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

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к устройствам для заряда накопительных конденс торов, используемых в качестве импульсного источника питания ламп накачки оптических квантовых генераторов, в локационной технике, в уста новках электроискровой обработки материалов и т.п. импульсных потребителей энергии. Известно устройство для заряда накопительного конденсатора мощных импульсов, содержащее источник переменного тока и вентильно-конденсатор ный выпряг штель-умножитель (удвоитель) напряжения Недостатками известного устрой.ства является малое значение умножения- напряжения и завышенные массогабаритнк1Э показатели устройства в целом. . Наиболее близким техническим решением к пре.цлагаемому изобретению является устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный источник переменного тока вентильно-конденсаторный выпрямитель умножитель напряжения, образованный вентильной и конденсаторной ячейками последовательно соединенные конденса торы которого образуют накопительный конденсатор, подключенный к сопротивлению нагрузки через управляемый ключевой разрядник, и образующие с последовательно соединенными вентилями кольцевую схему, при этом точки соединения каждой пары конденсаторов подключены к одному из выводов фазовой обмотки трехфазного источника переменного тока, (Точка.соединения каждой пары вентилей - к другому выводу этой обмотки, и блок контроля напряжения и управления ключевым разрядником 2 . Недостатками устройства являются неравномерная и неполная нагрузка фаз.источника переменного тока и различные напряжения на конденсаторах, а также завышение его массогабаритных показателей. Кроме того, в схеме практически отсутствует возможность простого регулирования уровня зарядного(напряжения накопительных конденсаторов генератора мощных импульсов. Цель изобретения - улучшение массо-габаритных показателей устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для заряда накопительного конденсатора, содержащем трехфазный источник переменного тока вентильно-конденсаторный выпрямительумножитель напряжения, образованный вентильной и конденсаторной ячейками последовательно соединенные конденсаторы которого образуют накопительный конденсатор, подключенный к сопротивлению нагрузки через управляемый ключевой разрядник, и образующие с последовательно соединенными вентилями кольцевую схему, при этом точки соединения каждой пары конденсаторов подключены к одному из выводов фазовой обмотки трехфазного источника переменного тока, точка соединения каждой пары вентилей - к другому выводу этой же обмотки, и блок контроля напряжения и управления ключевым разрядником, вентильная и конденсаторная ячейки объединены и образуют шесть последовательно соединенных вентильно-конденсаторных групп, выполненных в виде кольцевой схемы, причем началом каходой вентильноконденсаторной группы является анод неуправляемого вентиля, катод которого соединен с одной обкладкой конденсатора, а концом - катод управляемого вентиля, анод которого соединен с другой обкладкой того же конденсатора, все шесть вентильно-конденсаторных групп через ключевой разрядник соединены последовательно, а крайние выводы вентильно-конденсаторных групп подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам устройства, при этом одни из выводов каждой фазовой обмотки трехфазного ист.очника переменного тока подключены к началам трех соседних вентильно-конденсаторных групп и к концам трех других вентильно-конденсаторных групп, а вторые выводы фазовых обмоток того же трехфазного источника переменного тока объединены и подключены к катодам шести коммутирующих управляемых вентилей, аноды которых соединены с обкладками соответствующих пар конденсаторов .

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема устройства для заряда накопительного конденсатора.

Устройство содержит источник 1 тр фаэного переменного тока, фазовна обмотки которого соединены по схёЫе звезда с выведенным нулем . (нейтралью) , своими линейными выводами подключенный к шести вентильноконденсаторным группам и осуществляющий зарядку шести конденсаторов по двухполупериодной -схеме выпрямления. Каждаявентильно-конденсаторная группа состоит соответственно из одного управляемого вентиля-тиристора (2, 3, 4, 5, 6 и 7), одного неуправляемого вентиля-диода (8,9,10,

11, 12 и 13) и одного конденсатора (14, 15, 16, 17, 18 и 19). Катод тиристора и анод диода каждой из этих групп подключены к линейным .выводам трехфазного источника переменного тока, а анод тиристора и катод диода -этой .же группы соединены с обкладками конденсатора. Три вентильно-конденсаторные группы подключены соответственно к линейным зажимам трехфазного источника переменного тока АВ, ВСиСАв прямом направлении, а три другие группы - к тем же линейным зажимам в обратном направлении. Все шесть конденсаторов вклю1чены между собой последовательно че резуправляемый ключевой разрядниктиристор 20, а крайние выводы конденсаторов 14 и 17 подключены к положительному и отрицательному выводам устройства, соединенным с сопротивлением импульсной нагрузки 21.

Точка соединения анода тиристора с конденсатором в каждой из шести групп подключена к аноду коммутирующего тиристора 22, 23, 24, 25, 26 и 27, катод которого соединен с нулевой точкой трехфазного источника 1 переменного тока.

Блок 28 контроля напряжения накопительного конденсатора подключен к iгенератору 29 тактовых импульсов, который подает импульсы к устройству временного сдвига импульсов, выполненному, например, на кольцевом счетчике 30 и дешифрато ре 31. Переключатель 32 служит для выбора режима работы устройства. Управляющие электроды всех тиристоров схемы выведены на шины управления,которые имеют ту же нумерацию, что и все тиристоры (2-7, 20 и 22-27) . Шина управляющих электродов коммутирующих тиристоров 22-27 общая, и она подключена к нулевой точке трехфазного источника переменного тока. Порядок срабатывания всех тиристоров схемы в казвдом из трех режимов работы устройства соответствует порядку цифр, обозначенных на дешифраторе.

Устройство для заряда накопительного конденсатора (в зависимости от программы подачи управляющих импульсов на тиристоры) может работать в трех различных режимах, при этом напряжение, до которого заряжается г накопительный конденсатор, изменяется в достаточно большом диапазоне.

При рассмотрении рйботы устройства в первом режиме (зарядное напряжение каждого конденсатора равно амплитудному значению линейного напряжения трехфазного источника переменного тока) условимся считать, что в начальный момент времени линейное напряжение АВ равно нулго, ив следующий момент времени оно увеличивается в положительном направлении. Примем это за начало отсчета. От деширатора 31 поступает управляющий импульс на открытие тиристора 6, который отпирается, и ток от фазы АХ через диод 12- поступает в конденсатор 18, а через тиристор б возвращается фазу BY. Черезчетверть периода конденсатор 16 зарядится до амплитудног значения линейного напряжения трехфазного источника переменного тока, ток зарядки станет равным нулю, и тиристор б погаснет естественным путем. В свою очередь через 60° от начала отсчета времени возникает отр дательная волна линейного напряжения фаз СА, и в этот же момент времени подается управляющий импульс на открытие тиристора 4,который отпираетс открывая доступ зарядного тока в конденсатор 16. Через четверть периода конденсатор 16 зарядится до амплитудного значения линейного напря;кения трехфазного источника переменного тока, а тиристор 4 погаснет. Через 120 от начала отсчета возникает положительная волна линейного напряжения фаз ВС. От дешифратора 31 поступает управляющий импульс на отпирание тиристора 5, и производится зарядка конденсатора 17. Так как процесс з-арядки всех шести конденсаторов одинаков, то далее перечислим очередность отпирания тиристоров и последовательность зарядки конденсаторов . Следующие управляющие импульсы подалотся сначала на тиристор 3, далее на тиристор 7, а затем на тиристор 2. Сначала заряжается конденсатор 15, далее конденсатор 19, а затем конденсатор 14. Следовательно, за время, соответствующее одному периоду изменения напряжения, все шесть конденсаторов оказываются заряженными до амплитудного значения линейного напряжения источника. При подаче управляющего импульса на управляемый разрядник-тиристор 20 все шесть конденсаторов по отношению к импульсной нагрузке 21 включены последовательно, а напряжение, приложенное к нагрузке, равно шестикратному амплитудному значению линейного напряжения трехфазного источника переменного тока.

В предлагаемом устройстве для заряда накопительного конденсатора предусмотрена также возможность ликвидации периодической составляющей тока в импульсной нагрузке. Известно, что любой генератор мощных импульсов имеет свою собственную индуктивность, к которой добавляется индуктивность токопроводящих проводов и шин. Реактивное сопротивление этих индуктивностей,. при всем стремлении к их уменьшению, если учесть большую частоту разрядного тока, имеет значительную величину. Условно примем, что емкости всех шести последовательно соединенных конденсаторов устройства равны

между собой. Тогда их можно заменить одним эквивалентным. При его разряде на импульсную нагрузку ток, протекающий по индуктивности, злпасает в ней энергию магнитного поля. При полном разряде накопительного конденсатора по нему будет продолжать течь ток за счет энергии, накопленной в индуктивности (направление тока раз- . ряда накопительного конденсатора совпадает с током в индуктивности),

fO перезаряжая накопительный конденсатор. При этом возникают дополнительные потери как в импульсной нагрузке, так и в самом устройстве для заряда..

Для устранения этих потерь в мо15мент полного разряда накопительного конденсатора подается управляющий импульс на тиристор 5, который отпирается и замыкает через диод 8 выходные выводы устройства (импульсной нагрузки). Энергия магнитного поля

0 при этом будет рассеиваться на со- . противлении коротко замкнутой цепи,. Подобное рассеивание энергии, запасенной в индуктивности, используется во всех трех режимах работы уст5ройства.

Во втором режиме работы устройства зарядное напряжение каждого конденсатора равно амплитудному значению фазного напряжения. При возник0новении положительной волны напряжения в фазе АХ дешифратор 31 выдает управляющие импульсы на коммутирующие тиристоры 24 и 26, при этом заряжаются конденсаторы 16 и 18.

5 Спустя четверть лериода ток зарядки конденсаторов становится равным нулю, и коммутирующие тиристоры гаснут. При появлении положительной волны напряжения в фазе BY управляющие импульсы подаются на ком0мутирующие тиристоры .23 и 25, и происходит зарядка конденсаторов 15 и 17. Далее заряжаются конденсаторы 19 и 14, так как импульсы управления поступают на коммутирующие ти5ристоры 27 и 22. Разряд накопительного конденсатора производится подачей импульсов управления на разрядник-тиристор 20. Все шесть соединенных последовательно конденсаторов

0 разряжаются на импульсную нагрузку 21.

В третьем режиме работы устройства .напряжение каждого конденсатора

;равно одной трети амплитуды фазного напряжения. При этом работает лишь .

5 одна фаза CZ трехфазного источника переменного тока. При во.зникновении положительной волны напряжения от- . крываются коммутирующие тиристоры 25 к 24, и к двум группам конденсаторов 14-16, а также 17-19 приклады0

1вается фазное напряжение трехфазного источника переменного тока. Каждый конденсатор при этом заряжается до напряжения,равного одной трети амплитуды фазного напряжения.

Следовательно, накопительный конденсатор может заряжаться до трех уровней напряжений , 6 2ТГ(}) и , где иф и Uj - соответственно действующие значения фазного и линейного напряжения трехфазного источника переменного тока.

Предлагаемое устройство позволяет изменять напряжение на нагрузке в широком диапазоне, так как осущест. вляет бестрансформаторное повышение напряжения зарядки накопительного конденсатора, а элементы выпрямителя и источник по изоляции могут быть подобраны на напряжение, в шесть раз меньшее, чем напряжение импульсной нагрузки. Оно обеспечивает экономичный заряд накопительного конденсатора от источника трехфазного переменного тока при частоте разрядных импульсов, равной частоте источника тока. Изменением программы подачи импульсов управления на тиристоры схемы возможно получение трех уровней напряжения заряда шести емкостей накопительного конденсатора, тем самым существенно снижая требования к изоляции элементов схемы устройства и к источнику трехфазного переменного тока, что улучшает массо-габаритные показатели устройства в целом

Таким образом, объединение вентильной и конденсаторной ячеек, вентили и конденсаторы которых-образуют шесть последовательно соединенных вентильно-конденсаторных групп, выполненных в виде кольцевой схемы, причем началом каждой вентильно-конденсаторной группы является анод неуправляемого вентиля, катод которого соединен с одной обкладкой конденсатора , а концом - катод управляемого вентиля, анод которого соединен с другой обкладкой того же конденсатора, все шесть вентильно-конденсаторных групп через ключевой разрядник соединены последовательно, а крайние выводы вентильно-конденсаторных груп подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам устройства, при этом одни из выводов каждой фазовой обгютки трехфазного нточн1 ка переменного тока подключены к началам трех соседних вентильноконденсаторных групп и к концам трех других вентильно-конденсаторных групп, а вторые выводы фазовых обмоток того же трехфазного источника nejkeMeHHoro тока объединены и подключены к катодам шести коммутирующих управляемых вентилей, аноды которых соединены с обкладками соответствующих пар конденсаторов, обеспечивает улучшение массо-габаритных показателей устройства для заряда накопительного конденсатора, величина энергии, запасаемая которым, регулируется с помощью коммутирующих управляемых вентилей-тиристоров и блока контроля

напряжения и управления ключевым раз- рядНИКОМ.

Формула изобретения

5 Устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее трехфазный источник переменного тока, вентиль но-конденсаторный выпрямитель-умножитель напряжения, образованный Q вентильной и конденсаторной ячейками, последовательно соединенные конденсаторы которого образуют накопительный конденсатор, подключенный к сопротивлению нагрузки через управляемый ключевой разрядник, и образующие с последовательно соединенными вентилями кольцевую схему, при этом точки соединения каждой пары конденсаторов подключены к одному из выводов фазовой обмотки трехфазного

О источника переменного тока, точка соединения каждой пары вентилей - к другому выводу этой же обмотки, и блок контроля напряж ения и управления ключевым разрядником, о т л и 5 чающееся тем, что, с целью улучшения массо-габаритных показателей, вентильная и конденсаторная ячейки объединены , и образуют шесть последовательно соединенных вентильQ но-конденсаторных групп, выполненных в виде кольцевой схемы, причем началом каждой вентильно-конденсаторной группы являе.тся анод неуправляемого вентиля, катод которого соединен с

r одной обкладкой конденсатора, а концом - катод управляемого вентиля, анод которого соединен с другой обкладкой того же конденсатора, все шесть вентильно-конденсаторных групп через ключевой разрядник соединены последовательно, а крайние выводы вентильно-конденсаторных групп подключены соответственно к положительному и отрицательному выводам устройства, при этом одни из выводов каждой фазовой обмотки трехфазного источника переменного тока подключены к началам трех соседних вентильноконденсаторных групп и к концам трех других вентильно-конденсаторных групг

0 3 вторые выводы фазовых обмоток

того же трехфазного источника переменного тока объединены и подключены к катодам шести коммутирующих управляемых вентилей, аноды которых соg единены с обкладками соответствующих пар конденсаторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Чиженко И. М., Руденко В. С. и Сенько В. И. Основы преобразоваQ тельной техники. М., Высшая школа 1974, с.337, рис. 11.5.

2.Рогинский В. Ю. Электропитание радиотехнических устройств. М. Л,, ГЭИ, 1957, с.147, рис.3.30 (прототип).