Устройство для зарядки накопительного конденсатора Советский патент 1983 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах импульсного питания мощных электроэнергетических установок .

Известно устройство для зарядки накопительного конденсатора,которое содержит трансформатор с несколькими вторичными обмотками, нагруженными на выпрямитель, причем эти выпрямители через транзисторные к.лючи соединены по выходу последовательно. Регулировка выходного напряжения происходит последовательным замыканием транзисторных ключей, осуществлякндих подключение соответствующего выпрямителя к зарядному контуру. Сигнал на включение транзисторов подается с соответствующего компаратора при заряде емкостного накопителя до определенного уровня. При этом на каждой ступени осуществляется режим постоянной потребляемой мощности за счет управления транзисторов преобразователя сигналом с выхода источника тока I.

Недостатком устройства является наличие рауз в зарядном токе при изменении начального напряжения на накопительном конденсаторе и частоты следования разрядных импульсов, что приводит к снижению КПД. . .

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для зарядки накопительного конденсатора, содержащее источник питания постоянного напряжения, N транзисторных, преобразователей напряжения, первые силовые входы кото10рых подключены к одной из клемм источника питания, а их трансформаторные выходы подключены ко входам N мостовых выпрямителей, выходы которых соединены в последовательно15согласную цепь и через датчик зарядного тока подсоединены к обкладкам емкостного накопителя, задающий генератор, выход которого соединен с первым входом блока управления тран20зисторными преобразователями напряжения, выходы которого соединены с базами транзисторов транзисторных преобразователей напряжения, а второй вход блока управления транзис25торными преобразователями напряжения соединен с выходом блока управления ступенями, вход которого соединен с выходом датчика напряжения, а последний подключен параллельно накопи30тельному конденсатору, блок управленИя зарядным процессом, вход которого соединен с выходом датчика зарядного тока, а выход с третьим вхо дом блока управления транзисторными преобразователями напряжения, датчик потребляемого тока, через который к другому выходному зажиму источника питания подключены другие однополярные входы транзисторных преобразователей напряжения, причем выход датчика потребляемого тока соединен со вторым входом блока управления зарядным процессом. При этом блок управления зарядны процессом содержит два компаратора входы которых соединены с датчиками потребляемого и зарядного токов соответственно, а выходы - со входами амплитудного селектора, выход которого соединен со входом усилителя постоянного тока, причем выход уси лителя постоянного тока является . выходом блока управления зарядным процессом. Устройство позволяет осуществить сложный режим заряда емкостного накопителя, при котором (в самом общем случае) до некоторой ступени поддерживается неизменным зарядный ток, а затем потребляемая мощность 2. Недостатком устройства является наличи.е в цепях источника питания и Зарядного контура датчиков потреб ляемого и зарядного токов соответственно, что уменьшает КПД устройства . Кроме того, величина зарядного тока на каждой ступени задается перед началом работы устройства и затем в процессе зарядного цикла корректироваться не может. Однако в реальном устройстве в процессе его работы мэняется ряд параметров: начальное напряжение на накопителе, частота его работы (или, что то же самое, период зарядки T-j) , характеристики элементов устройства (при изменениях температуры) и т.д. Рассмотренные факторы приводят к ряду нежелательных моментов. Так, например, заряд накопителя при наличии начального напряжения на нем, отлич ного от расчетного, будет приводить либо к появлению паузы в кривой зарядного тока в конце зарядного цикла при превышении действительног начального напряжения над расчетным либо к недозаряду накопителя при превышении расчетного значения над действительным. К появлению паузы в кривой тока приводит и изменение конечного н.апряжения на накопителе при необходимости его регулирования Наличие паузы в кривой тока приводи к снижению КПД устройства или к недозарядке накопительного конденсатора . Дель изобретения - повышение КПД и обеспечение стабилизации зарядного процесса при изменениях начального и конечного напряжений на накопителе и его рабочей частоты. Поставленная цель достигается тем, что устройство для зарядки накопительного конденсатора, содержащее источник питания постоянного напряжения, N транзисторных преобразователей .напряжения, первые силовые входы которых соединены с одной из клемм источника питания, а их трансформаторные выходы подключены ко Входам N мостовых выпрямителей, выходы которых соединены в последовательно-согласную цепь, один из выходов которой соединен с одной из обкладок накопительного конденсатора, задающий генератор, выход которого соединен с первым входом блока управления транзисторными преобразователями напряжения, выходы которого соединены с управляющимивходами транзисторных преобразователей напряжения, а второй вход блока управления транзисторными преобразователями напряжения соединен с выходом блока управления зарядным процессом, блок управления ступенями, вход которого соединен с вьисодом датчика напряжения, который включен параллельно накопительному конденсатору, содержит датчик времени, а блок управления зарядным процессом содержит блок вычисления зарядного тока, выход которого соединен с первым входом блока согласования с внешними устройствами, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом блока управления ступенями и выходом датчика времени, а первый, второй и третий выходы блока согласования с внешними устройствами соединены соответственно со входом блока вычисления зарядного тока, вторым входом блока управления транзисторными преобразователями напряжения и входом датчика времени, причем вторые силовые входы транзисторных преобразователей напряжения подключены к другому выходному зажиму источника питания, а другой выход последовательно согласной цепи из N мостовых выпрямителей соединен с другой обкладкой накопительного конденсатора. На чертеже представлена функциональная схема устройства. В ус-тройстве величина зарядного тока на каждой ступени рассчитьтается по формулам, соответствующим выбpaHHoi.iy режиму заряда с учетом времени, оставшегося до окончания зарядного цикла и номера текущей ступени. Учет этих величин позволяет стабилизировать зарядный процесс при изменениях начального и конечного напряжений на накопительном конденсаторе и его рабочей частоты При доказательстве данного утвержд ния принимаются следующие допущени напряжение источника питания постоянно; напряжение на выходе заряд ного устройства имеет ступенчатую форму с равными ступенями (величин каждой ступени равна ДО); момент формирования последующей ступени определяется в момент равенства на ряжения на накопительном конденсаторе напряжения ступени; величина тока на интервале ступени не изменяется. Вывод соотношений производят дл случая комбинированного режима зар да, когда заряд может начинаться с Е-й ступени выходного напряжения З из области стабилизации зарядного тока, а переход от режима стабили ции зарядного тока к режиму стабил зации мощности осуществляется на т-й ступени. Длительности ступене для режима постоянного тока и пос тоянной мощности определяются выр жениями Т -ЛУс . режим стабилизации тока -, лис е UD - :г. режим стабилизации мощности, где С - емкость накопительного к денсатора; - зарядный ток на В-и сту пени; Т, - длительность первой ступ ни . Время, оставшееся для заряда после воздействия Р -1 ступеней, т.е. для 8-й и последующих ступе V-t (и) Т - --Т,, (м-еи. mVvi-2gvn-t-m -Vi 1 е)-т. 1 Ini где t - текущее время, т.е. время прошедшее от начала заряд го цикла до начала формир вания текущей ступени. 1т (T-b-i ) откуда %y,,ni-ie Тогда из (1) и (2) с учетом (3 получаем AUc(.m-2.em) е (Тг-Ч) в режиме стабилизации зарядного т ка (О е «: т) ; лис, ( +vi п + VM- IPvTi) -в (T,,-t) в режиме- стабилизации мощности (т 6 S п) . Из выражений (4) и (5) видно, что зарядный ток на любой ступени зависит от номера текущей ступени 6 и времени, оставшегося до окончания зарядного цикла t. Это значит, что при изменении начального напряжения на накопителе (а значит и величины начальной ступени, которой соответствует начальный номер ступени 20), при изменении конечного напряжения (а следовательно,и числа ступеней п), а также при изменении рабочей частоты (а .следовательно, и Тз) определение зарядного тока по (4)и (5) обеспечивает автоматическую стабилизацию тока с учетом этих изменений. В случае начала зарядки с любого начального напряжения UQ (что соответствует начальной ступени Q ) расчет зарядного тока по (4) или (5) позволяет автоматически обеспечить выбранный режим на всех последующих ступенях. Важно отметить, что в зтом случае расчет значения тока на вновь включенной ступени по (4) и (5)позволяет автоматически стабилизировать режим заряда накопителя на каждой ступени, если по какой|либо причине на предыдущих ступенях заряда возникла ошибка в законе заряда накопителя. На каждой вновь включаемой ступени ошибка будет сводиться к нулю за счет выбора величины зарядного тока. Устройство содержит источник 1 питания, подключенные к нему транзисторные преобразователи 2-1,2-2,.. . . . ,2-N напряжения, мостовые выпрямители 3-1,3-2,...,3-N, включенные последовательно, задающий генератор 4, блок 5 управления транзисторными преобразователями напряжения, блок 6 управления ступенями, накопительный конденсатор 7, датчик 8 напряжения, блок управления зарядным процессом, в состав которого входят блок 9 вычисления зарядного тока и блок 10 согласования с внешними устройствами, датчик 11 времени. При зтом блок 9 вычисления зарядного тока может быть выполнен на элементах жесткой логики как специализированный вычислитель, способный выполнять действия, предусмотренные выражениями (4) и (5), либо может быть построен на базе микропроцессорного набора, с возможностью вычисления (4) и (5) с помощью программы. Блок 10 согласования с внешними устройствами в последнем случае представляет собой блок, осуществляющий согласование микро-ЭВМ с блоком управления ступенями с помощьк стандартных регистров и блоком управления транзисторными преобразователями напряжения с помощьк стандартных регистров и цифроаналогового преобразователя. Кроме того блок осуществляет ввод в вычислитель данных о частоте работы устрой ства j- конечном напряжении на накопителе, величине емкости накопителя-, величине ступени и номере ступе ни m посредством вводов, построенных на стандартных регистрах. Датчик, времени, представляющий двоичный счетчик, может быть реализован на любой микросхеме, согласование которой с микро-ЭВМ не требуе д(±1олнительных устройств. Устройство работает следующим образом. Формирование ступеней выходного напряжения в данном устройстве происходит аналогично тому, как и в прототипе. При этом в-момент формирования очередной ступени (по сигналу с выхода блока б управления ступенями)на блок 9 вычисления зарядного тока через блок 10 согласования с внешними устройствами посту пает информация о Текущем моменте времени и номере текущей ступени с датчика 11 времени и блока б управления ступенями соответственно. Далее устройство вьочисления зарядного тока определяет величину тока на данной ступени по выражениям (4) или (5) и вЕЗдает соответствующи управляющий сигнал на блок управления транзисторными преобразователям напряжения, который, воздействуя на преобразователи, обеспечивает не обходимую величину тока. До окончания процесса вычисления зарядный то поддерживается равным значению на предыдущей ступени. Формула изобретения Устройство ддя зарядки накопительного конденсатора, содержащее источник питания постоянного напряжения, транзисторных преобразоват лей напряжения, первые силовые вход которых соединены с одной из клемм источника питания, а их трансформаторные выходы подключены к входам N .мостовых выпрямителей, выходы которых соединены в последовательно-сог ласную цепь, один из выходов которой соединен с одной из обкладок накопительного конденсатора, задающий генератор, выход которого соединен с первым входом блока управления транзисторными преобразователями напряжения, выходы которого соединены с управляющими входами транзисторных преобразователей напряжения, а второй вход блока управления транзисторными преобразователями напряжения соединен с выходом блока управления зарядным процессом, блок управления ступенями, вход которого соединен с выходом датчика напряжения, который включен параллельно накопительному конденсатору, о тличающееся тем, что, с целью повышения КПД устройства и обеспечения стабилизации зарядного процесса при изменениях начального и конечного напряжений на накопителе и его рабочей частоты, оно содержит датчик времени, а блок управления зарядным процессом содержит блок вычисления зарядного тока/ выход которого соединен с первьгм входом блока согласования с внешними устройствами, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом блока управления ступенями и вьаходом датчика .времени, а первый, второй и третий выходы блока согласования с внешними устройствами соединены соответственно с входом блока вычисления зарядного тока, вторым входом блока управления транзисторными преобразователями напряжения и входом датчика времени, причем вторые силовые вх(дДы транзисторных преобразователей/напряжения подключены к другому выходному зажиму :источника питания, а другой выход последовательно- согласной цепи из N мостовых выпрямителей соединен с другой обкладкой накопительного конденсатора. Источники информации, 1(ринятые во внимание при экспертизе 1.Патент США ft 3750005,кл.321-18, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР № 813723, кл. Н 03 К 3/53, 1981 (прототип).