Зарядное устройство для емкостного накопителя энергии

Предлагается зарядное устройство для емкостного накопителя энергии (ЕНЭ), содержащее источник питания постоянного напряжения Е, подключенный к двум зарядно-разрядным контурам, в которые входят два дозирующих индуктивных реактора Ни L2, тиристоры Т1 и Т2, диоды D1 и D2, цепь с разделяемыми емкостями С1 и С2, ключами К, Kl, K2 и диодом D, а также коммутационная емкость Ск, отличающееся тем, что в цепи источника питания отсутствует добавочный резистор, а вместо сосредоточенной накопительной емкости используется совокупность разделенных емкостей, соединенных ключами K1, К и K2 таким образом, чтобы изменять величину общей накопительной емкости и уровень напряжения на ней непосредственно в процессе заряда и разряда емкостного накопителя энергии.

Предлагаемое устройство может быть эффективно использовано в мощных электроустановках постоянного тока для заряда ЕНЭ (например, на тяговой подстанции железной дороги постоянного тока 3,3 кВ для сглаживания графика энергопотребления). Достоинство предлагаемого устройства состоит в том, что оно может эффективно работать без добавочных резисторов в цепи заряда, снижать мертвый объем ЕНЭ с 40% до 15% и менее, повышать скорость заряда на 15%, а КПД заряда увеличивать с 82% до 98%.

Полезная модель относится к области электротехники, а точнее к устройствам заряда от источника питания постоянного напряжения мощных емкостных накопителей энергии (ЕНЭ), выполненных главным образом на базе импульсных конденсаторов сверх высокой емкости [1].

Известны зарядные устройства (ЗУ) для заряда отдельных емкостей и заряда ЕНЭ на тяговой подстанции постоянного тока 3,3 кВ [2, 3, 4]. Упомянутые ЗУ отличаются не совершенными техническими характеристиками, а именно: не достаточно высоким КПД, низкой скоростью заряда и высоким уровнем мертвого объема. Наиболее близким по технической сущности является устройство, описанное в [2]. Это устройство и принято за прототип (Фиг.1).

Принцип действия прототипа основан на том, что энергия от источника постоянного напряжения, пропорциональная квадрату тока, поочередно накапливается в двух индуктивностях, и так же поочередно сбрасывается в емкость (пока одна индуктивность накапливает - другая индуктивность сбрасывает, и наоборот).

На первом этапе от блока управления (БУ) подается импульс (ток) на управляющий электрод тиристора и тиристор открывается (БУ на рисунке не показан). Собирается электрическая схема, показанная на Фиг.2а. Из тяговой сети потечет ток, который имеет две составляющие I1 и Iк1:

I1 - ток заряда индуктивности;

Iк1 - ток заряда коммутационной емкости, протекающий через индуктивность.

Током I1>Iк1 заряжается индуктивность дозирующего реактора, током Iк1 - коммутационная емкость (знаки заряда см. на Фиг.2а). Заряд дозирующего реактора будет протекать до тех пор, пока значение тока I1 не достигнет выбранного максимального значения, в данном случае I1max=1000 A. К этому времени коммутационная емкость будет заряжена током Iк1 до напряжения сети с полярностью, указанной на схеме ЕНЭ (Фиг.2а) внизу под коммутационной емкостью (-; +).

Вся накопленная в индуктивности энергия равная:

за вычетом потерь в активных сопротивлениях (в сопротивлении обмотки индуктивностей, а также в активном сопротивлении ветви с емкостью) должна перейти в накопительную емкость. Для этого необходимо прервать ток I1 через тиристор. Закрыть первый тиристор можно открыв тиристор второй.

На втором этапе осуществляется открытие второго тиристора аналогично тиристору первому, подачей импульса на его управляемый электрод. В этот момент на какое-то время оказываются открытым оба тиристора (Фиг.2б). Ток через вторую индуктивность и второй тиристор (обозначим его 12) образует свой независимый контур. Однако под действием заряда коммутационной емкости образуется контурный ток 1к в цепи уже двух тиристоров, причем направление тока Iк обратно току I1.

Как только значение Iк станет равным I1, прохождение тока через первый тиристор прекратится и он закроется. При этом начнется третий этап, через второй тиристор будет продолжать протекать ток заряда второй индуктивности (Фиг.2в), а к индуктивности первой окажется автоматически подключенной цепь из диода и накопительной емкости, благодаря чему ток через первую индуктивность не прервется, а замкнется через указанную накопительную емкость, и проходя через нее будет передавать ей энергию, накопленную в индуктивности.

Энергия из индуктивности через диод постепенно будет сбрасываться в накопительную емкость, а в это время в другой индуктивности будет накапливаться энергия, приносимая током I2. Заряд второй индуктивности окончится в тот момент времени, когда значение тока I2 также достигнет выбранного максимального значения I_2max =1000 А. Необходимо, чтобы за это время первая индуктивность полностью разрядилась на накопительную емкость, т.е. ток I2 в индуктивности дошел до 0.

Форма тока разряда индуктивности на накопительную емкость определяется параметрами цепи индуктивностей и накопительной емкости. Разряд носит колебательный характер, поэтому если бы не было диода в цепи, то после достижения нуля током в индуктивности, ток должен был бы продолжать нарастать в обратном направлении. Однако, благодаря наличию диода обратного тока не будет (его не пропустит диод).

В момент, когда заряжается вторая индуктивность происходит перезаряд коммутационной емкости (+; -). После этого вновь открывается первый тиристор, второй тиристор при этом автоматически закрывается, и т.д., т.е. процессы повторяются.

На фиг.3. показаны диаграмма токов I1, I2 и напряжения накопительной емкости Uc в функции времени при конкретных параметрах схемы, применяемой для тяговой сети постоянного тока железных дорог.

Недостатком прототипа является следующее: Одним из главных условий работы данной схемы заряда является то, что на любом этапе работы схемы вся энергия дозирующего реактора должна передаваться в цепь накопительной емкости. Другими словами, время заряда Т_ЗL реактора до максимального тока реактора Imax должно быть не меньше времени разряда Т_РL реактора на накопительную емкость, т.е. Т_ЗLТ_РL, поэтому в цепи заряда в линии после источника питания необходим добавочный резистор, который снижает скорость нарастания тока при заряде индуктивностей. Однако наличие в схеме добавочного резистора снижает общий КПД зарядного устройства.

Техническим результатом заявленной полезной модели является специальная конструкция конденсаторной батареи, позволяющая удалить из схемы зарядного устройства добавочный резистор, что повысит КПД всего устройства и уменьшит мертвый объем конденсаторной батареи.

Технический результат достигается за счет того, что ветвь с накопительной емкостью в прототипе (фиг.1.) заменяется на другую цепочкой с разделяемой емкостью. Причем величина совокупности емкостей в цепочке в сумме составляет величину, равную накопительной емкости в прототипе.

Заявленная полезная модель иллюстрируется чертежом фиг.4.

Данное зарядное устройство содержит источник питания постоянного напряжения 1, подключенный к двум зарядно-разрядным контурам, в которые входят два дозирующих индуктивных реактора 3 и 5 со своими внутренними сопротивлениями 4 и 6, тиристоры 9 и 10, диоды 7 и 8, цепь с двумя разделяемыми емкостями 15 и 16 и внутренним сопротивлением 2, ключами 12, 13, 14 и диодом 17, а также коммутационную емкость 11 (Фиг.4.).

Сущность зарядного устройства для ЕНЭ с разделяемой емкостью заключается в следующем: Время разряда индуктивности в замкнутом контуре L-C емкость зависит от величины емкости С и напряжения на ней Uc. Чем выше Uc и ниже С, тем быстрее происходит разряд индуктивности (2).

где

где: L - индуктивность одного из реакторов (3 или 5 на фиг.1.);

R_L - активное сопротивление одного из реакторов (4 или 6 на фиг.1.);

С - общая накопительная емкость ЕНЭ (12 на фиг.1.);

R_c - активное сопротивление ветви с емкостью (13 на фиг.1.). Регулирование величины общей емкости ЕНЭ и его напряжения дает необходимый результат.

Для конкретного применения в тяговой сети постоянного тока железных дорог новое устройство работает следующим образом: Начальное напряжение заряда ЕНЭ Uco равно конечному напряжению разряда ЕНЭ, т.е. минимальному напряжению тяговой сети порядка 2700 В. Диаграмма напряжения при заряде ЕНЭ с разделяемой емкостью выглядит следующим образом, фиг.5.

При этом емкости 15 и 16 (фиг.4.) соединены параллельно (ключ 13 - разомкнут, ключи 12 и 14 - замкнуты (фиг.4.)). На диаграмме напряжения (фиг.5.) - это момент t₀.

Для случая тяговой сети железных дорог постоянного тока [3] необходимое условие TзL>=TpL выполняется при напряжении на емкости Uc>=3500 B, т.е. при превышении Uco на 30%, поэтому в начале заряда ЕНЭ емкости 15 и 16 включаются последовательно (ключ 13 - замкнут, ключи 12 и 14 - разомкнуты), что позволяет общую емкость ЕНЭ уменьшить вдвое, а напряжение Uco увеличить вдвое до величины свыше 5000В (момент t₁). После этого происходит обычный заряд ЕНЭ описанный в работе прототипа.

В момент t₂, когда общее напряжение ЕНЭ достигнет уровня Uc>=7000 B без прерывания заряда, что обеспечивает диод 17, происходит переключение емкостей 15 и 16 в параллель (ключ 13 - разомкнут, ключи 12 и 14 - замкнуты). При этом общая емкость ЕНЭ становится номинальной, а заряд продолжается до максимального напряжения Uc=4000 B, т.е. до момента t₃ .

В режиме заряда ЕНЭ при достижении минимального значачения напряжения на емкости Ucmin, т.е. достижении мертвого объема, разделенная емкость позволяет повысить уровень напряжения на ЕНЭ путем аналогичных переключении ключей 13, 12 и 14 в обратной последовательности. При разделении емкости на большее количество секций уровень напряжения на выходе ЕНЭ можно регулировать более плавно.

Таким образом, заявленное устройство позволяет: эффективно работать без добавочного резистора 2 (фиг.1.), снизить мертвый объем ЕНЭ с 40% до 15% и менее, повысить скорость заряда на 15%, а КПД заряда увеличить с 82% до 98%.

Предлагаемое ЗУ может быть эффективно использовано в мощных электроустановках постоянного тока для заряда ЕНЭ (например, на тяговой подстанции железной дороги постоянного тока 3,3 кВ для сглаживания графика энергопотребления и принятия избыточной энергии рекуперации).

Источники информации:

[1] Иванов А.М., Герасимов А.Ф. «Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя», Электричество, №8, 1991 г.

[2] Пупынин В.Н., Никитин В.А. "Условия эффективного использования емкостного накопителя энергии в системах тягового электроснабжения железных дорог". Электричество, №1,1993 г. (ПРОТОТИП)

[3] Пупынин В.Н. Шевлюгин М.В. "Разработка энергосберегающих схем тягового электроснабжения железных дорог постоянного тока 3,3 кВ с использованием накопителей энергии" // "Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы в области железнодорожного транспорта", Сборник научных трудов, МГУ ПС (МИИТ) 1998 г., вып.916.

[4] О.Г.Булатов, В.С.Иванов, Д.И.Панфилов, «Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии», М.: «Радио и связь», 1986 г.

Зарядное устройство для емкостного накопителя энергии, содержащее источник питания постоянного напряжения, подключенный к двум зарядно-разрядным контурам, в которые входят два дозирующих индуктивных реактора, два тиристора, два диода, цепь с двумя разделяемыми емкостями, тремя ключами и диодом, а также коммутационную емкость, отличающееся тем, что в качестве накопительной емкости используется совокупность разделенных емкостей, с одной стороны соединенных ключом через плюс первой емкости и минус второй емкости для последовательного соединения общей накопительной емкости и соединенных двумя ключами через плюсы и минусы обеих емкостей для параллельного соединения общей накопительной емкости таким образом, чтобы изменять величину общей накопительной емкости и уровень напряжения на ней непосредственно в процессе заряда и разряда емкостного накопителя энергии.