Система питания импульсной нагрузки Советский патент 1991 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, для питания импульсных ламп накачки.

Целью изобретения является повышение КПД системы при одновременном снижении массы и ее габаритов, что обеспечивается за счет передачи энергии от источника питания в накопитель, разделенный на две секции, двумя путями одновре менно. Например, при прохождении тока по одной секции за счет электромагнитной связи передается энергия в другую секцию в один полупериод. В другой полупериод происходит обратный процесс. Таким образом не происходит прямого постоянного накопления энергии в едином индуктивном накопителе. А так как прямой ток источника проходит только через половину индуктивного накопителя, то уменьшаются потери за счет снижения активного и индуктивного сопротивлений накопителя, что приовдит к

увеличению добротности зарядного контура с индуктивным накопителем.

На чертеже приведена структурная электрическая схема системы питания.

Система питания содержит трехфазный источник 1 питания, первая шина 2 которого соединена с первой обкладкой первого конденсатора 3, вторая шина 4 - с анодом первого и катодом второго вентилей 5, 6, третья шина 7 - с первой обкладкой второго конденсатора 8, вторая обкладка которого соединена с анодом второго вентиля 6 и катодом третьего вентиля 9, вторая обкладка первого конденсатора 3 соединена с катодом первого и анодом четвертого вентилей 5, 10, нагрузку 11, пятый, шестой, седьмой вентили 12, 13, 14, первый, второй коммутаторы 15, 16, индуктивный накопитель 17. средний вывод 18 которого соединен с анодом пятого, первого и катодом шестого вентилей 12, 5, 13, катод пятого вентиля 12 соединен с катодом четвертого

w

te

Os

4 vj 00 Jb ЧЭ

вентиля 10, катодом седьмого вентиля 14, через первый коммутатор 15 с первым выводом 19 индуктивного накопителя 17 и с первым выводом нагрузки 11, анод шестого вентиля 13 соединен с анодом третьего вен- тиля 9, анодом седьмого вентиля 14 и через второй коммутатор 16 со вторым выводом 20 индуктивного накопителя 17 и со вторым выводом нагрузки 11.

Нагрузка выполнена на основе разряд- ника 21, резистора 22. Для описания работы системы питания введены следующие обозначения:

Ui2 - напряжение шин 2, 4;

IJ23 напряжение шин 4, 7;

U31 - напряжение шин 7, 2,

ia - ток верхней секции (выводы 19, 18) индуктивного накопителя 17;

б - ток нижней секции (выводы 18, 20) индуктивного накопителя 17;

Ua - напряжение на верхней секции индуктивного накопителя 17;

Ue - напряжение на нижней секции индуктивного накопителя 17.

По вводимым по тексту обозначениям дана их расшифровка в описании.

Система питания работает следующим образом. Когда линейное напряжение Ui2 шин 2, 4 источника отрицательно и возрастает по абсолютной величине до амплиту- ды линейного напряжения Утл источника по цепи: шина 7 - вентиль 5 - конденсатор 3 - шина 2 заряжается до напряжения Us конденсатор 3, Когда линейное напряжение U12 источника положительно (шины 2, 4), фаз- ные обмотки источника соединяются последовательно-согласно с конденсатором 3 и от них по цепи: шина 2 - конденсатор 3 - вентиль 10 - коммутатор 15 - вывод 19 секции индуктивного накопителя 17 - шина 4обмотки источника , прикладывается напряжение Ua U12 + Ua. Под действием этого напряжения в секции индуктивного накопителя гцэи добротности зарядной цепи Озц Л-1/С/гЗЦ1 500, где Li L/2 - ин- дуктивность одной секции индуктивного накопителя 17 с индуктивностью L, С -- емкость конденсаторов 3 или 8, г3ц1 - сопротивление цепи заряда одной из секций индуктивного накопителя 17, характерной для заряда сверхпроводящего индуктивного накопителя (СПИН) и даже охлаждаемого жидким водородом криорезистивного индуктивного накопителя (КРИН), возникает ток

и

тл

+

Uiflftte pa)

(1 - cos ш t) ,(1)

где /D V/Li/C - волновое сопротивление

зарядной цепи,

Шо 1 //LiС - идеальная круговая частота контура заряда одной секции индуктивного накопителя 17, а) л2 f - круговая частота изменения напряжения источника с частотой f.

t - время.

Максимальный ток первого приращения тока заряда одной секции индуктивного накопителя 17 достигается в конце положительного полупериода изменений линейных напряжений Ui2 и U23 источника при времени t vr я/о) и определяется соотношением

Umfl , Цтл 1,318 Цтл -1 f Li f

Д Jam А бт

(2)

При следующем отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения Ui2 источника этот ток Aiam замыкается через вентиль 12 по цепи: секция индуктивного накопителя 17 - вентиль 12 - замкнутые контакты коммутатора 15-вывод 19, имеющей в десятки и сотни раз меньшее сопротивление, чем сопротивление Г3ц1 зарядной цепи и сохраняет свою величину практически неизменной до следующего приращения тока в следующий положительный полупериод изменения напряжения Ui2 источника.

Когда линейное напряжение U23 источника отрицательно (потенциал шины 7 выше потенциала шины 4) и возрастает по абсолютной величине, напряжение конденсатора 8 (Ue) по цепи: фазные обмотки источника

-шина 7 - конденсатор 8 - шина 4 - фазные обмотки источника возрастает до амплитуды Утл линейного напряжения источника.

Когда линейное напряжение U23 источника положительно, фазные обмотки источника соединяются последовательно - согласно с конденсатором 8 и от них по цепи: фазные обмотки источника - шина 4 - секция индуктивного накопителя 17 - вывод 20 системы - замкнутые контуры коммутатора 16 - вентиль 9 - конденсатор 8 - шина 7

-обмотки источника, к секции индуктивного накопителя 17 прикладывается напряжение Ue 1)23 + Us. Под действием этого напряжения через нижнююсекцию индуктивного накопителя 17 протекает ток ее заряда б - а максимальная величина Д1бт этого тока определяется выражением(2). В последующем отрицательном полупериоде изменения напряжения U23 источника этот ток Д (бтзамыкается через вентиль 13 по цепи: нижняя секция индуктивного накопителя 17

-вывод 20 - замкнутые контакты коммутатора 16 вентиль 13 - верхняя секция индуктивного накопителя 17, имеющей в десятки и сотни раз меньшее сопротивление, чем сопротивление зарядной цепи г3ц1 и практически сохраняет свою величину неизменной до следующего положительного полупериода изменения линейного напряжения U23 источника, когда к току Д i6m приплюсуется следующее приращение тока. Кроме того, суммарный ток индуктивного накопителя 17замыкается через вентиль 14, сглаживая ток секций индуктивного накопителя 17. Емкость конденсаторов 3 и 8 выбирают такой величины, чтобы при положительных полупериодах изменения линейных напряжений Ui2 и U23 источника, их напряжение в конце этих полупериодов (при разряде конденсаторов) уменьшалось на 29,3% (до 0,707 Утл) по сравнению с их напряжением Утл заряда (подзаряда) в отрицательные полупериоды изменения напряжения Ui2 и U23 источника.

Когда линейное напряжение Уз1 источника отрицательно (потенциал шины 2 выше потенциала шины 7), фазные обмотки источника соединяются последовательно-согласно с конденсаторами 3 и 8 (с остаточным Напряжением Уз Ув 0,707 Утл) и от них по цепи: фазные обмотки источника - шина 2 - конденсатор 3 - вентиль 10 - замкнутые контакты коммутатора 15 - вывод 19 - обмотка индуктивного накопителя - вывод 20 -замкнутые контакты коммутатора 16-вен- тиль 9 - конденсатор 8 - шина 7 - фазные обмотки источника, ко всей обмотке индуктивного накопителя 17 прикладывается напряжение U17 U31 + Ую + Un. ПОД действием этого напряжения через всю обмотку индуктивного накопителя 17 будет протекать дополнительный ток

Il7«l,414™wt + U((yt)(

pa)

где обозначения такие же, как и в выражении (1), если вместо Li подставить L 2Li, вместо С - С/2, а вместо гЗЦ1: гзц 2гЗЦ1. Этот ток максимален в конце отрицательного полупериода изменения напряжения Usi источника (при t tyr .тг/«) и равен 1.414 Цтл , итл U62LL,

+ FUT

т

Lf

L f

0.881 Утл Llf

Складывая это приращение тока А с приращением тока в секциях Aiam и A ism получим суммарные приращения тока во всей обмотке индуктивного накопителя 17

4.398 Утл Lf

2,199 Утл u f

(5)

Так как это суммарное максимальное приращение тока будет сохраняться (за счет его значения через вентили 12, 13. 14), то практически неизменным в следующий период

изменений напряжений Ui2, U23 Узт источника к этому току прибавится следующее приращение тока и так далее циклически в каждый последующий период изменения

линейных напряжений источника. Если задано требуемое время заряда СПИН или КРИН t3K в обшем случае от начального тока / 1зо до максимального тока Um. то за ото время пройдет Ппк ftsK периодов изменения

напряжения источника и максимальный ток индуктивного накопителя 17 определится очевидным из закона сохранения энергии выражением

l3m - I30 + Ai 17mS.Vnnk зО + . 4,398 Утл ,/-гп

-rw- 3k ®

Легко показать, что при этом заряд индуктивного накопителя 17 будет происходить в режиме неизменной в каждый период за- рядной мощности РЗСр L(l3m2 - 1зо )/(2Тзк) и потребляемой от источника (Ри Рзср/ зь) мощности. Здесь /3L КПД заряданно индуктивного накопителя определяется выведенным выражением

3L 1 +(0.5( , +0 703 r311i ( Li f )70.867

35

50

где г/эс 0.98 - КПД заряда конденсаторов

3 и 8 для реальной добротности контура их заряда .

Когда ток заряда индуктивного накопителя достигает своего максимального значеп ния I3m, не показанный на чертеже блок управления подает поджигающий импульс на управляемый вакуумный или жидкостной разрядник и через исполнительный механизм размыкает коммутаторы 15, 16 и энер- гия, накопленная в индуктивном накопителе, передается из него в импульсную нагрузку по цепи: обмотка индуктивного накопителя 17 - вывод 20 - резистор 22 импульсной нагрузки - вывод 19 обмотка индуктивного накопителя 17, Когда ток в обмотке индуктивного накопителя уменьшается до заданной величины 30 (например, 130 0,707 I3m), блок управления замыкает контакты управляемого коммута тора и оставшийся в индуктивном накопителе ток замыкается через блокирующие вентили 12, 13, 14. Управляемый вакуумный разрядник самопогасает, и начинается описанный выше новый цикл подзаряда индуктивного накопителя от начального тока зо до максимального конечного тока зт. Формула изобретения Система питания импульсной нагрузки, содеражащая трехфазный источник питания, первая шина которого соединена с первым выводом первого конденсатора, вторая шина - с анодом первого и катодом второго вентилей, третья шина - с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с анодом второго вентиля и катодом третьего вентиля, второй вывод первого конденсатора соединен с катодом первого и анодом четвертого вентиля, нагрузку, отличающаяся тем, что, с целью повышения КПД устройства при одновре0

5

менном снижении массы и габаритов его, в него введены пятый, шестой, седьмой вентили, первый, второй коммутаторы, индуктивный накопитель, средняя точка которого соединена с анодом пятого и катодом шестого вентилей, которые подключены к аноду первого вентиля, катод пятого вентиля соединен с катодом четвертого вентиля, катодом седьмого вент-иля, через первый коммутатор с первым выводом индуктивного накопителя и с первым выводом нагрузки, анод шестого вентиля соединен с анодом третьего вентиля, анодом седьмого вентиля и через второй коммутатор со вторым выводом индуктивного накопителя и со вторым выводом нагрузки.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, для питания импульсных ламп накачки. Цель изобретения - повышение КПД системы при одновременном снижении массы и ее габаритов. Это обеспечивается за счет передачи энергии от источника питания в накопитель, разделенный на две секции, двумя путями одновременно. Например, при прохождении тока по одной секции за счет электромагнитной связи передается энергия в другую секцию в один полупериод. В другой полупериод происходит обрат- ный процесс. А так как прямой ток источника проходит только через половину индуктивного накопителя, то уменьшаются потери за счет снижения активного и индуктивного сопротивления накопителя. 1 ил.

s2 vl

ю

ы

rw.

7 ои IIs з ЪТ

+4

Л

У

О