Устройство для заряда емкостного накопителя электрической энергии Советский патент 1989 года по МПК H03K3/53 

8

. X-X.I

Јъ

00 СО

о

Сл

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных источниках энергии. Цель изобретения - улучшение удельных массогабаритных и энергетических показателей-достигается за счет уменьшения мощности несимметрии трехфазного источника переменного тока. Устройство содержит трехфазный источник переменного тока с выходными фазными клеммами 1, 2 и 3, токоограничивающие зарядные элементы, два из которых выполнены в виде токоограничивающих конденсаторов 4 и 5 и один-из индуктивного зарядного элемента на дросселе 6, две диодные цепочки, каждая из которых состоит из двух соединенных последовательно-согласовано диодов 7, 8 и 9, 10, емкостный накопитель 11 электрической энергии, дополнительный конденсатор 12. Емкостный накопитель 11 выполнен на конденсаторах 13 и 14. Зарядка емкостного накопителя продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет за много циклов изменения напряжения источника питания значения, равного 3 U_лт. 17 ил.

,.#Ј

шиг.1

74

N

Изобретение относится к импульсной технике, может быть использовано в качестве импульсных источников энергии и является усовершенствованием устройства по авт.св. № 790143.

Целью изобретения является улучшение удельных массогабаритных и энергетических показателей за счет уменьшения мощности несимметрии трехфазного источника переменного тока.

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема устройства; на фиг.2-10 - эпюра и эквивалентные схемы, поясняющие работу устройства; на фиг.11 - электрическая схема уст- ройства без токоограничивающего дросселя; на фиг.12-17 - эквивалентные схемы, поясняющие работу схемы устройства на фиг.11.

Устройство для заряда емкостного накопителя электрической энергии содержит трехфазный источник переменного тока с тремя выходными фазными клеммами 1-3, три токоограничи- Бающих зарядных элемента, два из которых выполнены в виде токоограничи- вающих конденсаторов 4 и 5, один индуктивный зарядный э шмент, выполненный в виде линейного дросселя 6, две диодные цепочки, каждая из которых состоит из двух соединенных последовательно-согласно диодов 7-10, причем точки соединения диодов в этих цепочках подключены через токоограни- чивающие конденсаторы 4 и 5 соответственно к двум выходным фазным клеммам 1 и 2 трехфазного источника переменного тока, при этом катод диода 8 первой цепочки подключен к одной, анод диода 10 второй цепочки к другой обкладкам емкостного накопителя 11 электрической энергии, а анод другого диода первой цепочки - к первому выводу обмотки линейного дрос- селя 6, дополнительный конденсатор 12, включенный между третьей выходной фазной клеммой 3 и первым выводом обмотки линейного дросселя 6.

Емкостной накопитель 11 выполнен на

конденсаторах 13 и 14.

При рассмотрении работы системы будем считать, что фазные (линейные) напряжения образуют трехфазную звезду и сдвинуты друг относительно дру- га на 120 эл.град. и все конденсаторы в исходном состоянии (до подачи напряжения) разряжены. Система заряда емкостного накопителя 11

5

О

1$

20

25 30 , о 5

0

5

электрической энергии из-ча наличия в ней нелинейных элементов (диодов 9, 10, 7, 8) и нелинейного во времени изменения противо-ЭДС выпрямителя, образованного этими диодами, характеризуется существенной нелинейностью. Анализ процессов, протекающих в системе, показывает, что ток источника, ограниченный конденсаторами и токоограничивающим линейным дросселем,частично идет в дозирующие, а частично в накопительный конденсаторы.

Передача энергии в системе осуществляется по шести каналам, из них три канала внутренние, через которые производится заряд двух последовательно соединенных конденсаторов линейным напряжением источника, а три канала внешние, через них производится заряд накопительного конденсатора суммарным напряжением двух последовательно включенных конденсаторов и линейным напряжением источника.

Внутренний и внешний каналы, питаемые от одной линии, работают во времени последовательно (один за другим) .

Каналы, питаемые от KJ емм 2-3: первый (внутренний) - клемма 3 - конденсатор 12 - диод 7 - конденсатор 4 - клеммы 2 и 3; второй (внешний) - клемма 2 - конденсатор 4 - диод 8 - конденсатор 13 - дроссель 6 - конденсатор 12 - клеммы 3 и 2.

Каналы, питаемые от клемм 3-1: третий (внутренний) - клемма 1 - конденсатор 5 - диод 9 - конденсатор 12 - клеммы 3 и 1; четвертый (внешний) - клемма 3 - конденсатор 12 - дроссель 6 - конденсатор 14 - диод 10 - конденсатор 5 - клеммы 1 и 3.

Каналы, питаемые от клемм 1-2: пятый (внутренний) - клемма 1 - конденсатор 5 - диоды 8 и 7 - конденсатор 4 - клеммы 2 и 1; шестой (внешний) - клемма 2 - конденсатор 4 - диод 8 - конденсаторы 13 и 14 - диод 10 - конденсатор 5- клеммы 1 и 2.

Пусть в исходный момент времени линейное напряжение клемм 2 и 3 будет равным нулю и в последующие моменты времени потенциал клеммы 3 будет превышать потенциал клеммы 2, а линейные напряжения клемм 3-1 и 2-1 одинаковы по своей величине (фиг.5) .

J 14

Рассмотрим процессы, протекающие в первом и втором каналах, питаемых линейным напряжением клемм 2 и 3. Так как потенциал клеммы 3 выше потенциала клеммы 2, то начнется заряд конденсаторов 4 и 12,(фиг.З). Поскольку напряжение источника, возрастая по величине, изменяется по за1 кону синуса, то ток заряда в указанной цепи будет изменяться по закону косинуса. Через 90 эл.град. от выбранного начала отсчета процесс заряда конденсаторов 4 и 12 закончится. Напряжение на каждом конденсаторе имеет значение U,,m/2, где U лт - амплитуда линейного напряжения источника. Начиная с этого момента времени (фиг.5) линейное напряжение клемм 3 и 2 убывает по закону косинуса, а суммарное напряжение конденсаторов 4 и 12 и клемм 3 и 2 возрастает.

При этом открывается диод 8 и начинается заряд конденсатора 13 по второму каналу (фиг.4). Ток заряда конденсатора 13 возрастает по нелинейному закону в интервале 90 - 270 эл.град. от выбранного начала отсчета. В это время происходит разряд конденсаторов 4 и 12, а затем их заряд обратной полярностью, т.е. перезаряд, за счет действия линейного напряжения клемм 2 и 3. Одновременно запасается энергия в дросселе 6. Когда ток заряда во втором канале начнет убывать, в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, которая будет поддерживать ток в цепи заряда конденсатора 13 (фиг.5). При этом ток заряда протекает даже тогда,когда суммарное напряжение клемм 2 и 3 и конденсаторов 4 и 12 станет меньше напряжения на конденсаторе 13.

Максимальная длительность тока заряда конденсатора 13 по этому каналу равна 180 эл. град. -Она посте- пенно (по мере заряда конденсатора 13) сокращается. Остальные 180 эл. град, энергия источника питания запасается в конденсаторе 4, заряжаемом через конденсатор 12. Заряд накопительного конденсатора в течение каждого периода изменения питающего напряжения продолжается до тех пор,пока суммарное напряжение конденсаторов 4 и 12 и клемм 2 и 3, а также напряжение на дросселе 6 не станет равным напряжению

83054

на накопительном конденсаторе. этот момент времени закрывается диод 8 (фиг.4 и 5).

Далее все процессы, протекающие в первом и втором каналах,повторяются циклически.

Со сдвигом на 120 эл. град, аналогично протекают процессы в третьем

10 (фиг.6) и четвертом (фиг.7,8) каналах, питаемых от клемм 3 и 1.

Передача энергии по пятому (фиг.9) и шестому (фиг.10) каналам производится от клемм 2 и 1 со сдвигом

15 на 240 эл.град.

Передача энергии источника в первом - четвертом каналах системы осуществляется через конденсатор 12, который ограничивая ток заряда на0 копительного конденсатора 14 по четвертому каналу, свою энергию в по-j следующем передает в конденсатор 4 при работе первого канала и, наоборот, при разряде конденсатора 4 по

25 второму каналу передает энергию в конденсатор 5 по третьему каналу. В начале каждого зарядного цикла конденсатор 12 перезаряжается в диапазоне до U Лса (от +U лт/2 до )

30 и тем самым ускоряет заряд конденсаторов 5 и 4 и соответственно накопительных конденсаторов 13 и 14. По мере роста напряжения на накопительных конденсаторах изменение напря2g жения на конденсаторе 12 уменьшается и он переходит в режим частичного подзаряда (т.е. работает без перезаряда) .

4д Так как подзаряд конденсаторов 5 и 4 осуществляется в течение всех соответствующих полупериодов через конденсаторы 12, то количество электричества, передаваемого в эти кон. денсаторы, соответственно равно. Очевидно, что оба конденсатора 5 и 4 при их одновременном разряде передают в накопительные конденсаторы только то количество электричества (заряд) с клемм 2-3 и 3-1, которое они получают с первого по четвертый каналы во время их поочередного заряда. Это в свою очередь, симметрируя нагрузку всех трех линий источника питания, сводит практически к нулю поперечную несимметрию линейных токов источника, уменьшая мощность несимметрии, и, тем самым, снижает значение типовой (габарит50

55

ной) мощности источника, его массу, габариты и стоимость.

Процесс заряда емкостного накопителя продолжается до , пока напряжение на нем не достигнет за много циклов изменения напряжения источника питания - значения, равного 4U/,т. После этого заряженный накопитель разряжается во внеш- нюю цепь, после чего начинается следующий цикл его заряда.

Устройство для заряда емкостного накопителя без токоограничивающе- го дросселя (фиг.11) работает еле- дующим образом.

Внутренний и внешний каналы, питаемые от клемм 1-Заработают во времени последовательно (один за другим) .

Каналы, питаемые от клемм 2-3: первый (внутренний) - клемма 2 - конденсатор 12 - диод 7 - конденсатор 4 - клеммы 3 и 2; второй (внешний) - клемма 3 - конденсатор 4 - диод 8 - конденсатор 13 - диод 9 - конденсатор 12 - клеммы 2 и 3.

Каналы, питаемые от клемм 2-1: третий (внутренний) - клемма 1 - конденсатор 5 - диод 9 - конденсатор 12 - клеммы 2 и 1; четвертый (внешний) - клемма 2 - конденсатор 12 - диоды 7 и 8 - конденсатор 13 - конденсатор 5 - клеммы 1 и 2. , Каналы, питаемые от клемм 3-1: пятый (внутренний - клемма 1 - конденсатор 5 - диод 9 и 7 - конденсатор 4 - клеммы 3 и 1; шестой (внешний) - клемма 3 - конденсатор 4 - диод 8 - конденсатор 13 - конден- сатор 5 - клеммы 1 и 3.

Пусть в исходный момент времени линейное напряжение клемм 3 и 2 равно нулю и в последующий момент времени потенциал клеммы 2 превышает по тенциал клеммы 3, а линейные напряжения клемм 2,1 и 3,1 одинаковы по своей величине.

Рассмотрим процессы, протекающие в первом и втором каналах, питаемых линейным напряжением клемм 2 и 3. Та как потенциал клеммы 2 выше потенциала клеммы 3, то начинается заряд конденсатора 12 и конденсатора 4 (фиг.12); поскольку напряжение источника изменяется по закону синуса, то ток заряда в указанной цепи изменяется по закону косинуса. Через 90 эл.град. от выбранного начала отсчета процесс заряда конденсатора 4 и конденсатора 12 заканчивается. Напряжение на каждом конденсаторе имеет значение и„т/2,где U лт - амплитуда линейного напряжения источника. Начиная с этого момента времени линейное напряжение клемм 2 и 3 убывает по закону косинуса, а суммарное напряжение конденсаторов 4, 12 и клемм 2, 3 - возрастать по косинусоиде.

При этом начинается заряд конденсатора 13 по второму каналу (фиг.13). Ток заряда накопительного конденсатора изменяется по закону синуса (возрастать) в интервале от 90 до 270 эл. град, от выбранного начала отсчета. В это время происходит разряд конденсаторов 4 и 6, а затем и их перезаряд за счет действия линейного напряжения клемм 2 и 3. Максимальная длительность тока заряда накопительного конденсатора по этому каналу равна 180 эл. град. Она постепенно (по мере заряда накопительного конденсатора) сокращается. Остальные 180 эл. град, энергии источника питания запасается в конденсаторе 4, заряжаемом через конденсатор 12. Заряд накопительного конденсатора в течение каждого периода изменения питающего напряжения продолжается до тех пор, пока суммарное напряжение конденсаторов клемм 2 и 3 не станет равным напряжению на накопительном конденсаторе, В этот момент времени закрывается диод 8. Далее все процессы, протекающие в первом и втором кана- лах, повторяются периодически.

Со сдвигом на 120 эл.град аналогично осуществляется заряд накопительного конденсатора 13 при канализации энергии источника от клемм

2и 1 по третьему (фиг.4) и четвертому каналам (фиг.15). Передача энергии по пятому (фиг.16 и 17) и шестому каналам происходит от клемм

3и 1 со сдвигом на 240 эл.град. от начального отсчета времени.

Передача энергии источника в перг- вом - четвертом каналах системы осуществляется через конденсатор 12, который ограничивая ток заряда накопительного конденсатора 13 по четвертому каналу, свою энергию в последующем передает в конденсатор 4 при работе первого канала и, наоборот,

714

при разряде конденсатора 4 по второму каналу, передает энергию в конденсатор 5 по третьему каналу. В начале каждого зарядного цикла конденсатор 12 перезаряжается в диапазоне до илп (от +илт до -ил|„) и, тем самым, ускоряет заряд конденсаторов 4 и 5 и соответственно накопительного конденсатора 13. По мере роста напряжения на накопительном конденсаторе 13 изменение напряжения на конденсаторе 12 уменьшается и он переходит в режим частичного подзаря- да и подразряда (т.е. работает без перезаряда).

Так как подзаряд конденсаторов 4 и 5 осуществляется в течение всех соответствующих полупериодов через конденсатор 12, то количество электричества, передаваемого в эти конденсаторы 4 и 5, соответственно равны.

Очевидно, что оба эти конденсатора 4 и 5 при их одновременном разря- де передают в накопительный конденсатор только то количество электричества (заряд) с клемм 3,2 и 2,1, которое они получают с первого по четвертый каналы во времени их поочередного заряда. Это, в свою очередь, симметрируя нагрузку всех трех ли

8

0

5

5

0

0

ним, сводит практически к нулю поперечную несимметрию линейных источников тока, уменьшая до нуля мощность несимметрии, ч, тем самым, снижает значение типовой (габаритной) мощности источника, его массу, габариты и стоимость.

Процесс заряда емкостного накопителя продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет (за много циклов изменения напряжения источника питания) значения, равного Зилт. После этого заряженный накопи- тельный конденсатор разряжается во внешнюю цепь, после чего начинается следующий цикл его заряда.

Формула изобретения

Устройство для заряда емкостного накопителя электрической энергии по авт.св. № 790143, отличающееся тем, что, с целью улучшения удельных габаритных и энергетических показателей путем уменьшения мощности несимметрии трехфазного источника переменного тока, в него введен дополнительный конденсатор, включенный между третьей выходной фазной клеммой и первым выводом обмотки линейного дросселя.

cat

Физ.2

Ј1 гпф

8

/ гпф

21 2Лф

ы с.

Ц 2Пф

еоевш

Фиг.16

Фиг. Л