Система питания импульсного накопителя энергии Советский патент 1992 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, при питании импульснойнагрузки.

Цель изобретения - улучшение удельных энергетических показателей системы.

На фиг, 1 приведена структурная электрическая схема системы с токорграничивающим элементом в виде резистора; на фиг. 2 - схема системы с токоограничивающим элементом в виде линейного дросселя; на фиг. 3 - эквивалентные схемы, поясняющие работу системы; на фиг. 4 - вариант выполнения блока управления; на фиг. 5 графические зависимости КПД заряда конденсатора через резистор токоограничивал ющего элемента /зс примерно равный КПД заряда емкостного накопителя через конденсатор и резистор ( /зс ) идеального коэффициента использования источника и трансформатора преобразователя по мощности Киин при заряде накопителя через конденсатор и резистор, идеального коэффициента использования источни ка и трансформатора преобразователя по мощности Киис при заряде конденсатора через резистор и практического коэффициента использования источника и .трансформатора преобразователя по мощности Кнп (Киин+.Киис) 7зс/2 при заряде накопителя через систему от относительного времени заряда или разряда конденсатора t.jj,tji/ Гс (2:rfrc) 1/(2ffc), где г Ro + Rnp + R - сопротивление зарядной цепи, поясняющие выбор такого оптимального сопротивления R резистора, при котором оптимальное относительное время tf,,5 соответс твует примерно максимуму Кип при приемлемой КПД tjac , а значит и минимуму установочной мощности источника и трансформатора преобразователя.

Система питания импульсного накопителя энергии по фиг. 1 и 2 содержит источник 1 постоянного напряжения, например с практически неизменной ЭДС Е «const, выход которого соединен с входом преобразователя 2 напряжения с трансформаторным выходом, емкостной накопитель 3, параллельно которому через управляемый замыкающий коммутатор и формирующую индуктивность или непосредственно подключена импульсная нагрузка 4, блок 5 управлений, конденсатор 6, тиристор 7, диод 8 и токоограничивающий элемент 9 в виде резистора или линейного дросселя. Первый вывод токоограничивающего элемента 9 соединен с первым выводом блока 5 управления, с первым выводом выхода преобразователя 2 напряжения, второй вь)вод - с первым ЁЬ1водом нагрузки 4,-с первым выводом накопительного элемента 3, с вторым выводом блока 5 управления, с анодом диода 8, катод которого соединен с первым выводом конденсатора 6, анодом тиристора 7, катод которого соединен с вторым выводом емкостного накопителя 3 и с третьим выводом блока 5 управления, второй вывод конденсатора б - со вторым выводом выхода преобразователя 2 напряжения, четвертым выводом блока 5 управления, пятый вывод которого связан с управляющим электродом тиристора 7. Блок управления (фиг, 4) может быть выполнен на основе резисторов 10 - 13, образующих два делителя напряжения, в двоичном счетчике 14, компараторе 15, источнике 16 опорного напряжения, импульсном трансформаторе , 17, диоде 18, запускающем тиристоре 19. Система питания работает следую,щим образом. Энергия источника 1 постоянного напряжения, например с практически неизменной ЭДС Е const , преобразуется преобразователем 2 напряжения-инвертором, выполненным, например, по однофазной нулевой схеме на двух тиристорных ключах, трансформаторе с двумя выводами и коммутирующем конденсаторе, в энергию переменного напряжения с напряжением или ЭДС прямбугольной формы величиной Un или ЕЙ. При положительном полупериоде изменения выходного напряжения Ua6 трансформатора преобразователя 2 с ЭДС Ей и частотой f происходит заряд конденсатора 6 с емкостью С через токоограничив ающий элемент 9 по цепи (фиг. 3 а и 3 б) трансформатор преобразователя 2токоограничивающий элемент 9 - диод 8 конденсатор 6 - трансформатор преобразователя 2 за время половины полупериода t Ш(2П1) 1/{2f) до максимального напряжения UCT Еи(1 - ) «Ю,777Еи при резисторе или Ост Еи(1 + ) 1,770Еипри линейном дросселе и реальной добротности системы Q V(L + LPT)/C/( RO + Rnp + Рлд ) « б.где L индуктивность дросселя с активным сопротивлением РЯД, йрт - индуктивность рассеяния трансформатора преобразователя 2, RO - приведенное к выходу трансформатора преобразователя 2 внутреннее сопротивление источника 1, Rnp - среднее сопротивление диода 8 в проводящем направлении, tft t| / Гад «1,5 - оптимальное относительное время заряда конденсатора 6, tco ГоС - постоянная времени заряда конденсатора 6 через оптимальное зарядное сопротивление Го RO + R + Rnp, R оптимальное сопротивление резистора (элемент 9), при котором 1,5. При отрицательном полупериоде изменения выходного напряжения Ua6 трансформатора преобразователя 2 с ЭДС-Еи блок 5 управления открывает тиристор 7, вторичная обмотка трансформатора преобразователя 2 соединяется своим налряжением Uiae последовательно-согласно с напряжением UCT на конденсаторе 6йот нмх к выводам емкостного накопителя 3 прикладывается максимальное суммарное напряжение Ей + UCT Еи(2 - ) 1.777Е1ипри резисторе и ЕЙ + UCT Еи(2 + ) «2,77Еи при дросселе и через емкостной накопитель ЗПо цепи (фиг. 3 в и Зг), трансформатор прербразователя 2 - конденсатор 6- тиристор 7 - накопитель 3 токоограничивающий элемент 9 -трансформатор преобразователя 2 будет протекать ток, который заряжает eмкocтнJOй накопитель 3 порцией энергии АЕн. Затем описанным путем в следующий период изменения напряжения Ua6 трансформатора преобразователя 2 происходит сначала заряд конденсатора 6 до максиг мального напряжения UCT и затем заряд накопителя 3 следующей порцией энергии &ЕН, и так далее циклически с частотой f изменения напряжения трансформатора преобразователя 2. Если максимальное напряжение заряда накопителя 3 ограничить величиной UeHT (Ей + ист)/2, то каждый зарядный период из Ппк f tsK периодов за время заряда емкостного накопителя 3 taK накопитель 3 будет заряжаться одинаковой порцией энергии А Ен, а от источника 1 и трансформатора преобразователя 2 будет потребляться неизменная средняя мощность за каждый период изменения наг1ряжения трансформатора Рср Д EHf/ J/3C. В этом случае КПД заряда конденсатора 6 через резистор или линейный дроссель rj3c и КПД заряда накопителя через конденсатор 6 и резистор или дроссель rj3H определяется соотношени.ями: 1Л1-е °)/() при резисторе или t.. l/|l + + УГ(1 ) -1/()/ У 2112П1{1 -I-1/(4Q2-1)B«0.890 при дросселе и Q 6, где l/ (L + Ьрт)/(Но + Клд + Rnp) - постоянная времени зарядных контуров. Идеальный коэффициент использования источника 1 и трансформатора преобразователя 2 по мощности, под которым понимается отношение средней мощности источника 1 и трансформатора преобразователя 2Рср Ртрф к и X максимальной установленной мощности , определяется при заряде накопителя 3 через крнденсатор 6 и элемент 9 - резистор: Киин 2( .o(1-е2п ° ) при заряде накопителя 3 чер.ез ксжденсатор б и дроссельГКиин 4 (1 + + 1 /(,iVl „2nH4Q-1 V-, „„„„„„„ « - 1)M4Q -1(1 - ), при заряде конденсатора 6 через резистор Киис 21с ти(1 - - 1с ти(1 ) где1с ши 2 (1 - е-п ) nt ) х х(2 - е )1 - идеальный максимальный относительный ток заряда конденсатЬра 6 через резистор; при заряде колденсатрра 6 через дроссель Киис-Г21с ти. (1 ) +Г/Н0 1). iAVlc,mH 4(1 -H-e- - L,) / /bl4Q(1 Х2 ) идеальный максимальный относительный ток заряда конденсатора 6 через дроссель. Практический коэффициент использования источника 1 и трансформатора прёобразователя 2 по мощности при заряде накопителя 3 через систему заряда, под которым понимается отношение средней зарядной мощности накопителя 3 Рзср Сниент /(2гзк) ЕпиАзк К максимальной установленной мощнрсти источника 1 и трансформатора 2 преобразователя Рт Ртрт. где Сн - емкость накопителя 3, t3K - время его заряда до максимального напряжения Уент, Епи - энергия импульса питания нагрузки 4, определяется соотношением: Кип (Кийн 7зн + Киис /7зс )/2. Рассчитанные по приведенным выражениям графические зависимости КПД заряда конденсатора 6 через резистор (элемент 9) и КПД заряда накопителя 3 через конденсатор 6 и резистор ;зн идеальных коэффициентов использования источника 1 и трансформатора преобразователя 2 по мощности при заряде накопителя 3 через конденсатор 6 и резистор Кийн и при заряде конденсатора 6 через резистор Киис. и практического коэффициента использования источника 1 по мощности при заряде через систему питания Кип от относительного времени заряда и разряда конденсатора 6 в течение длительности половины полупериода изменения выходного напряжения трансформатора (2nf)1/2f, определяемого ч;оотношением t pir t д/ Гс 1 /(2fre), где Гс гс - постоянная времени заряда и разряда конденсатора через активное сопротивление г RO + R + Rnp, приведены на фиг. 4. Максимальной величины практический коэффициент использования источника 1 и трансформатора преобразователя 2 по мощности Кип 6,37 достигается при 1 0,5. однако при увеличении относительного времени от 0,5 до 1,5 Кип уменьшается всего на 6% (до Кип О346); а КПД заряда накопителя 3 через систему питания J/3C 7зк - /з увеличивается на 14% (от 0,398 до О, 450), что приводит к существенному уменьшению расхода топлива и окислителя для работы источника 1, кроме того при этом относительное напряжение заряда конденсатора 6 Ucm/Ей увеличивается примерно на 110% (от 0,3935 до 0,7769), что в 1,97 раза уменьшает при заданном напряжении заряда Уент ЭДС или Напряжение Уи на выходе трансформатора преобразователя 2 и минимум на 10% уменьшает массу и объем трансформатора. Поэтому по целому комплексу преимуществ оп тимальное время заряда и разряда конденсатора 6 г - 1 n °-2froc 2 f с( RO + R + Rnp ) , откуда получаем быражение для оптимального сопротивления резистора элемента 9 RO Rn 3fc используемое р отличительной части п. 2 формулы изобретения, где С - емкость конденсатора 6; f - частота изменения выходного, напряжения трансформатора преобразователя 2; RO - приведенное к выходу трансформатора преобразователя 2 внутреннее сопротивление источника 1; Rnp среднее сопротивление диода 8 (или тиристора 7) в проводящем направлении, которое на 2-3 порядка меньше сопротивления RO,

Максимальный КПД заряда конденсатора 6 через дроссель tjac и накопителя 2 через конденсатор 6 и .дроссель зн }7зс)0пределяемый гфиведенным выражением, достигается при резонансном режиме заряда и разряда конденсатора 6, когда индуктивность системы

1 -1/(4Q)

(3)

L-l-LpT c(2llff

откуда находит используемое в ограничительной части п, 3 формулы изобретения выражение для определения оптимальной индуктивности L-линейного дросселя 9

I 1 -1/Г4а) ,

(4)

LPT ,

,C(2nf)2

где Lpr - индуктивность рассеяния трансформатора преобразователя 2;

Q V(L-i-1-рт)/С /(Ro + Нлд + Rnp) - добротность системы п|)и заряде конденсатора 6 через дроссель.

В системе с токоограничивающим элементом 9 в виде резистора с оптимальным сопротивлением, определяемым выражением (2), такие удельные энергетические показатели, как удельная, энергия по массе и объему системы, улучшаются {увеличива дтся) по сравнению с базовой системой примерно в 1,4 и 1,3 раза путём уменьшения максимальной установленной мощности источника 1 и трансформатора преобразователя 2 примерно в 2 раза за счет увеличения в 2 раза их практического коэффициента использования по-мрщности.

В системе с токоограничивающим элементом 9 в виде линейного дросселя с оптимальной индуктивностью, определяемой выражением (4),. такие удельныеэнергетические показатели, как удельная энергия по массе и объему системы, улучшаются (увеличиваются) по сравнению с базовой системой в 1,7 и 1,5 раза соответственно путем уменьшения установленной мощности источника 1 и трансформатора 2примерно в 3,3 раза за счет увеличения в 3,36 раза их практического коэффициента использЪвания по мощности.

Таким образом, снабжение системы питания импульсного накопителя энергии дополнительными блоком 5 управления, токоограничивающим элементом 9 в виде резистора или линейного дросселя с оптимальными сопротивлением R или индуктивностью L определяемыми выражениями (2) или (4) соответственно, и применение в качестве зарядного вентиля тиристора 7, обеспечивая неочевйдность схемно-технического W параметрического решения задачи, в 1,3-1,7 раза улучшает удельные энергетические показатели системы путем уменьшения в 2-3,3 раза установленной мощности источника 1 и трансформатора

преобразователя 2 за счет увеличения в 23,36 раза практического коэффициента их исгюльзрвания по мощности, а в системе с токоограничивающим элементом в виде линейного дросселя в 1,72 раза увеличивает

КПД заряда емкостного накопителя 3 через однофазный преобразователь неизменной мощности, что примерно во столько же раз уменьшает массу топлива для работы энергетической установки с источником 1 постоянного напряжения.

Блок управления согласно фиг. 4 работает следующим образом.

При первом положительном полуперио-;

де.изменения напряжения преобразователя

2, пропорциональная часть напряжения которого рнимаетея с резистора 11 (фиг, 4) делителя напряжения источника и подается на первичную обмотку импульсного трансформатора 17, с вторичной обмотки импульсного трансформатора черё здиод 18 на один и другой входные выводы двоичного счетчика подается положительный импульс напряжения, соответствующий переднему фронту положительного полупериода изменения напряжения преобразователя 2. Двоичный счетчи(с отсчитывает первый импульс. При вт;ором положительном полупериоде изменения напряжения источника двоичный счетчик отсчитывает второй положительный импульс и, насыщаясь, выдает на управляющий переход запираемого тиристора 19 постоянное отпирающее напряжение и он открывается. Со вторичной обмотки импульсного трансформатора через запираемый тиристор на управляющий переход тиристора 7 в начале каждого следующего положителы ого полупериода изменения напряжения преобразователя 2 подаются отпирающие импульсы напряжения и он открывается и остается открытым весь положительный полупериод в течение времени t - t П , где - круговая частота напряжения преобразователя 2.

Формулаизобретения

1. Система питания импульсного накопителя энергии, содержащая источник постоянного напряжения, выход которого соединен с входом преобразователя напряжения с трансформаторным выходом, емкостной накопитель, параллельно кот6{ йму подключена импульсная нагрузка, о т л и чаю щ а я с я тем, что, с целью улучШ01(йя удельных энергетических показателей, системы, в нее введены блок управления, конденсатор, тиристор, диод, токоограничяеающий элемент, первый вывод которого соединен с первым выводом блока управления, с первым выводом выхода преобразователя напряжения с трансформаторным выходом, второй вывод - с первым выводом импульсной нагрузки, с первым выводом емкостного накопителя, с вторым выводом блоке управления, с анодом диода, катод которого соединен с пepвы выводом конденсатора, анодом тиристора.катод которого соединен с вторым .выводом емкостного накопителя и с третьим выводом блока упрэвления, второй вывод конденсатора соединен с вторым выводом выхода прёобразователя напряжения с трансформаторг ным выходом, четвертым выводом блока управления, пятый вывод которого соединен с управляющим электродом тиристора. 2. Система по п. 1, от л и на ющ а яс я тем, что в качестве токоограничивающёго элемента применен резистор, сопротив.лёние R которого определяется выражением / 1 (37)- где f - частота изменения выходного напряжения преобразователя напряжения с трансформаторным выходом; С - емкость конденсатора; RO - внутреннее сопротивление источника постоянного напряжения, приведенное к выходу преобразователя напряжения с трансформаторным выходом; Rnp - среднее сопротивление диода проводящем направлении. 3. Система по п. 1. от л И ч а to Щ а я с я тем,что в качестве токоограничивающего элемента применен линейный дроссель, индуктивность которого L определяется выражениемC(2nf)2 где LPT - индуктивность рассеяния трансформатора преобразователя напряжения с трансформаторным выходом; Q - добротность системы при заряде конденсатора через дроссель.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например,' при питании импульсной нагрузки. Цель изобретения - улучшение энергети: ческих показателей системы питания. Преобразователь 2 напряжения с трансформаторным выходом питается от источника 1 постоянного напряжения и обеспечивает заряд емкостного накопителя 3 через токо- ограничивающий дозирующий блок, выполненный на конденсаторе 6, тиристоре 7, токоограничивающем элементе 9, который может быть выполнен в виде резистора, или дросселя. Запуск системы питания осуществляется от блока 5управления, выполненного на ocHoiae компаратора, двоичного счетчика и источника опорного напряжения. 2 3. п. ф-лы, 5 ил. 1 _

Фиг,2