП в целом.

Таким образом, из анализа работы УЗ НК по схеме фиг. 1 следует, что заряд батареи производят в начале при минимальной емкости НК и емкость упомянутой батареи увеличивают по мере повышения напряжения на ее секциях. Использование в качестве сопротивлений каскадов и разрядных ключей тиристоров позволяет интенсифицировать процесс заряда батареи конденсаторов в цикле заряда накопителя и увеличить среднезарядную мощность в зависимости от количества каскадов умножения напряжения. Так, при использовании двух каскадов значение среднезарядной мощности равно 0,625 (увеличение по сравнению с прототипом на 25%), при трех каскадах - 0,693 (38%), при четырех каскадах - 0,793 (47,5%). При увеличении числа каскадов/тактов КПД и СМ устремляются к единице, что улучшает удельные энергетические характеристики УЗ ИВЭП с ЕНЭЭ и СЭС ИН в целом.

Рассмотренный режим питания ИН «по готовности», характерный для абсолютного большинства СЭС ИН, в случае когда эта система требует защиты от возможного перезаряда батареи ЕНЭЭ, может быть дополнена защитой в виде симистора или пары тиристоров, соединенных параллельно-встречно, и закорачивающей вход выпрямителя. Такая защита детально описана в технической литературе.

Вариантами батарей УЗ НК ИВЭП, реализующего способ питания ИН по п. 1 формулы изобретения, служат устройства по схемам фиг. 3 и 5, в которых емкостной накопитель 10 выполнен в виде емкостного трансформатора напряжения (ΕΤΗ), НК которой соединены последовательно (и даже имеют одну секцию) и заряжаются одновременно.

Вентили-тиристоры 2,3 и 2',3', соединены по мостовой схеме, выходная диагональ которой соединена с емкостным накопителем 10, а входная - через индуктивно-емкостной преобразователь (ИЕП) источника напряжения в источник тока (ИН-ИТ) 8 - к источнику электрической энергии переменного напряжения 7. Батарея 10 - ΕΤΗ, конденсаторы 1 и 1' которого соединены друг с другом последовательно, а точка их соединения через ключ двухсторонней проводимости (КДП) 9 соединена с клеммой входной диагонали выпрямителя. Для управления этим КДП блок 6 снабжен дополнительным выходом. Управление работой ИВЭП осуществляется его БКНУРК 6. Схема ИЕП ИН-ИТ подробно описана в литературе [4], а в [3] представлено более 100 вариантов одно- и трехфазных ИЕП.

Если в УЗ по схеме фиг. 3 конденсаторы 1 и 1' имеют условную емкость C=2, батарея ΕΤΗ характеризуется эквивалентной емкостью C=1. Положим, что напряжение в конце зарядного цикла должно быть равным двум U=2.

На диаграммах фиг. 4 показано, что при постоянном зарядном токе I₃=1 за условное время, равное t=1, этот ЕНЭЭ зарядится до U=1 со СМ, равной 0,5 (сплошная линия), а за t=2 - до U=2 (пунктирная линия), при этом СМ будет равна 1.

В начале каждого зарядного цикла ключ 9 разомкнут и батарея ΕΤΗ 10 заряжается единичным током от ИЕП через вентили, управляемые блоком 6 до напряжения U=1, а по достижении этого напряжения сигналами от дополнительного входа блока 6 замыкается КДП 9 (при напряжении на НК 1 и 1', равном U=0,5) по цепи: 8-2-1-9-8 в одних полупериодах дозаряжается НК 1, а по цепи: 8-9-1'-2'-8 в других полупериодах осуществляется дозаряд НК 1'. Так как заряжаемая емкость батареи НК при этом дозаряде увеличится в четыре раза, дозаряд этой батареи осуществляется от 0,5 U до U=1 по прямой, параллельной зарядной прямой 4С, и завершается за время t=3 со СМ, равной 0,75, в результате чего СМ за цикл заряда имеет значение 0, (6)≈0,67 при U=2.

По завершении заряда батареи последняя подключается к ИН, происходит формирование импульса тока большой мощности, а затем следующий зарядный цикл ЕНЭЭ.

Следовательно, реализация способа питания ИН с энергосберегающим зарядом батареи НК, выполненной в виде ΕΤΗ, в начале цикла с C=1 до напряжения, равного половине заданного значения, и увеличения зарядной емкости в четыре раза с дозарядом секций батареи до U=1, а батареи соответственно до U=2, обеспечивает повышение СМ зарядного источника, его удешевление и улучшение удельных энергетических показателей ИВЭП, обеспечивающего питание ИН.

В ИВЭП с зарядом ЕНЭЭ, состоящего из одной или нескольких секций НК, соединенных последовательно при нечетном их количестве, когда батарея не может быть явно выполнена в виде ΕΤΗ, целесообразно поступиться простотой выполнения батареи при увеличении ее емкости за счет параллельного соединения отдельных НК, и, учитывая, что удельная масса конденсаторов существенно меньше удельной массы источников электрической энергии и трансформаторов, ЕНЭЭ целесообразно выполнять по схеме фиг. 5 в виде батареи 10 из трех конденсаторов, образующих равнобедренный треугольник, в котором два конденсатора 1' и 1'' имеют одинаковую емкость и образуют ΕΤΗ, вывод средней точки которого через КДП 9 подключен к одной из клемм входной диагонали выпрямителя.

В этом УЗ ЕНЭЭ, подобно устройству по схеме фиг. 3, при замкнутом КДП 9 в начале зарядного цикла по цепям: 5-2-1''-9-5 и 5-9-1'-3-5 осуществляется заряд НК 1'' и 1', часть заряда которых перетекает в НК 1, шунтирующий этот ΕΤΗ, в результате чего конденсаторы 1' и 1'' частично подразряжаются, а затем заряжаются, имея малую емкость, в результате чего напряжение на них растет быстрее, чем при заряде всей батареи от тиристоров 2,3 и 2',3' при разомкнутом КПД 9. Если ключ разомкнуть, зарядная емкость увеличится и будет осуществляется заряд всех трех НК одновременно, как и в УЗ по схеме фиг. 3.

При необходимости повысить напряжения заряда батареи НК ключ 9 замыкают и по рассмотренным выше цепям ΕΤΗ повышает напряжение всей батареи. Выбор моментов коммутации КДП 9 определяется соотношением емкостей 1,1' и 1'' и требуемым напряжением батареи.

Таким образом, анализ работы УЗ ЕНЭЭ, выполненного по схеме фиг. 3 (п. 3 формулы изобретения) показывает, что в этом устройстве заряд батареи производят при минимальной емкости и емкость батареи увеличивают по мере повышения напряжения на ее секциях, значение среднезарядной мощности равно 0,693 (увеличение по сравнению с прототипом на 38%). Это улучшает удельные энергетические характеристики УЗ ИВЭП с ЕНЭЭ и СЭС ИН в целом. Реализация способа по п. 1 формулы изобретения при работе зарядного устройства, выполненного по схеме фиг. 3, предназначена для схем, в которых необходимо заряжать нечетное количество накопителей.

Новизна предложения не следует явным образом из известного уровня техники, обеспечивает изобретательский уровень данных изобретений, которые могут быть использованы для «медленного» заряда ЕНЭЭ генераторов мощных импульсов, применяемых для питания оптических квантовых генераторов, импульсных электрореактивных двигателей, устройств экспериментальной физики и т.п.

Таким образом, в способе питания импульсной нагрузки от источника переменного напряжения с использованием заряда батареи емкостных накопителей электрической энергии и выпрямителя, заключающемся в заряде секций батареи выпрямленным током источника, например, с преобразованием неизменного напряжения источника в стабилизированный зарядный ток и разряде батареи при достижении заданного значения напряжения на секциях батареи при суммировании этих напряжений на сопротивлении нагрузки, при условии выполнения начального заряда батареи НК при минимальной емкости и когда емкость упомянутой батареи увеличивают по мере повышения напряжения на ее секциях, это позволяет улучшить удельные энергетические показатели зарядных устройств.

Источники информации

1. Пентегов И.В. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии. - Киев: Наукова думка, 1982. - 420 с.

2. Кремнев В.В. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике / Г.А. Месяц, В.В. Кремнев. - Новосибирск: Наука, 1987. - 225 с.

3. Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. - М.: Сов. Радио, 1974. - 250 с.

4. Блум Хансиохаким. Схемотехника и применение мощных импульсных устройств: пер. с англ. - М.: Додэка-ХХI, 2008. - 352 с. - (Серия «Силовая электроника»).

5. Булатов О.Г. Тиристорные схемы включения высокоинтенсивных источников света / О.Г. Булатов, B.C. Иванов, Д.И. Панфилов. - М.: Энергия, 1975. - 176 с.

6. Волков И.В. Принципы построения и оптимизации схем индуктивно-емкостных преобразователей / И.В. Волков, В.Н. Губаревич, В.Н. Исаков, В.П. Кабан. - Киев: Наукова думка, 1981. - 176 с.

7. Системы неизменного тока на основе индуктивно-емкостных преобразователей / А.Н. Милях, И.В. Волков. - Киев: Наукова думка, 1974. - 216 с.

8. Марченко А.Н. Управляемые полупроводниковые резисторы. - Киев: Наукова думка, 1981. - 176 с.

Изобретение относится к способам и устройствам заряда батарей емкостных накопителей электрической энергии в виде конденсаторов, ионисторов и т.п., широко используемых в импульсной технике, при их заряде от источника переменного тока, в том числе ограниченной мощности. Технический результат - улучшение удельных энергетических показателей (среднего значения зарядной мощности и КПД) зарядных устройств - достигается за счет того, что начальный заряд батареи производят при минимальной емкости накопителя и емкость батареи емкостного накопителя электрической энергии увеличивают по мере повышения напряжения на ее секциях. Предложены варианты схемотехнических решений устройства для реализации заявленного способа. В первом варианте устройства технический результат достигается за счет использования тиристоров в качестве токоограничивающего и развязывающих сопротивлений каскадов и разрядных ключей. Во втором варианте устройства технический результат достигается за счет включения ключа двусторонней проводимости между выпрямителем и средней точкой батареи конденсаторов, выполненной в виде емкостного трансформатора. В третьем варианте устройства технический результат достигается за счет выполнения емкостного накопителя электрической энергии в виде трех конденсаторов, образующих треугольник, в котором два конденсатора одинаковой емкости создают емкостной трансформатор напряжения, а вывод его средней точки соединен с одной из клемм входной диагонали выпрямителя через ключ двухсторонней проводимости. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ питания импульсной нагрузки от источника переменного напряжения с использованием заряда батареи емкостных накопителей электрической энергии и выпрямителя, заключающийся в заряде секций батареи выпрямленным током источника с преобразованием неизменного напряжения источника в стабилизированный зарядный ток и разряде батареи при достижении заданного значения напряжения на секциях батареи - при суммировании этих напряжений на сопротивлении нагрузки, отличающееся тем, что начальный заряд батареи производят при минимальной емкости и емкость упомянутой батареи увеличивают по мере повышения напряжения на ее секциях.

2. Устройство для заряда батареи емкостных накопителей электрической энергии, содержащее включенные параллельно-последовательно два и более каскадов умножения напряжения, в каждом из которых выводы конденсатора подключены через сопротивления в первом каскаде к положительному и отрицательному выводам источника зарядного тока, а в последующих - к выводам конденсатора предыдущего каскада, разрядные управляемые ключи, соединяющие разнополярные выводы конденсаторов смежных каскадов и свободного вывода последнего каскада с одним выводом сопротивления нагрузки, второй вывод которого подключен к точке соединения другого вывода нагрузки с отрицательным выводом источника зарядного тока и одним выводом разрядного ключа первого каскада, а также блок контроля напряжений и управления разрядными ключами, отличающееся тем, что в качестве сопротивлений каскадов и разрядных ключей применены тиристоры, блок контроля напряжений и управления разрядными ключами снабжен парами выходных выводов по количеству вновь введенных тиристоров, анод первого зарядного тиристора первого каскада подключен к положительному выводу зарядного источника, а катод - к анодам первого зарядного тиристора второго каскада и зарядного ключа первого каскада, при этом зарядные тиристоры второго и последующих каскадом умножения напряжений включены в электрические цепи последовательно-согласно друг с другом и их катоды и аноды соединены непосредственно, а тиристоры разрядных ключей соединены друг с другом последовательно-согласно через конденсаторы упомянутых каскадов.

3. Устройство для заряда емкостного накопителя электрической энергии, содержащее батарею из конденсаторов, подключенную к выходной диагонали мостового управляемого выпрямителя на тиристорах, блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами, входная диагональ выпрямителя подключена к источнику переменного напряжения через индуктивно-емкостной преобразователь переменного напряжения в стабилизированный ток, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено ключом двусторонней проводимости, блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами снабжен дополнительным выходом, а батарея конденсаторов выполнена в виде емкостного делителя-трансформатора, в котором батарея состоит из двух конденсаторов, соединенных последовательно, и снабжена выводом средней точки, соединенной с клеммой входной диагонали упомянутого выпрямителя через вновь введенный ключ двусторонней проводимости, управляемый вход которого подключен к дополнительному выходу блока контроля напряжения и фазового управления тиристорами.

4. Устройство для заряда емкостного накопителя электрической энергии по п. 3, отличающееся тем, что емкостной накопитель электрической энергии выполнен в виде трех конденсаторов, образующих треугольник, в котором два конденсатора одинаковой емкости создают емкостной делитель-трансформатор напряжения, вывод средней точки которого соединен с одной из клемм входной диагонали выпрямителя через ключ двухсторонней проводимости.