Автономный высоковольтный комплекс
Автономный высоковольтный комплекс относится к высоковольтной технике, и наибольшее применение может найти в мобильных устройствах, использующих разряд емкостного накопителя энергии. Полезная модель комплекса может быть использована в лазерной технике и других областях техники. Полезная модель направлена на уменьшение массы комплекса и механической мощности привода электромашинного источника; увеличение электрической прочности изоляции источника и трассировки зарядной цепи высоковольтного комплекса; уменьшение величины переменного зарядного напряжения источника и повышение надежности работы автономного высоковольтного комплекса; повышение коэффициента полезного действия комплекса. Поставленная техническая задача в полезной модели согласно формуле достигается тем, что в автономном высоковольтном комплексе в качестве источника использован ненасыщенный высоковольтный электромашинный генератор дискового типа с форсированным самовозбуждением. Якорь такого генератора выполнен в виде электрически изолированных магнитных вставок, укрепленных в дисках-держателях из прочного электроизоляционного материала. Генератор подключается к накопителю через выпрямитель только на время его зарядки с помощью дополнительно введенных отделителей быстродействующего коммутационного аппарата. Применение такого генератора позволяет уменьшить массу комплекса, а отключение его от накопителя после заряда с помощью отделителей быстродействующего коммутационного аппарата существенно повышает электрическую прочность элементов и трассировки комплекса. Использование кинетической энергии дисковых роторов генератора позволяет увеличить его среднюю зарядную мощность и уменьшить мощность привода. Форсированное самовозбуждение ненасыщенного генератора обуславливает линейное нарастание зарядного напряжения на накопителе, обеспечивая при этом заряд постоянным по величине током, что, во-первых, создает благоприятные условия для работы вентилей высоковольтных выпрямителей, повышая надежность их работы, а во-вторых, существенно увеличивает КПД зарядного процесса. Переменное зарядное напряжение источника уменьшено по сравнению с напряжением на накопителе за счет раздельной параллельной зарядки последовательно соединенных его конденсаторов и устройства выпрямителей в виде чередующихся катодных и анодных групп вентилей, подключаемым к ним только на время зарядки с помощью отделителей коммутационного аппарата. 5 илл.
Полезная модель относится к высоковольтной технике, в частности, к автономным импульсным источникам питания и предназначена для зарядки емкостного накопителя энергии из последовательно соединенных конденсаторов в генераторах мощных импульсов высокого напряжения. Она может быть использована в лазерной технике, в автономных передвижных устройствах и других областях техники.
Известно устройство зарядки емкостного накопителя энергии из трех последовательно-соединенных конденсаторов от источника трехфазного переменного напряжения с отдельно выведенными фазными обмотками. Устройство обеспечивает возможность регулирования величины напряжения накопительных конденсаторов. Для достижения этой цели устройство снабжено дополнительными диодами, тиристорами и линейными дросселями с отводами от части витков их обмоток, к которым подключаются управляемые коммутаторы, таким образом, что диоды образуют ячейку, включенную последовательно-согласно с управляемыми коммутаторами, а каждый из диодов подключен соответственно параллельно одному из накопительных конденсаторов при этом свободные концы линейных дросселей включены между фазными обмотками источника переменного тока и анодами диодов, катоды которых через тиристоры подключены к отводам от частей обмоток этих дросселей и к точкам соединения их обмоток с фазными обмотками трехфазного источника переменного напряжения [А.С. СССР №635603, №752761].
К недостаткам устройств отнести следует сложность операции регулирования зарядного напряжения накопительных конденсаторов. Такие устройства выполнимы только для напряжений до единиц киловольт, поскольку переход на более высокие напряжения неизбежно повлечет к последовательному включению диодов и тиристоров, к увеличению габаритов линейных дросселей. Последовательное включение тиристоров потребует выполнение выравнивающих цепочек, выполнения схем одновременного поджига последовательных тиристоров, что существенно усложнит и без того сложную систему управления процессом заряда.
К недостаткам известных вышеназванных высоковольтных генераторов относится:
1) множество управляемых коммутаторов, изготовление которых на высокие напряжения и на сей день нерешенная проблема;
2) необходимость подачи запускающих импульсов на каждый управляемый коммутатор;
3) необходимость гальванического развязывания цепей управления; 4) отсутствие автоматического синхронного запуска коммутаторов; 5) невысокая надежность, связанная со сложностью цепей управления.
Известен генератор высоковольтных импульсов [А.С. СССР №635602, НОЗК 3/53] выбранный в качестве прототипа. Генератор содержит ряд последовательно соединенных накопительных конденсаторов, общие точки, соединения которых через зарядные элементы соединены с источником питания, и цепочки перемены полярности, содержащие катушки индуктивности и коммутаторы-разрядники, подключенные через вентили параллельно нечетным накопительным конденсаторам ряда, причем разрядники соединены между собой через вспомогательные конденсаторы по схеме Аркадьева-Маркса.
Недостаток этого генератора высоковольтных импульсов заключается в том, что накопительные конденсаторы ряда одной и той же емкости заряжаются не одновременно до полного напряжения источника т.к. имеют не одинаковые постоянные времени заряда, обусловленные не одинаковым числом зарядных элементов своей цепи. Первый конденсатор ряда имеет в своей зарядной цепи один элемент второй - два, третий - три и т.д, n-ый имеет в своей цепи n элементов. Таким образом последний конденсатор ряда заряжается до полного напряжения в n раз медленнее чем первый. Готовность накопителя к работе, следовательно, определяется постоянной времени зарядки последнего накопительного конденсатора ряда. Кроме того, наличие зарядных элементов в генераторе высоковольтных импульсов приводит к неоправданным потерям энергии на них во время заряда накопительных конденсаторов и соответственно уменьшения КПД устройства. Существенный недостаток генератора состоит и в том, что суммарный зарядный ток всех конденсаторов ряда, заряжающихся параллельно, должен протекать через один вентиль зарядного выпрямителя.
При необходимости сокращения времени зарядки накопителя, поскольку при этом возрастает зарядный ток, неизбежно параллельное включение вентилей в зарядном выпрямителе. Известно, что в этом случае для равномерной загрузки всех параллельно включенных вентилей необходимо устройство анодного деления токов вентилей, например, уравнительными реакторами. [И.П.Чучалин. Расчет индуктивностей многостержневых анодных делителей тока и уравнительных анодных реакторов. Импульсная электроэнергетика. Сб. статей. Казань 1970. 28 с. Силовая электроника: Примеры и расчеты. Ф.Чаки, И.Герман, И.Ипшич и др. Пер. с англ. - М., Энергия: 1982. 384 с]
Известно, что одним из способов увеличения коэффициента полезного действия (КПД) зарядки конденсаторов емкостного накопителя энергии является регулирование входного зарядного напряжения в течение зарядного цикла [1. Волков И.В., Вакуленко В.И. Источники электропитания лазеров. Техника. Киев 1976. 175 с.; 2. Волков И.В., Пентегов И.В. Оптимальные процессы заряда емкостных накопителей. Изв. ВУЗов. Энергетика 1967. №4]. В указанной литературе приведено решение задачи по отысканию оптимальной формы кривой изменения входного напряжения, при которой потери в омических сопротивлениях зарядной цепи оказываются минимальными в условиях форсированного времени зарядки. Показано, что минимальным потерям соответствует линейное во времени нарастание напряжения Uc на накопительном конденсаторе
,
где Uсн - напряжение на накопительном конденсаторе в конце заряда;
Uсо - начальное напряжение на конденсатор;
Тз - постоянная времени цепи заряда;
t - время заряда.
Зарядный ток при этом
должен оставаться неизменным в течении всего времени зарядки. (Сн - емкость накопительного конденсатора).
Питающее напряжение
изменяется также по линейному закону. (R - сопротивление зарядной цепи).
Из вышеизложенного следует, что источник питания должен быть источником тока с большим внутренним сопротивлением. Значение тока на выходе такого источника в любой момент времени остается постоянным независимо от сопротивления нагрузки. При этом не наблюдается начальных бросков тока (как, например, при экспоненциальном заряде), так как источник тока гарантирует неизменность зарядного тока iз в течение всего времени зарядки.
Для получения максимально возможных КПД процесса зарядки конденсаторов накопителя используют индуктивно-емкостные преобразователи (ИЕП), которые преобразуют источники неизменного напряжения в источники неизменного тока [Волков И.В., Вакуленко В.И. Источники электропитания лазеров. Техника: Киев, 1976. 175 с.;
Милях А.И. и др. Системы неизменного тока на основе индуктивно-емкостных преобразователей: Киев, 1974; Шмелев К.Д., Королев Г.В. Источники электропитания лазеров. М: Энергоиздат, 1981, 168 с.].
ИЕП - это особый класс электроустройств, предназначенных для работы на переменном синусоидальном токе и представляют собой чисто реактивные четырехполюсники, содержащие реактивные элементы обоих типов. Безиндуктивный или безконденсаторный ИЕП невыполним. Только при этих условиях выполняется стабилизация тока нагрузки. Как недостаток следует также отметить, что ИЕП лишь с определенным приближением могут выполнять функции преобразователя источника напряжения в источник тока и стабилизировать ток в переменной нагрузке. Факторами, ухудшающими стабильность зарядного тока и КПД зарядных устройств на основе ИЕП, являются омические сопротивления обмоток дросселей ИЕП, и особенно это проявляется при высоких напряжениях.
Индуктивно-емкостные преобразователи включаются между первичным источником питания и нагрузкой. Для согласования параметров нагрузки с параметрами источника ИЕП включаются, как правило, через согласующий трансформатор. При включении без трансформатора приходится выбирать слишком большие значения емкостей ИЕП для малых сопротивлений нагрузки и слишком большие значения индуктивностей для больших сопротивлений нагрузки, что следует отнести к существенному недостатку зарядных устройств с использованием ИЕП. Согласующий трансформатор включается либо на входе ИЕП, либо на его выходе. Это зависит от ряда факторов, но в большинстве случаев трансформатор включается между нагрузкой и ИЕП. Свойство поддерживать примерно стабильный ток в переменной нагрузке ИЕП сохраняет и в том случае, если нагрузка подключается к преобразователю через выпрямитель. Наличие согласующего трансформатора рассчитанного на проходную мощность ИЕП существенно увеличивает массу зарядного устройства.
Поскольку в обычном исполнении ИЕП осуществляют стабилизацию тока лишь с определенным приближением, то для ее повышения на выходные зажимы ИЕП приходится включать цепь, состоящую из линейного дросселя и коммутатора. Индуктивность линейного дросселя составляет 7÷15% от индуктивности реактора ИЕП. После окончания заряда накопительных конденсаторов с помощью коммутатора производится рассогласование настройки реактивных элементов ИЕП путем последовательного подключения к реактору преобразователя линейного дросселя. Тем самым в этот момент происходит перестройка элементов ИЕП таким образом, что частично компенсируется влияние активного сопротивления элементов ИЕП. При этом
точка, соответствующая режиму короткого замыкания ИЕП передвигается в сторону больших напряжений. [Волков И.В. Закревский С.И., Басанько Ю.В., Вакуленко В.М., Чучумаев Е.Ф., Филиппов В.К. Устройство для заряда накопительного конденсатора [А.С СССР.№748815. Опубл. в Б.И. №26 15.07.80].
В известном устройстве за счет изменения схемы уменьшается диапазон изменения потребляемого тока и броски тока и напряжения на элементах устройства, но при этом увеличиваются массы и габариты реактивных элементов. При высоких и сверхвысоких напряжениях это увеличение может быть значительным. Кроме того, введение дополнительного линейного дросселя и коммутатора усложняет схему устройства, снижая его надежность работы.
Известно, что в качестве источника зарядки применяют установки, состоящие из синхронного генератора, повышающего трансформатора и выпрямителя [Мизюрин С.Р., Резников О.Б., Сериков В.А., Бочаров В.В. Расчет синхронных генераторов и трансформаторов при импульсной нагрузке на емкостный накопитель энергии. Под ред. А.И.Бертинова. - М.: МАИ, 1974. - 92 с.]. Как правило, условия работы синхронного генератора в автономной импульсной системе отличаются от условий стационарного режима. Следует иметь в виду, что длительность получения энергии от первичного источника и длительность питания емкостного накопителя энергии не совпадают, причем длительность питания накопителя может быть много меньше длительности получения энергии синхронным генератором от первичного источника механической мощности (приводного двигателя).
Известные синхронные генераторы для зарядных устройств выполнены по обычной конструктивной схеме, а именно: внешний шихтованный из электротехнической стали сердечник с якорной обмоткой, уложенной в его пазах и внутренний цилиндрический ротор. Для увеличения запаса кинетической энергии роторы таких синхронных генераторов, как правило, снабжаются маховиками. [И.А.Глебов, Э.Г.Кашарский, Ф.Г.Рутберг. Синхронные генераторы кратковременного и ударного действия. Л.: изд. «Наука», 1985. - 224 с., главы 10-11; Н.В.Гулиа. Накопители энергии. «Наука», 1980. - 148 с.]. Использование же маховиков приводит к увеличению общей массы автономного зарядного устройства и существенно увеличивает время разгона электромашинного агрегата. В этих случаях для сокращения времени разгона и соответственно времени готовности генератора к работе на нагрузку приходится увеличивать мощность привода, что является существенным недостатком для автономных инерционных накопителей энергии.
Известно, что зарядка конденсаторов емкостного накопителя от многофазного, например, трехфазного генератора переменного тока через вентили имеет большие энергетические преимущества по сравнению с однофазным.
Эти преимущества сказываются особенно сильно в зарядных устройствах, где частота разрядных импульсов составляет всего несколько герц [Чиженко И.М., Берлинских Г.С. Зарядные устройства емкостных накопителей энергии. Киев.: Наукова думка, 1980. - 148 с.]. Однако, как отмечалось выше, для получения высоких напряжений на емкостном накопителе в зарядном источнике в качестве пассивного промежуточного звена используется повышающий трансформатор, который существенно повышает массу и габариты зарядного источника. Применение трансформатора связано с трудностями получения высоких напряжений в самом синхронном генераторе и особенно остро эта проблема стоит в автономных устройствах, в которых используются генераторы сравнительно небольшой мощности (50÷300 кВт).
Задачей полезной модели является: уменьшение массы автономного высоковольтного комплекса и механической мощности привода электромашинного зарядного источника; увеличение электрической прочности изоляции источника и трассировки зарядной цепи автономного высоковольтного комплекса; уменьшение величины переменного зарядного напряжения источника и повышение надежности работы автономного высоковольтного комплекса; повышение коэффициента полезного действия комплекса.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в автономном высоковольтном комплексе, также как в прототипе, содержащем емкостной накопитель, энергии, состоящий из ряда n последовательно соединенных конденсаторов с цепями перемены полярности, например, четных конденсаторов ряда, источника переменного зарядного напряжения, выпрямителя и блока управления процессом зарядки накопителя согласно полезной модели в качестве источника переменного зарядного напряжения использован ненасыщенный высоковольтный электромашинный дисковый генератор с форсированным самовозбуждением, у которого обмотка якоря уложена в пазах между электрически изолированными магнитными вставками, которые укрепленны в дисках-держателях из прочного электроизоляционного материала, например, стеклотекстолита, при этом генератор имеет возможность подключения к конденсаторам ряда через выпрямитель только на время зарядки емкостного накопителя энергии и отключения его после развозбуждения с помощью дополнительно введенных n+1 отделителей быстродействующего коммутационного аппарата, а выпрямитель выполнен в виде чередующихся катодных и анодных групп вентилей также с их общим числом n+1,
которые подключены постоянно к фазным зажимам источника переменного зарядного напряжения, а своими общими точками группы вентилей с указанным чередованием раздельно подключены к зажимам отделителей коммутационного аппарата, при этом зажим каждого отделителя коммутационного аппарата со стороны выпрямителя отдельно подключен к общей точке только одной группы вентилей, а со стороны емкостного накопителя энергии зажимы отделителей по одному подключены к отводам от крайних конденсаторов и к отводам от общих точек ряда последовательно соединенных конденсаторов емкостного накопителя энергии.
На фиг.1 изображена принципиальная схема автономного высоковольтного комплекса; на фиг.2 - диаграммы работы элементов автономного высоковольтного комплекса во времени; на фиг.3 - дисковый высоковольтный электромашинный генератор (продольный разрез); на фиг.4 - дисковый высоковольтный электромашинный генератор (поперечный разрез); на фиг.5 - якорь дискового высоковольтного генератора.
Автономный высоковольтный комплекс (фиг.1) содержит ряд n последовательно соединенных накопительных конденсаторов 1. Четные конденсаторы в последовательной цепи снабжены цепями перемены полярности 2 (например, тиристорными коммутаторами). Источник переменного напряжения представляет собой m - фазный, например, трехфазный синхронный электромашинный дисковый генератор, имеющий главную якорную обмотку 3 и обмотку самовозбуждения 4, уложенную в те же пазы, что и главная обмотка. Обмотки 3 и 4 соединены в звезды. Индуктор генератора имеет так же две обмотки 5 и 6. Обмотка 5 для создания начального возбуждения подключена постоянно к источнику постоянного тока любого типа. (На фиг.1 не показан). Форсировочная обмотка возбуждения 6 подключена к обмотке самовозбуждения 4 через мостовой выпрямитель 7 тиристор 8. Для искусственной коммутации тиристора 8 параллельно ему подключена цепь, состоящая из тиристора 9 и конденсатора 10, который находится в блоке 11 управления процессом зарядки емкостного накопителя энергии. (На фиг.1 блок управления 11 ограничен пунктирной линией.) К фазным зажимам главной якорной обмотки 3 электромашинного дискового генератора постоянно подключены зажимы катодных 12 и анодных 13 вентильных групп выпрямителя. Своими общими точками катодные и анодные группы вентилей имеют возможность подключения на время зарядки к зажимам конденсаторов 1 соединенных последовательно в емкостном накопителе энергии и отключения после зарядки с помощью отделителей 14 коммутационного аппарата 15.
Главная якорная обмотка 3 и обмотка самовозбуждения 4 дискового электромашинного высоковольтного генератора (фиг.3) уложены в пазах между
электрически изолированными магнитными вставками 16, которые укреплены в дисках-держателях 17 из прочного электроизоляционного материала, например, стеклотекстолита. В таком генераторе спинка якоря отсутствует (фиг.4 и 5). Обмотки возбуждения 5 и 6, расположены на дисковых индукторах 18 и 19.
К любым двум зажимам звезды главной якорной обмотки 3 подключена первичная обмотка 20 трансформатора напряжения 21, находящегося в блоке управления 11. К вторичной обмотке трансформатора напряжения 21 через нормально замкнутые контакты 22 промежуточного реле 23 подключена катушка реле напряжения 24.
В блоке управления 11 трансформатор 25 содержит четыре обмотки. Его первичная обмотка 26 подключена к источнику переменного напряжения с помощью выключателя 27. Вторичная обмотка 28 через последовательную цепь, состоящую из вентиля 31 и ограничительного зарядного сопротивления 32, подключена к конденсатору 10. К цепи, состоящей из последовательно соединенных обмотки 29 и вентиля 33, параллельно подключены последовательные цепи из зарядных ограничительных сопротивлений и конденсаторов соответственно 34-35, 36-37, 38-39, 40-41, 42-43, 44-45.
Параллельно конденсатору 35 через нормально разомкнутые контакты кнопки 46 подключена первичная обмотка 47 импульсного трансформатора 48, вторичная обмотка 49 которого подсоединена к переходу поджигающий электрод- катод тиристора 8. Параллельно конденсатору 37 через нормально разомкнутые контакты 50 реле напряжения 24 подключена первичная обмотка 51 импульсного трансформатора 52, вторичная обмотка 53 которого подсоединена к переходу поджигающий электрод - катод тиристора 9. Параллельно конденсатору 39 подключена последовательная цепь, содержащая нормально разомкнутые контакты кнопки 54 и первичную обмотку 55 импульсного трансформатора 56, вторичная обмотка 57 которого подсоединена к переходу поджигающий электрод - катод тиристора 58. Тиристор 58 соединен последовательно с обмоткой 59 коммутационного аппарата 15, и эта цепь подключена на зажимы конденсатора 41. Параллельно конденсатору 43 подключена цепь, содержащая тиристор 60 и обмотку 61 коммутационного аппарата 15. Параллельно конденсатору 45 через нормально разомкнутые контакты 62 реле времени 63 подключена первичная обмотка 64 импульсного трансформатора 65, вторичная обмотка 66 которого подсоединена к переходу поджигающий электрод- катод тиристора 60.
Катушка реле времени 63 через нормально разомкнутые контакты 67 промежуточного реле 23 подключена к выходу вентильного моста 68, который подключен к обмотке 30 трансформатора 25. Катушка промежуточного реле 23 через параллельные нормально разомкнутые свои контакты 69, контакты 70 реле напряжения
24 и последовательные с ними нормально замкнутые контакты 71 реле времени 63 также подключена на выход вентильного моста 68.
Для установления динамических связей между элементами автономного высоковольтного комплекса и доказательства реализации его назначения - обеспечивать заряд емкостного накопителя рассмотрим работу комплекса.
Подготовка комплекса к работе (фиг.1)
При замыкании ключа 27 в блоке 11 трансформатор 25 подключается к источнику переменного напряжения, и от его обмотки 29 заряжаются конденсаторы 35, 37, 39, 41, 43 и 45 через вентиль 33 и зарядные сопротивления 34, 36, 38, 40, 42 и 44. От обмотки 28 через вентиль 31 и зарядное сопротивление 32 заряжается конденсатор 10. От обмотки 30 напряжение подается на мостовой выпрямитель 68, через который в дальнейшем будут запитаны катушки промежуточного реле 23 и реле времени 63.
При замыкании кнопки 54 в блоке 11 предварительно заряженный конденсатор 39 разряжается на первичную обмотку 55 импульсного трансформатора 56. Импульс напряжения со вторичной обмотки 57 трансформатора 56 поступая на поджигающий электрод тиристора 58, отпирает его и предварительно заряженный конденсатор 41 разряжается на обмотку 59 электродинамического привода быстродействующего коммутационного аппарата 15. Аппарат 15 срабатывая, своими отделителями 14 подключает обмотку 3 высоковольтного электромашинного генератора через чередующиеся катодные 12 и анодные 13 группы выпрямителя к конденсаторам емкостного накопителя.
Работа комплекса в процессе зарядки емкостного накопителя (фиг.1 и 2)
Раскручиваются дисковые роторы 18 и 19 (фиг.3), например, от вала отбора мощности мобильного устройства. На обмотку возбуждения 5 подается напряжение с тем, чтобы обеспечить в генераторе небольшой поток возбуждения (1÷3% от номинального), что соответствует небольшому напряжению генератора U Г0 (фиг.2). От этого напряжения генератора конденсаторы накопителя зарядятся только до напряжения UC0 . При замыкании кнопки 46 в блоке 11 предварительно заряженный конденсатор 35 разряжается на первичную обмотку 47импульсного трансформатора 48. Импульсом, выработанным вторичной обмоткой 49 трансформатора 48 открывается тиристор 8 в цепи форсировочной обмотки возбуждения 6. Этот момент соответствует точке 1 на временной диаграмме напряжений фиг.2. Начинается процесс форсированного самовозбуждения генератора. При открытии тиристора 8 в работу включается форсировочная обмотка возбуждения 6, которая питается от обмотки самовозбуждения 4 через мостовой выпрямитель 7 и открытый тиристор 8. Нарастание напряжения на выходе якорной обмотки 3 при этом
осуществляется по линейному закону, поскольку генератор выполняется ненасыщенным. В этом случае обеспечивается оптимальный процесс заряда конденсаторов емкостного накопителя (потери энергии минимальны из-за отсутствия зарядных сопротивлений). Уровень заряда конденсаторов до напряжения UC задается уставкой его на реле напряжения 24, катушка которого питается через замкнутые контакты 22 промежуточного реле 23 от вторичной обмотки трансформатора напряжения 21, первичная обмотка 20 которого подключена к главной якорной обмотке 3 генератора. При достижении заданного уровня напряжения на конденсаторах накопителя срабатывает реле напряжения 24. Этот момент соответствует точке 2 на временной диаграмме напряжений фиг.2. При срабатывании реле напряжения 24 замыкает одновременно свои контакты 70 в цепи катушки промежуточного реле 23 и контакты 50 в цепи первичной обмотки 51 импульсного трансформатора 52. При замыкании контактов 50 реле напряжения 24 предварительно заряженный конденсатор 37 разряжается на первичную обмотку 51 импульсного трансформатора 52. При этом импульс напряжения вторичной обмотки 53 трансформатора 52, поступая на поджигающий электрод тиристора 9, открывает его. Предварительно заряженный, конденсатор 10 разряжается через открытые тиристоры 8 и 9, создавая ступеньку нулевого тока в тиристоре 8. При этом тиристор 8 закрывается, прерывая самовозбуждение генератора. Обмотка возбуждения 6 обесточивается. Генератор начинает развозбуждаться. (Точка 2 на диаграмме фиг.2)
При замыкании контактов 70 катушка промежуточного реле 23 получает питание через нормально замкнутые контакты 71 реле времени 63. Включившись, промежуточное реле 23 через свои контакты 69 становится на само питание и одновременно через свои же контакты 67 запускает реле времени 63, а, разрывая контакты 22, отключает реле напряжения 24. Реле времени 63 начинает отсчет некоторого установленного на нем начального времени развозбуждения генератора. Это соответствует отрезку времени от точки 2 до точки 3 на кривой напряжения развозбуждаемого генератора. (фиг.2.)
По истечении установленного времени реле 63 замыкает свои контакты 62 в цепи первичной обмотки 64 импульсного трансформатора 65 и размыкает контакты 71 в цепи катушки промежуточного реле 23. При этом предварительно заряженный конденсатор 45 через кратковременно замыкающиеся контакты 62 реле времени 63 разряжается на первичную обмотку 64 импульсного трансформатора 65. Поджигающий импульс напряжения вторичной обмотки 66 трансформатора 65 открывает тиристор 60 в цепи обмотки 61 электродинамического привода быстродействующего коммутационного аппарата 15. Заряженный конденсатор 43 разряжается на обмотку 61 коммутационного аппарата 15, приводя его в действие. Отделители 14 быстродействующего
коммутационного аппарата 15 при этом отключают конденсаторы 1 емкостного накопителя энергии от генератора.
Поскольку э.д.с. генератора к этому времени меньше напряжения на конденсаторах накопителя отключение их от главной якорной обмотки 3 с помощью отделителей 14 происходит без дуги, так как вентили катодных и анодных групп выпрямителя заперты обратным напряжением конденсаторов емкостного накопителя энергии. (Точка 3 на кривой напряжения развозбуждаемого генератора). В это же время реле времени 63 размыкает свои контакты 71, обесточивая промежуточное реле 23, что приводит блок 11 в исходное состояние. После перемены полярности четных конденсаторов с помощью цепей 2 возможен сброс заряда накопителя на нагрузку. Затем цикл заряда емкостного накопителя энергии может быть повторен.
Уменьшение массы комплекса и механической мощности привода электромашинного генератора достигается тем, что генератор должен быть обязательно дисковым. Уменьшение массы такого генератора за счет отсутствия массы спинки якоря может быть достигнуто до 40% по сравнению с генераторами обычной традиционной конструкции на ту же мощность. Витые магнитопровода дисковых роторов позволяют существенно увеличить плотность запасаемой кинетической энергии как за счет увеличения прочности навитого сердечника, так и за счет переноса массы ротора на радиальную периферию. Кроме того, использование дискового электромашинного генератора в качестве зарядного источника приводит к уменьшению мощности привода, что очень важно в условиях автономности. За время между циклами заряд-разряд емкостного накопителя энергии с помощью маломощного привода (например, вала отбора мощности) в маховых массах дисковых роторов генератора может быть накоплена существенная кинетическая энергия, которая затем используется за очень малое время в процессе отбора мощности от источника при заряде емкостного накопителя энергии.
При этом с целью одновременного решения задачи по увеличению электрической прочности изоляции высоковольтной трассировки зарядной цепи комплекса главная обмотка якоря дискового высоковольтного электромашинного генератора уложена в пазы между изолированными электрически магнитными вставками, укрепленными в дисках-держателях из прочного электроизоляционного материала.
В предлагаемом автономном высоковольтном комплексе подключение источника переменного зарядного напряжения через выпрямитель к конденсаторам емкостного накопителя энергии осуществляется только на время их зарядки через отделители введенного в комплекс быстродействующего коммутационного аппарата. При этом выпрямитель выполнен в виде отдельных чередующихся катодных и анодных групп
вентилей. При любом числе n ряда конденсаторов емкостного накопителя энергии общее число групп равно n+1. Каждый отделитель коммутационного аппарата со стороны выпрямителя отдельно подключается к общей точке только одной группы вентилей, а со стороны емкостного накопителя энергии отделители по одному подключаются к отводам от крайних конденсаторов и к отводам от общих точек последовательно соединенных конденсаторов емкостного накопителя энергии. Такое исполнение и подключение выпрямителя позволяет осуществлять одновременно параллельный заряд каждого из конденсаторов емкостного накопителя энергии до амплитудного напряжения источника, что существенно уменьшает время зарядки и снижает токовую загрузку вентилей, повышая надежность их работы. После отключения конденсаторов от выпрямителя с помощью отделителей коммутационного аппарата и изменения полярностей, например, четных конденсаторов ряда напряжение на емкостном накопителе энергии становится равным n-кратному значению амплитудного линейного напряжения источника.
В качестве источника переменного зарядного напряжения в предлагаемой полезной модели автономного высоковольтного комплекса должен быть использован ненасыщенный высоковольтный электромашинный генератор с форсированным самовозбуждением. Форсированное самовозбуждение ненасыщенного электромашинного генератора дает возможность получать напряжение на его выходе, быстро нарастающее по линейному закону. Изменение зарядного напряжения по линейному закону на конденсаторах емкостного накопителя энергии позволяет заряжать их постоянным по величине током, исключить его броски. При этом в зарядных цепях нет необходимости устанавливать токоограничивающие сопротивления, на которых рассеивается значительная энергия при зарядке. Помимо увеличения коэффициента полезного действия комплекса, зарядка постоянным по величине током повышает надежность работы выпрямителя и как следствие надежность работы комплекса.
Использование преимуществ предлагаемого автономного высоковольтного комплекса позволяет реализовать его назначение - заряд емкостного накопителя энергии. Эти преимущества выгодно отличают комплекс от известных зарядных устройств. Технические результаты заявляемой полезной модели вполне соответствуют условиям промышленной применимости.
Автономный высоковольтный комплекс, содержащий емкостной накопитель энергии, состоящий из ряда n последовательно соединенных конденсаторов с цепями перемены полярности, например, четных конденсаторов ряда, источника переменного зарядного напряжения, выпрямителя и блока управления процессом зарядки накопителя энергии, отличающийся тем, что в качестве источника переменного зарядного напряжения использован ненасыщенный высоковольтный электромашинный генератор дискового типа с форсированным самовозбуждением, у которого обмотка якоря уложена в пазах между электрически изолированными магнитными вставками, укрепленными в дисках-держателях из прочного электроизоляционного материала, причем генератор имеет возможность подключения к конденсаторам ряда через выпрямитель только на время зарядки емкостного накопителя энергии и отключения от них после зарядки с помощью дополнительно введенных n+1 отделителей быстродействующего коммутационного аппарата, а выпрямитель выполнен в виде чередующихся катодных и анодных групп вентилей также с их общим числом n+1, которые подключены постоянно к фазным зажимам источника переменного зарядного напряжения, а своими общими точками группы вентилей с указанным чередованием раздельно подключены к зажимам отделителей коммутационного аппарата, при этом зажим каждого отделителя коммутационного аппарата со стороны выпрямителя отдельно подключен к общей точке только одной группы вентилей, а со стороны емкостного накопителя энергии зажимы отделителей по одному подключены к отводам от крайних конденсаторов и к отводам от общих точек ряда последовательно соединенных конденсаторов емкостного накопителя энергии.
