Устройство для заряда накопительного конденсатора Советский патент 1988 года по МПК H03K3/53 

о ел

Изобретение относится к импульсно технике и может быть использовано в системах питания импульсных потребителей электрической энергии. Цель изобретения - улучшение уделных энергетических показателей путем увеличения скорости передачи энергии источника в накопительный конденсатор за счет увеличения коэффициента умножения напряжения.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема устройства; на фиг. 2 - эпюры, поясняющие работу устройства; на фиг. 3-11 - фрагменты цепей заряда - разряда конденсаторов

Устройство для заряда накопительного конденсатора содержит источник переменного тока с тремя выходными клеммами 1-3, первую 4 и вторую 5 вы- ходные шины, подключенные к накопительному конденсатору 6, перный конденсатор 7, первая обкладка которого соединена с первой выходной клеммой 1, а вторая обкладка через первый диод 8 - с второй выходной клеммой 2 второй диод 9, катод которого соединен с третьей выходной клеммой 3, третий ДИОД 10, катод которого соединен через второй конденсатор 11с второй выходной клеммой 2, четвертый диод 12, катод которого соединен с первой обкладкой третьего конденсатора 13, первый тиристор 14,анод которого соединен с первой обкладкой четвертого конденсатора 15, а управляющий электрод - с первым выходом блока 16 управления, второй тиристор 17, анод которого соединен с первой обкладкой пятого конденсатора 18,шестой 19, седьмой 20, восьмой 21 кон- денсаторы, третий 22, четвертый 23, пятый 24, шестой 25, седьмой 26,восьмой 27 тиристоры.

Шестой конденсатор 19 включен меж- ду первой выходной шиной 4 и объединенными анодом и катодом третьего 22 и четвертого 23 тиристоров, управляющие электроды которых подключены соответственно к вторым и третьим выходам блока 16 управления, а анод третьего тиристора 22 соединен с катодом второго диода 9, катод четвертого тиристора 23 - с катодом четвертого 12 и анодом второго 9 диодов, второй обкладкой пятого конденсатора 18, второй выходной шиной 5 и через седьмой конденсатор 20 - с объединенными ка- тодом-:.и анодом пятого 24 и шестого

ю

15

20 5 30 п

5 Q

5

25 тиристоров, управляющие электроды которых соединены с четвертым и пятым выходами блока 16 управления.

Катод пятого тиристора 24 соединен с второй выходной клеммой 2, анрд шестого - с второй обкладкой первого конденсатора 7, анодом третьего диода 10, с первой выходной шиной 4, второй обкладкой четвертого конденсатора 15, анод первого тиристора 14 соединен с катодом седьмого тиристора 26, управляющий электрод которого .соединен с шестым выходом блока 16 управления, анод - с катодом третьего диода 10, анодом восьмого тиристора 27, управляющий электрод которого соединен с седьмым выходом блока 16 управления, катод - с анодом второго тиристора 17, катод которого соединен с катодом первого тиристора 14, соединенным с анодом четвертого диода 12 и через восьмой конденсатор 21 - с третьей выходной клеммой 3. Вторая обкладка третьего конденсатора 13 соединена с первой выходной клеммой 1, анод третьего диода 10 соединен с второй обкладкой первого конденсатора 7, а три выходные клеммы 1-3 соединены соответственно с первым, вторым, третьим входом блока 16 управления,управляющий электрод второго тиристора 17- с восьмым выходом блока 16 управления.

Устройство работает следующим образом.

Для наглядности объяснения циклического изменения структурной схемы в процессе заряда конденсатора 6 от дельные временные интервалы иллюстрируются фрагментами схемы устройства (фиг. 3-11). Пр.инцип работы этого многоконтурного устройства для заряда заключается в следующем.

Источником электрической энерг.ии

для заряда накопительного конденса- тора служит трехфазный источник переменного тока, обмотки которого могут быть соединены по схеме треугольник, или звезда, напряжения на выходных клеммах 1-3 которого образуют трехфазную последовательность и сдвинуты друг относительно друга на 120 электрических градусов (фиг,2а).

Пусть в исходный момент времени линейное напряжение на клеммах 1 и 2 равно нулю и начинают возрастать по абсолютной величине, причем положительный потенциал приложен к клемме

2. При этом линейные напряжения на клеммах 3 и 1, 2 и 3 равны по абсоние на клеммах 3 нее

Конденсатор 7 возвращает энергию в источник током, измeняющи cя по закону синуса. Этот ток достигает своего максимального амплитудного значения через 90 эл. град, что соответствается разряженным. Далее процессы в вентильно-конденсаторных ячейках (фиг. 3,4) повторяются циклически.

и 1 имеет отрицатель-( в клеммах 2 и 3 - положительное значение.

Конденсатор 7 (фиг.3) при увеличении напряжения по закону синуса через диод 8 заряжается (током, убывающим ю вует 360 эл.град от выбранного начала по закону косинуса) до амплитуды линей- отсчета. Конденсатор 7 вновь оказы- ного напряжения на клеммах 1 и 2-.Этот заряд длится 90 эл. град, и завершается в момент времени, когда линейное напряжение на клеммах 1 и 2 достигнет 15 поэтому ток источника имеет непрерыв- своего амплитудного значения и.При ный характер и изменяется по гармони- этом диод 8 запирается и предотвраща- ческому закону. В результате этого ет разряд конденсатора 7 на источник. так называемая мощность искажений Затем напряжение источника убывает за период изменения тока равна нулю, по закону косинуса, при этом происхо- 20 что повышает коэффициент нспользова- дит изменение структуры системы заря- ния мощности источника. да и суммарное напряжение конденса- В вентильно-конденсаторных ячеи- тора 7 и клемм 1 и 2 начинает воз- ках, содержащих диод 9 и конденсатор растать,13, а также диод 12 и конденсатор 21,

Это напряжение прикладывается че- 5 протекают физические процессы, аналорез диод 10 к конденсатору 11 (фиг.4а) и, так как напряжение источника убывает от максимального значения до нуля, ток заряда конденсатора 11 в начале возрастает по закону синуса и через 90 эл. град, от выбранного начала заряда достигает своего максимального - амплитудного значения (фиг. 4,6). Конденсатор 7 при этом разрядится. Напряжение источника в это время станет равным нулю, а затем изменяет свой знак и начинает возрастать по закону синуса. Ток заряда этого конденсатора, убывающий по закону косинуса, ограничивается сопротивлением конденсатора 7, который в это время заряжается обратной полярностью (перезаряжается). Такая передача энергии источника в конденсатор 11 обеспечивает его заряд до напряжения, достигающего в максимуме значения, равного 2И,

После этого структура схемы устройства вновь изменяется, так как напряжением конденсатора 11 диод 10 запирается. Через 270 эл.град от выбранного начала отсчета напряжение источника (клемм 2 и 1) вновь начинает убывать по абсолютной величине по закону косинуса. Так как конденсатор 7 в пррце с.е его перезаряда был заряжен до Цщд , структура схемы устройства вновь изменяется - снова открывается диод 8 и протекает ток по цепи: клем30

35

гичные рассмотренным, но со сдвигом по фазе, равным 120 эл.град. (Цепи заряда конденсаторов этих ячеек показаны на фиг. 5 и 6).

В последующем происходит заряд ; конденсатора 18 под действием суммарного напряжения клемм 1 и 2; а также напряжений заряженных ранее конденсаторов 13 и 11 - через открытый тиристор 27 - при подаче сигнала на его управляющий электрод. При этом конденсатор 18 заряжается до учетверенного значения амплитуды линейного напряжения (фиг. 7). По окончании заря- Q да конденсатора 18 тиристор 27 запирается естественным путем - самопогасает.

Аналогично конденсатор 15 (фиг.8) под действием суммарного напряжения

45 клемм 1 и 3 и напряжения конденсаторов 7 и 21 через открытый тиристор 14 заряжается до учетверенного значения амплитуды линейного напряжения. После того, как завершится заряд

50 конденсатора 15 и тиристор 14 закроется (погаснет) естественным путем, блок 16 управления выдает сигнал на открытие тиристоров 23 и 26 и на,чи- нается заряд конденсатора 19 (фиг.9)

55 суммарным напряжением клемм 2 и 1 и предварительно заряженных конденсаторов 11, 13 и 15 по цепи: клемма 2 - конденсатор 11 - тиристор 26 - конденсатор. 15 - конденсатор 19 - тирисма 1 - фаз(1вые обмотки - клемма 2 - диод 8 - конденсатор 7 - клемма 1 (фиг. 3).

Конденсатор 7 возвращает энергию в источник током, измeняющи cя по закону синуса. Этот ток достигает своего максимального амплитудного значения через 90 эл. град, что соответствует 360 эл.град от выбранного начала отсчета. Конденсатор 7 вновь оказы- поэтому ток источника имеет непрерыв- ный характер и изменяется по гармони- ческому закону. В результате этого так называемая мощность искажений за период изменения тока равна нулю, что повышает коэффициент нспользова- ния мощности источника. В вентильно-конденсаторных ячеи- ках, содержащих диод 9 и конденсатор 13, а также диод 12 и конденсатор 21,

вается разряженным. Далее процессы в вентильно-конденсаторных ячейках (фиг. 3,4) повторяются циклически.

вует 360 эл.град от выбранного начала отсчета. Конденсатор 7 вновь оказы- поэтому ток источника имеет непрерыв- ный характер и изменяется по гармони- ческому закону. В результате этого так называемая мощность искажений за период изменения тока равна нулю, что повышает коэффициент нспользова- ния мощности источника. В вентильно-конденсаторных ячеи- ках, содержащих диод 9 и конденсатор 13, а также диод 12 и конденсатор 21,

5 протекают физические процессы, анало30

35

гичные рассмотренным, но со сдвигом по фазе, равным 120 эл.град. (Цепи заряда конденсаторов этих ячеек показаны на фиг. 5 и 6).

В последующем происходит заряд ; конденсатора 18 под действием суммарного напряжения клемм 1 и 2; а также напряжений заряженных ранее конденсаторов 13 и 11 - через открытый тиристор 27 - при подаче сигнала на его управляющий электрод. При этом конденсатор 18 заряжается до учетверенного значения амплитуды линейного напряжения (фиг. 7). По окончании заря- Q да конденсатора 18 тиристор 27 запирается естественным путем - самопогасает.

Аналогично конденсатор 15 (фиг.8) под действием суммарного напряжения

45 клемм 1 и 3 и напряжения конденсаторов 7 и 21 через открытый тиристор 14 заряжается до учетверенного значения амплитуды линейного напряжения. После того, как завершится заряд

50 конденсатора 15 и тиристор 14 закроется (погаснет) естественным путем, блок 16 управления выдает сигнал на открытие тиристоров 23 и 26 и на,чи- нается заряд конденсатора 19 (фиг.9)

55 суммарным напряжением клемм 2 и 1 и предварительно заряженных конденсаторов 11, 13 и 15 по цепи: клемма 2 - конденсатор 11 - тиристор 26 - конденсатор. 15 - конденсатор 19 - тирис514

тор 23 - конденсатор 13 - клемма 1. При этом конденсатор 19 может быть заряженным до восьмикратного значения амплитуды линейного напряжения,

Со сдвигом по фазе блоком 16 управления вьщаются управляющие импульсы на тиристоры 17 и 25. После этого начинается процесс заряда конденсатора 20 (фи-г. 10) по цепи: клемма 1 - конденсатор 7 - тиристор 25 - конденсатор 20 - конденсатор 18 - тиристор 17 - конденсатор 21 - клемма 3. При этом к конденсатору 20 прикладывается суммарное напряжение заряженньрс ранее конденсаторов 7, 18 и 21, а также клемм 1-3. Вследствие этого конденсатор 20 может быть заряженным до восьмикратного значения амплитуды линейного напряжения.

После завершения заряда конденса- торов 19 и 20 тиристоры 23, 26 ; 25 и 17 закрываются, а блок 16 управления подает сигналы .на открытие тиристоров 24 и 22, при этом вновь меняется структура зарядного контура (фиг. 11) и начинается заряд накопительного конденсатора, подключенного к шинам 4 и 5 по цепи: клемма 2 - тиристор 22 - конденсатор 19 - клемма 4 - накопи- тельный конденсатор 6 - шина 5. - конденсатор 20 - тиристор 24 - клемма 2. На накопительном конденсаторе суммируется напряжение клемм 3 и 2 и конденсаторов 19 и 20 И он через большое число периодов окажется заряженным до напряжения, значение которого в семнадцать раз превосходит амплитудное значение линейного напряжения источника.

В этой схеме осуществляется медленный (заряд емкостного накопителя электрической энергии. Поэтому емкост конденсаторов 7, 11 и 13, 21 должна быть меньше емкости конденсаторов 15 и 18, а их емкость меньше емкости : конденсаторов 19 и 20.

Принципиально это устройство может быть использовано и для так называемого быстрого заряда емкостного накопителя, т.е. для заряда за один или несколько периодов изменения тока трехфазного источники питания.

Для более подробного рассмотрения электромагнитных процессов в устройстве рассмотрим работу этого устрой- ства в режиме холостого хода.

Если как и ранее принять, что в i исходный момент времени линейное на

с

0 j 0

5 о

5

0

5

0

036

пряжение клемм 1 и 2 равно нулю и начинает возрастать по абсолютной величине, причем положителbHbrfi потенциал приложен к клемме 2. При этом линейные напряжения на клеммах 3 и 1 - 3 равны по абсолютной величине, но линейное напряжение на клеммах 3 и 1 имеет отрицательное, а на клеммах 2 и 3 - положительное значение.

Через 90 эл.град под действием приложенного линейного напряжения клемм 1 и 2 через диод 8 по цепи клемма 2 - диод 8 - конденсатбр 7 - клемма 1 до линейного напряжения зарядится конденсатор 7.

Через 90 эл. град, когда линейное напряжение клемм 1 и 2 начинает убы- вать, а суммарное напряжение клемм 1 и. 2 и конденсатора 7 возрастать,изменяется структура устройства и начинается заряр; конденсатора 11 nq депи клемма 1 - конденсатор 7 - диод 10 - конденсатор 11 - клемма 2. Заряд конденсатора 1 1 длится 180 эл.град. и заканчивается, через 270 эл.град от начала отсчета. При этом конденсатор

11заряжается до напряжения,равного 2 и,.

Через 120 эл.град. от начала отсчета под действием-линейного Напряжения клемм 1 и 3 начинается заряд конденсатора 13 по цепи клемма 1 - конденсатор 13 - диод 9 - клемма. 3.

За четверть периода, т.е. через 210 эл.град. от начала отсчета, кон- денсатор 13 окажется заряженным до линейного напряжения клемм 1-3.

Через 210 , когда линейное напряжение клемм 1 и 3 начинает убывать, а суммарное напряжение клемм 1 и 3 и конденсатора 13 возрастать,изменяется структура устройства и начинается заряд конденсатора 21 по цепи клемма 3 - конденсатор 21 - диод

12- конденсатор 13 - клемма 1.Заряд конденсатора 21 длится 180 эл. град и заканчивается через 390 эл.град от начала отсчета. При этом конденсатор 21 зарядится до напряжения 2 .

Через 360 эл.град от начала отсчета продолжаются циклически процессы заряда первой вентштьно-конденсатор- ной ячейки. Кроме того, от блока 16 управления подается отпиракиций импульс на тиристор 27 (фиг. 26),- снова изменяется структура устройства и начинается заряд конденсатора 18 по цепи клемма 2 - конденсатор 11-. ти7

ристор 27 - конденсатор 18 - конденсатор 13 - клемма 1. Конденсатор 18 при этом зарядится до напряжения 4 и„ так как на нем происходит алгебраи- ческое суммирование напряжения клемм 1 и 2 и конденсаторов 11 и 13,

По мере заряда конденсатора 18 ток через него уменьшается и, когда он становится меньше тока удержания тиристора, последний закрывается.Это произойдет через 450 эл.град от начала отсчета. ,

Через 480 зл.град. от-начала отсчета продолжаются циклические про- ; цессы заряда третьей вентильно -кон- денсаторной ячейки. Кроме того , с блока 16 управления подается отпирающий импульс на тиристор 14, при зтом изменяется структура устройства и начи- нается заряд дозирующего конденсатора 15 по цепи клемма 1 - конденсатор 7 - конденсатор 15 - тиристор 14 - конденсатор 21 - клемма 3. Конденсатор 15 зарядится до напряжения U . так как на нем происходит алгебраическое суммирование напряжений клемм 1 и 3 и конденсаторов 7 и 21. Закрытие тиристора происходит естественным путем через 570 эл.град. от начала отсчета,

Через 720 эл.град от начала отсчета блок 16 управления подает импульсы на тиристоры 23 и 26 изменяется структура устройства и начинается заряд конденсатора 19 по цепи клемма 2 конденсатор 11 -г тиристор 26 - конденсатор 15 - конденсатор 19 - тиристор 23 - конденсатор 13 - клемма 1.

Конденсатор 19 зарядится до напряжения 8 и , так как на нем происходи суммирование напряжений клемм 2 и 1 и конденсаторов 11, 13 и 15, Закрытие тиристоров происходит естественным путем.

Через 840 эл.град от начала отсчета блок 16 управления подает отпирающие импульсы на тиристоры 25 и 17 и начинается заряд конденсатора 20 по цепи клемма 1 - конденсатор 7 - тиристор 25 - конденсатор 20 - конденсатор 18 - тиристор 17 конденсатор 21 - клемма 3. Конденсатор 20 зарядится до напряжения 8 U, так как на нем происходит суммирование напряжений клемм 1 и 3 и конденсаторов 7, 21 и 18. Закрытие этих тиристоров также происходит естественным путем.

Через 960 эл.град от начала отсчета блок 16 управления подает отпираю

8

импульсы на тиристоры 24 и 22 и

5 0 5 п

0

д

5

0

начинается заряд накопительного конденсатора 6 по цепи клемма 3 - тиристор 22 - конденсатор 9 - шина 4 - накопительный конденсатор 6 - шина 5 - конденсатор 20 - тиристор 24 - клемма 2. К накопительному конденсатору будет приложено напряжение 17 и, так как на нем происходит суммирование напряжений клемм 3 и 2 и конденсаторов 19 и 20. Закрытие тиристоров 24 и ,22,. происходит естественным путем, когда ток заряда накопительного конденсатора станет кеньше тока удержания

этих тиристоров-. i . .

Так как емкость накопительного конденсатора 6 намного больше емкости конденсаторов 19 и 20, то за один цикл напряжение на накопительном конденсаторе возрастает незначительно, а полный заряд его.происходит за большое число периодов изменения напряжения источника. Поэтому далее все процессы при установившемся режиме заряда будут в течении каждого периода повторяться циклически и накопительньп4 конденсатор 6 за много периодов зарядится до напряжения, в пределе равного 17 или 28 Vmtf где Un,a) - амплитуда фазового напря- жения.

Формула изобретения

Устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее источник переменного тока с тремя выходными клеммами, первую и вторую выходные шины, подключенные к накопительному - конденсатору, первый конденсатор,пер- вад обкладка которого соединена с пер-. 1вой выходной клеммой, а вторая обкладка через первьш диод - с второй выходной клеммой, второй диод, катод которого соединен с третьей выходной клеммой, третий диод, катод которого соединен через второй конденсатор с второй выходной клеммой, четвертый диод, катод которого соединен с первой обкладкой третьего конденсатора, первый тиристор, анод которого соединен с первой обкладкой четвертого . конденсатора,, а управляющий электрод- с первым выходом блока управления, второй тиристор, анод которого соединен с первой обкладкой пятого конденсатора, отличающееся тем, что, с целью улучшения удельных энёргетических показателен за счет увеличения скорости передачи энергии в накопительный конденсатор, в него введены с шестого по восьмой конден- саторы, с третьего по восьмой тиристоры, причем шестой конденсатор включен между первой выходной шиной и объединенными анодом и катодом третьего и четвертого тиристоров, управ- ляющие электроды которых подключены соответственно к вторым и третьим выходам блока управления, анод третьего тиристора соединен с катодом второго диода, а катод четвертого тиристора - с катодом четвертого и анодом втором диодов, второй обкладкой пятого конденсатора, второй выходной шиной, и через седьмой конденсатор - с объединенными катодом и анодом пятого и шестого, тиристоров, yпpaвляюш e электроды которых соединены с четвертым и пятым выходами блока управления, катод пятого тиристора соединен с второй выходной клеммой, анод шее- того - с второй обкладкой первого

конденсатора, анодом третьего диода, с первой выходной шиной, второй обкладкой четвертого конденсатора,анод первого тиристора соединен с катодом седьмого тиристора, управляющий электрод которого соединен с шестым выходом блока управления, анод - с катодом третьего диода, анодом восьмого тиристора, управляющий электрод кото- рого соединен с седьмым выходом блока управления, катод - с анодом второго тиристора, катод которого соединен с катодом первого тиристора, соединенным с анодом четвертого диода и через восьмой конденсатор - с третьей выходной клеммой, вторая обкладка третьего конденсатора соединена с первой выходной клеммой, анод третьего диода - с второй обкладкой первого конденсатора, а три выходные клеммы - соответственно с первым, вторым и третьим входами блока управления, управляющий электрод второго тиристора- с восьмым выходом блока управления .

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в системах питания импульсных потребителей электрической энергии. Цель изобретения - улучшение удельных энергетических показателей - достигается путем увеличения скорости передачи энергии источников в накопительный конденсатор за счет увеличения коэффициента умножения напряжения. Устройство содержит источник переменного тока с клеммами 1-3, вьп одные шины 4 и 5, накопительный конденсатор 6, конденсаторы 7, 11, 13,15,18- 21, диоды 8, 9,10 и 12, тиристоры 14, 7,22-27 и блок 16 управления. В описании изобретения приводятся фрагменты цепей заряда - разряда конденсаторов и эпюры, поясняющие работу устройства для заряда накопительного конденсатора. 11 ил. (Л с

I Ц.2 ЗТ и 2-3

I IIII

127 114 (J7 т,22

J 1 01 11

360 SO720 960

Фиё.2

uJt

Umn

Ф

Фи2.5

иг.6

f/ 2i/m

tZJ

1

18

ЧОтя

Фи9.7

572 d. 5 Ji

I «.

Wm/

0

23

f/..

t)

-2U

Ч i

21

Ю m/7 f2

Щ

9u9.8

7

)

f5

(тл

QUmjt

©21 n

j -t.lt-Vt/mjt

Фиг. 1й «

2«

id

)

/mr

«i/f /r

/.f/