Устройство для заряда накопительных конденсаторов Советский патент 1980 года по МПК H03K3/53 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА НАКОПИТЕЛЬНЫХ ,КОНДЕНСАТОРОВ

1

Устройство предназначено для заряда накопительных конденсаторов генераторов мощных импульсов, например, оптических квантовьпх генераторов, в локационной технике, импульсных плазменньк двигателей, в электрической сварке металлов .и т.п.

Известны устройства для заряда.накопительньк конденсаторов fl.

Недостатки известного устройства заключаются в низком КПД заряда накопительных конденсаторов, в том, что в схеме заряда не предусмотрена стабилизация уровня энергии, запасаемой в накопителях, несмотря на наличие в ней системы стабилизации напряжения, так как учет раз броса величин емкостей конденсаторов схемй rie предусматривает, а также в том, что зарядная схема оказывает прямое влияние на разрядную цепь импульсной нагрузки, так как источник не изопировай от разрядной цепи.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство

для заряда накопительных конденсаторов, содержащее источник пё)ремённЬ№ тока, токс огранйЧ1ша ощий линейный дроссель, вен тильнб-кЬнйёнсаторньГй вьт)рямитёль-умножитель напряжения, подключенный к импульсной нагрузке, управляемые вентили и блок контроля напряжения и управления управляемыми вентилями 2j.

Недостатки этого устройства заключаются в том, что заряд накопительного конденсатора произш)дйтся за большое. число периодов напряжения источника переменного .тока, что требует установки в схеме дополнительного накопительного ко денсатора, а зарядйая схема, даже при использовании дросселя, йгожет убблйчить напряжение на нагрузке только в четыре раза по 6тнШ1ёнйй 1к амплитуде напряжения источника. Все это не обеспечивает известному устройству требуемые удель.|ые энергетические показатели.

Цель изобретения - повышение удель- ttjx энергетических показателей устройства 373 Поставленная цель достигаётся тем, что в устройстве для заряда накопительного конденсатора, содержащем источник переменного тока, токоогранйчивающий линейный дроссель, вентильно-конденсаторный выпрямитель-умножитель напряжения, подключенный к импульсной нагрузке, управляемые вентили и блок контроля напряч жёния и управления управляемытЛи вейтилями вентилйно-конденсаторный выпрямительумножитель напряжения выполнен в виде че- тырёх соединенных параллельно ячеек, кажда из которых образована двумя включенными согласно вентилями, соединенными друг с другом через конденсатор, аноды управляемых вентилей первой и второй ячеек ;и катоды неуправляемого вентиля третьей и управляемого вентиля четвертой ячеек через токоогранйчивающий линейнь1й дроссель подключены к одной клемме, а катоды неуправляемого вентиля первой, управляемого вентиля BTopo i и анодов управляемых вентилей третьей и четвертой ячеек ко второй клемме источника переменного тока, при этом катод управляемого вентиля первой ячейки соединен с анодом управляемого вентиля второй ячейки, соединенного с конденсатором, катод управляемого вентиля третьей ячейки соединен с анодом управляемого вентиля четвертой ячейки, соединенного с конденсатором, и катод управляемого вентиля второй ячейки соединён с анодом дополнительного управляемого вентиля, катод которого сое динён с анодом неуправляемого вентиля третьей ячейки, в свою очерель точка сое динения катода управляемого вентиля и конденсатора в четвертой ячейке подклк чена к положительной клемме а анод неуправляемого вентиля первой ячейки соединен с отрицательной клеммой генератора мощных импульсов, причем управляю щие входы управляемьк вентилей подключены к выходу ячейки временного сдвига импульсов;вьп1олнённои, напршёр, iaa Кол цевом счетчике и дешифраторе.. Кроме того, в устройстве параллельно каждому из конденсаторов вентильнр-конденсаторньк ячеек включены цепочки из соединенных последовательно дополнительно введенных управляемого вентиля и дро селя, причем аноды -дополнительно введенньгх управляемых вентилей подключены к катодам управляемых вентилей в первой и второй вентильно-конденсаторной ячейках нелосредствевдо, в третьей и четвертой через дополнительно введенный дроссель, а параллельно токоограничивающему лйней 7 дросселю включен дополнительно введенный ключевой ограничитель амплитуды, вь1подненный в виде двух соединенных встречно-параллельно управляемых вентилей, при этом управляющие входы дополнительно введенных управляемых вентилей подключены к выходу ячейки временного сдвига импульсов. На фиг. 1 приведена схема устройства для заряда накопительных конденсаторов} на фиг. 2 - то же, предназначенное для приведения схема заряда емкостей к нулевым начальным условиям к началу каждого зарядного цикла и стабилизации уро&ня запасенной энергии в конденсаторах в конце этих циклов. Устройство содержит источник 1 переменного TOKai подключенный через токоог раничивающий линейный дроссель 2 параллельно к четырем ячейкам. Первая ячейка состоит из управляемого вентиля 3, кончденсатора 4, неуправляемого вентиля 5, управляемого вентиля 6, конденсатора 7| и управляемого венти.т1я 8, Вентильные элементы этих двух ячеек включены в прямом направлении. Третья и четвертая ячейки конденсаторов включают в себя .вентильные элементы, включенные в обратном направлении и состоят соответственно из неуправляемого вентиля 9, конденсатора 1О, управляемых вентилей 11 и 12, конденсатора 13, управляемого вентиля 14. Катод управляемого вентиля 3 первой ячейки соединен с анодом управляемого вентиля 8 второй ячейки, а катод управляемого вентиля 6 этой же ячейки через управляемый вентиль 15 соединен с анодом неуправляемого вентиля 9 третьей ячейки. В свою очередь, катод управляемого вентиля 11 третьей ячейки подключен к аноду управляемого вентиля 12. Импульсная нагрузка 16 положительной клеммой подсоединена к катоду упраЕ ляемогр вентиля 14, а отрицательной - к аноду неуправляемого вентиля 5. Блок 17 контроля напряжения накопительных конденсаторов подключен к генератору 18 тактовых импульсов, который подает импульсы к устройству 19 временного сдвига импульсов, выполненного на кольцевом счетчике 2О .и дешифрато)рё 21. В качестве управляемых вентилей в устройстве (фиг. 1) применены тиристоры, а в качестве неуправляемых - диоды. Устройство для заряда накопительных конденсаторов работает следующим образом. Предположим, что в какой-то момент времени от источника 1 переменного тока подается положительная волна напряжения, а от дешифратора 21 поступает управля- юший импульс на открытие тиристора 3. Тогда от источника переменного тока-через токоограничиваюишй линейный дрос- сель 2, Епвдуктивность которого настроена в резонанс с накопительными конденсаторами на частоте источника, течет ток в конденсатор 4. Происходит резонансный заряд конденсатора 4. Во время заряда зарядный ток изменяется по синусоидальному закону, а напряжение на накопите ном конденсаторе достигает удвоенного амплитудного значения напряжения источника переменного тока. Когда ток заряда накопительного конденсатора становится равным нулю, тиристор 3 гаснет. При появлении отрицательной волны напряжения источника дешифратор подает управляющие импульсы на тиристор 11, который открывается, обеспечивая тем самым резонансный заряд конденсатора 10 от той же индуктивности дросселя ..2, Тиристор 11 закрывается так же, как и в первом случае, при достижении зна ения зарядного тока конденсатора 11 нулевого значения, Во втором периоде изменения напряже- ния источника переменного тока, при поя&лении положительной волны напряжения, дешифратор подает управляющие импульсы на тиристоры 6 и 8 для заряда конденсатора 7, а при появлении отрицательной вол ны напряжения - на тиристоры 12 w. 14 для заряда конденсатора 13. Таким образом, за .два периода напряжения, источника переменного тока все че тьфе конденсатора заряжаются до двойного амплитудного значения напряжения источника. При подаче управляющего импульса к тиристору 15 {или разряднику) все четыре конденсатора оказываются включён ными последовательно по отношению к им- пульсной нагрузке 16, к которой прикладывается восьмикратное амйлитудное значение напряжения источника переменного тока. Происходит импульсный разряд после довательно соединенных конденсаторов на импульсную нагрузку, и при достижении тока разряда нулевого значения тиристор 15 гаснет. В схеме зарядного устройства (фиг. 1) тиристоры 3, 6, 11 и 14 служат для управления цепями заряда конденсаторов 4, 7, 10 и 13, Кроме того, тиристор 8 пре- доХраняет источник от короткого замыка- 73 7 ния при открытом тиристоре 3, а тиристор 12 - при открытом тиристоре 11. Предлагаемая схема зарядного устройства следующие преимущества по сравнению с известным 2j: высокий КПД заряда конденсаторов, так, например, при добротности дросселя , КПД заряда. |зввен ,93; источник переменного тока не оказьюает влияния на время деионнаации импульсной нагрузки, так как после заряда всех ч:етырех накопительных конденсаторов их разрядная цепь полностью изолирована от источника; уровень запасаемой энергии в накопительных конденсаторах при их ШрМепредйе гйёмым iS -cipdfiством ограничивается только возможностями промь1шланностй при изготовлении от- . дельных йлемё нт61 схём1й; зарядное Устройство накопительных конденсаторов обеспечивает многократное повышение напряжения питания импульсной нагрузки при за- данном значении, номинального напряжения источника переменного тока, Теоретичеоки можно собрать любое четное число денсаторных ячеек N, емкости которых аа ряжаютбя до двойного амплитудного значв ния напрйжения источников. Тогда сумма г ное налряжение последовательно соединев ных конденсаторов SIU равно 2-/Гыи EU,.2 где и - действующее значение напряжения источника переменного тока. При этом частота разряда конденсаторов на импульсную нагрузку равна : частота источника переменно- го тока. . Важно также отметить, что при любом выбранном числе конденсаторных ячеек N, разрядная цепь конденсаторов упраЬляеэ ся лишь одним управляемым ведтилем (тиристором или разрядником). Кроме того, с целью обеспечения стабилизации уровня энергии в нагрузке в каждом разрядном цикле устройство для заряда снабжено дополнительными тиристорами и индуктивностью, приводящими схему к нулевым начальным условиям перед каждым циклом резонансного заряда накопительных конденсаторов и стабилизирующими уровень запасаемой энергии в них при каждом разрядном цикле. Зарядное устройство накопительных кондейсаторов (фиг. 1) обеспечивает питание ,77 импульсной нагрузки, если последняя не предъявляет повышенных требований к стабильности запасаемой энергии в емкостях в каждом зарядном цикле. Как известно, количество запасенной энергии в конденсаторах при резонансной ихзарядке в существенной мере зависит от величины напряжения источника переменного тока, от отклонения частоты источника от резонансной и от правильного подбора емкостей конденсаторов в ячейкАх. Если влияние отклонения напряжения и частоты источника от заданного значения на величину запасаемой энергии в кон денсаторах очевидно, то влияние выбора емкости конденсаторов каждой ячейки требует пояснения. Зарядное устройство должно иметь одинаковую емкость в конденсаторах всех ячеек. Но на практике не возможно выбрат несколько конденсаторов, имеющих совершенно одинаковую емкость. Предположим, что одкн из накопительных конденсаторов имей- несколько большую емкость, чем остальные. Тогда энергия, запасенная в нем, становится несколько больше, чем в остальных. При разряде последовательно соединенных конденсаторов на импульсную нагрузку ток разряда, проходящий по .конденсаторам, одинаков, а это значит, что конденсатор, имеющий большую емкость, разрядится позднее, чем остальные. Есяв считать, что емкости остальных трех 1г6нйенсатбр6 одинаковы, то при разряде конденсаторов на импульсную нагрузку Ha стйкет момент времени, когда напряжение на них станет равным нулю (конденсаторы полностью отдали свою энергию в : нагрузку), а напряжение на конденсаторе, имеющем большую емкость, отлично от нуля и имеет полярность, полученную при его заряде. Этот конденсатор продолжает отдавать свою энергию в нагрузку, при этом перезаряжая остальные три конденсатора. Ток зар51да конденсаторов становится равным нулю (тиристор 15 запирается) лишь тог да, когда напряжение на конденсаторе, имеющем большую емкость, равно сумме напряжений трех последовательно соединенных конденсаторов, имеющих обратную полярность. Таким образом, после заряда конденса торов на нагрузку один нз них сохраняет остаточный заряд одного знака, а три дру .гих имеют остаточный заряд другого знак При следующем зарядном цикле резонансный заряд ковденсаторов начинается не 178 при нулевых начальных условиях, а следовательно, уровень запасенной энергии в них отличается от уровня предшествующего зарядного цикла. При некоторых условиях наблюдается тенденция к увеличению разброса уровней запасаемой конденсаторами в различных зарядных циклах. Рассмотренные процессы значительно усложняются, если предположить, что все четыре конденсатора имеют неодинаковые емкости. Устройство для заряда накопительных конденсаторов, представленное на фиг. 2, предназначено для приведения схемы заряда емкостей к нулевым начальным условиям к началу каждого зарядного цикла и стабилизации уровня запасенной энергий в конденсаторах в конце этих циклов. Источник 1 переменного тока через линейный дроссель 2 резонансным методом заряжает конденсаторы четырех ячеек. Вентили и конденсаторы 3-15 всех ячеек собраны по схеме, изображенной на фиг. 1. Импульсная нагрузка 16 подключена к выходным клеммам четырех последовательно соединенных конденсаторов. Блоки контроля .напряжения и управления тиристорами вьшолняют не только функции по управлению тиристорами 3, 6, 8, 11, 12, 14 и 15, но и.дополнительные, описанные выше. Параллельно конденсаторам всех ячеек подключены цепочки, состоящие из управляемых вентилей 22-25 и дросселей 26-29. К выходным клеммам линейного дросселя 3 подключены два управляемых вентиля 31 и 32. Напряжение, снимаемое со всех конденсаторов, подводится к блоку 17 контроля напряжения, который подключен к генератору 18 тактовых импульсов, последний, в свою очередь, подает импульсы к устройству 19 временного сдвига, выполненного на кольцевом счетчике 20 и дешифраторе 21. Схема (фиг. 2) обеспечивает работу устройства для заряда в двух режимах. Первый режим работы схемы служит для приведения к нулевым начальным ус-ловиям перед зарядным циклом конденсаторов. После отпирания тиристора 15 конденсаторы разряжаются н импульсную на-J. грузку. Так как емкости конденсаторов неодинаковы, то их разряд прекращается, когда сумма всех напряжений конденсаторов становится равной нулю. Таким образом, каждый конденсатор имеет остаточное напряжение, в общем случае, произ9. 7 вольного знака. Для уничтожения остаточного заряда конденсаторов и -приведения резонансной схемы заряда к нулевым начальным условиям в качестве управляемых вентилей 22-25 необходимо использовать .симисторы, сигналы на открытие которых в обоих направлениях подаются сразу же после запирания тиристора 15. Происходит разряд конденсаторов через коротксизамкнутую цепь тиристор - индуктивность, Дроссели 26-29 представляют Собой один или несколько витков провода. Следует отметить, что остаточные значения емкости в конденсаторах после их разряда на нагрузки очень невелики, поэтому и энергия, рассеиваемая токрподводяшими проводами, активным сопротивлением индуктивности и тиристорами, также невелика. При работе схемы в первом режиме тиристоры 31 и 32 не используются. Второй режим работы схемы п едусмат ривает стабилизацию уровней энергии, накапливаемой конденсаторами, в каждом цикле. При этом, блок контроля напраже.ния конденсаторов следит за уровнем, напряжения на конденсаторах при их разряде на импульсную нагрузку. Как только напряжение на одном из конденсаторов стайовится равнь1м нулю, от блока дешифра тора 21 поступают сигналы управления на тиристоры 22-25, тиристоры отпираются и остаточные заряды всех остальных трех конденсаторов рассеиваются в короткозам- кнутой цепи. В этом режиме работы в качестве управля-емых 22-25 можно использовать тиристоры, так как схема не допус кает перезаряда конденсаторов. Для стабилизации уровня энергии, запаса емой конденсаторами при их заряде, который зависит не только от величины емкости, но и от колебаний напряжения и частоты, источника относительно номинальной, в схему введен ключевой ограничитель 30 амплитуды, вьтолненный в виде двух соединенньгх встречно-параллельно тиристоров 31 и 32, при этом управляющие входы тиристоров подключены к выходу ячейки временного сдвига импульсов. Схема стабилизации энергии, запасаемой конденсаторами, работает следующим образом. Предварительно выбирается минимально возможное напряжение заряда конденсатора. Другими словами, при любьЬс допустимых колебаниях напряжения и частоты источника при резонансном заряде конденсатора схема обеспечивает его заряд до минимально возможного напряжения. Блок контроля напряжения конденсаторов следу17ет за -уровнем напряжения конденсатора при его заряде. Как только оно достигает минимально допустимого значения, подает ся упра,вляющий импульс на тиристор 31, который отпирается и шунтирует дроссель. . При этом нарушаются условия резонансного заряда конденсатора и его заряд прекращается, так как напряжение источника знач№тельно меньше напряжения на конденсаторе. Если производится заряд конденсаторов 10 и 13, которые заряжаются при прохождении отрицательной волны напряжения, то для стабилизации уровня напряжения заряда конденсаторов 10 и 13 необходимо иопользовать тиристор 32, шунтирующий дроссель 2 в обратном направлении. Полная энергия, записанная в четырех конденсаторах, будет равна учетверенному значению энергии одноГо конденсАтора, который заряжается резонансным путем рт источника переменного тока, при мак- римальном допустимом отрицательном отклонении по напряжению и частоте относительно номинальных значений. При этом естественно, энергия, снимаемаяj- со всех конденсаторов несколько уменьшается, но, если учесть, что возможные колебания напряжения частоты и величины емкости конденсаторов составляют 1-2%, то общие потери энергии невелики. Формула и.3 обре тения 1. Устройство для заряда накопительных конденсаторов, содержащее источник переменного тока, токоограничивающий линейный дроссель, вентильно-конденсаторный вьшрямитель-умножитель напряжения, подключенный к импульсной нагрузке, уп- равляемые вентили и блок контроля напряжения и управления управляемыми венти- . 11ЯМИ, отличающееся тем, что, р целью повышения удельных энергетичес- показателей, вентильно-конденсаторных вьшрямитель-умножитель напряжения выполнен в виде четырех соединенных параллельно ячеек, каждаяиз которых образована двумя включенными согласно вентилями, соединенными друг с другом через онденсатор, аноды управляемых вентилей Первой и второй ячеек и катоды неупра&ляемого вентиля третьей и управляемого вентиля четвертой ячеек через токоогра- ничивающий линейный дроссель подключены к одной клемме, а катоды неуправляемого вентиля первой, управляемого вентиля второй и анодов управляемых вентилей третьей и четвертой ячеек - ко второй клемме источника переменного тока, при этом катод управляемого вентиля первой 51чейки соединен с анодом управляемого вентиля второй ячейки, соединенного с конденсатором, катод управляемого вентиля третьей ячейки соединен с анодом управляемого вентиля четвертой ячейки, со диненного с конденсатором, и катод управ ляемогх) вентиля второй ячейки соединен с анодом дополнительного управляемого вентиля катод которого соединен с анодом неуправляемого вентиля третьей ячейки, в свою очередь точка соединения катода управляемого вентиля и койденсатора в четвертой ячейке подключена к положительной клемме, а анод неуправляемого вентиля первой ячейки соединен с отрицательной клеммой генератора мощны импульсов, причем управляющие входы управляемьк вентилей подклоочёгам к выходу ячейки временного,сдвига импульсов, выполненнЬй,например, на кольцевом счет деши4 аторе. 2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью стабилизации уровня энергии в нагрузке, парал737 леяьно каждому из конденсаторов вентильно-конденсаторных ячеек включены цепочки из соединенных последовательно дополни-тельно введенных управляемого вентиля и дросселя, причем аноды дополнительно . введенньгх управляемых вентилей подклк чены к катодам управляемых вентилей в первой и второй вентильно-конденсаторной ячейках непосредственно, в третьей и четвертой - через дополнительно введенный дроссель, а параллельно токоограничива щему линейному дросселю включен дополнительно введенный ключевой ограничитель амплитуды, выполненный в виде двух соединенных встречно-параллельно управляемых вентилей, при этом управляющие входы дополнительно введенных управляемых вентилей подключены к выходу ячейки временного сдвига импут сов, ч Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент, США № 3461849, кл. 321-15, 1969. 2.Авторское свидетельство СССР № 362435, кл. Н 03 К 3/57, 1973 (прототип).

.

ts