Устройство для быстрого заряда накопительного конденсатора от сети с ограниченной мощностью (варианты)

Полезная модель относится к способам и устройствам заряда емкостных накопителей энергии до высокого напряжения, значительно превышающего напряжение питающей сети. Такой режим потребления энергии особенно предпочтителен для установок, питающихся от автономных источников энергии, например, дизельных или бензиновых электростанций, а также аккумуляторов, использующихся в полевых условиях, при проведении геофизических и геологоразведочных работ. Задачей заявляемой полезной модели является улучшение технико-экономических показателей устройства, таких как КПД, скорость передачи энергии в накопитель, и снижение установленной мощность сетевого источника первичного питания. Устройство для заряда накопительного конденсатора от сети с ограниченной мощностью содержит инвертор, токоограничивающий элемент, основной трансформатор и основной выпрямитель, систему управления и датчик напряжения, причем один из выходов инвертора или один из выходов источника переменного тока подключен к одному из концов первичной обмотки трансформатора, второй конец которой через токоограничивающий элемент подключен к другому выходу инвертора или другому выходу источника переменного тока, вторичная обмотка трансформатора подключена к выводам переменного напряжения основного выпрямителя, а выводы постоянного напряжения основного выпрямителя подключены к накопительному конденсатору, дополнительно в него введены n-коммутаторов переменного тока, n-дополнительных трансформаторов с коэффициентами трансформации, отличными от основного трансформатора и друг от друга, и n-выпрямителей, причем последовательно соединенные первичные обмотки дополнительных трансформаторов и n-й коммутатор переменного тока подсоединены параллельно первичной обмотке трансформатора основного выпрямителя, вторичные обмотки дополнительных трансформаторов подсоединены соответственно к выводам переменного напряжения дополнительных выпрямителей, а выводы постоянного напряжения дополнительных выпрямителей подключены к выводам постоянного напряжения основного выпрямителя с той же полярностью, что и полярность выводов основного выпрямителя, при этом вход датчика напряжения подключен параллельно к накопительному конденсатору, а выход к одному из входов системы управления, причем один из выходов системы управления подключен к одному из входов инвертора, один из выходов которого подключен к одному из входов системы управления, соответствующие выходы которого соединены с соответствующими входами n-коммутаторов переменного тока.

Полезная модель относится к способам и устройствам заряда емкостных накопителей энергии до высокого напряжения, значительно превышающего напряжение питающей сети. Такой режим потребления энергии особенно предпочтителен для установок, питающихся от автономных источников энергии, например, дизельных или бензиновых электростанций, а также аккумуляторов, использующихся в полевых условиях, при проведении геофизических и геологоразведочных работ.

Известны зарядные устройства с однофазными индуктивно-емкостными преобразователями (И.В.Пентегов. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии. Киев «Наукова Думка». 1982 г. стр.37-38), у которых отсутствуют пиковые броски тока и мощности вначале заряда, однако они имеют низкие технико-экономические показатели (большой вес и габариты).

Известно изобретение «Устройство регулируемого заряда накопительного конденсатора» (патент RU 2133551, Опубл. 1999.07.20), содержащий источник переменного напряжения, тиристорный выпрямитель-коммутатор с токоограничивающим и накопительным конденсаторами, представляющий удвоитель напряжения, генератор тактовых импульсов, а также устройство синхронизации момента включения тиристорного коммутатора от тактовых импульсов с переходом переменного напряжения источника через нуль для снижения уровня радиопомех в сети. Устройство дополнено управляемой цепью из резистора и ключевого элемента разряда токоограничивающего конденсатора выпрямителя в течение такта разряда накопительного конденсатора. Технический результат: снижение уровня радиопомех в сети.

Недостатками данного изобретения являются: наличие гальванической связи между накопительным конденсатором и сетевым источником переменного напряжения; низкий КПД, необходимость пропускания через токоограничивающий конденсатор всей энергии накопительной емкости.

Известно изобретение «Устройство для заряда накопительного конденсатора» (SU 1547665, Опубл. 2000.06.27), содержащее два входных тиристора и два дозирующих конденсатора, соединенных в мостовую схему, точка соединения анодов входных тиристоров через дроссель и точка соединения дозирующих конденсаторов подключены к шинам источника питания, параллельно дозирующим конденсаторам подключены диоды, причем их катоды подключены к точке соединения дозирующих конденсаторов с катодами входных и анодами зарядных тиристоров, катоды зарядных тиристоров подключены к крайним выводам первичной обмотки трансформатора, имеющей средний вывод, вторичная обмотка трансформатора через мостовой выпрямитель соединена с накопительным конденсатором, отличающееся тем, что, с целью уменьшения времени заряда и повышения надежности работы, в него дополнительно введены резистор и конденсатор, соединенные параллельно и подключенные между средним выводом первичной обмотки трансформатора и точкой соединения дозирующих конденсаторов.

Недостатками данного изобретения являются: наличие дозирующих емкостей, через которые должна проходить вся энергия, накапливаемая в накопительной емкости, что существенно удорожают установку и снижает ее надежность

Наличие тиристоров в цепях коммутации дозирующих емкостей ограничивает частоту работы схемы и ограничивает возможность снижения габаритной мощности устройства с увеличением частоты.

Известно изобретение «Устройство заряда накопительного конденсатора» (SU 274159 Опубл. Б.И. 1970. 21), состоящее из одного или более однофазных инверторов на тиристорах 4 и 5 и коммутирующей емкости 9, подключенных к источнику питания постоянного тока через линейный дроссель. Источник питания шунтируется буферным конденсатором 8. Нагрузкой инвертора является трансформатор 10. Выходная обмотка 11 трансформатора 10 через вентили 12-15 нагружена на последовательно соединенные конденсаторы 16 и 17, образующие колебательные контуры с линейным дросселем 18 на частоте равной или превышающей частоту задающего автогенератора 7. Конденсаторы 16 и 17 передают свою энергию накопительному конденсатору НК через тиристоры 19, 20 и линейный дроссель 18 каждый полупериод работы автогенератора.

Недостатками данной схемы являются:

- Наличие высоковольтных емкостей 16, 17, через которые должна проходить вся суммарная энергия, накапливаемая в накопительной емкости С21. При большом энергозапасе в С21 и малом времени (при высокой мощности зарядного устройства) заряда данные элементы существенно удорожают установку и снижают ее надежность;

- Наличие высоковольтных дросселя 18 и тиристоров 19, 20 увеличивает стоимость установки, ограничивает частоту работы инвертора, а следовательно служит ограничением возможности снижения габаритной мощности с увеличением частоты;

- Постоянство средней за полупериод мощности, потребляемой от источника, достигается только при условии, что напряжение на конденсаторах 16 и 17 не менее, чем в два раза превышает напряжение на накопительном конденсаторе НК 21, что требует завышения выходного напряжения выходной обмотки 11, завышения в два раза класса полупроводниковых элементов 12-15 и 19 и 20, конденсаторов 15 и 17, дросселя 18 по отношению к максимальному уровню напряжения НК и, в конечном итоге, существенно удорожает установку и снижает ее надежность.

- узкий диапазон согласованных нагрузок, т.е. при изменении величины НК требуется изменение параметров таких элементов схемы, как индуктивности линейного дросселя 18 или емкости дозирующих конденсаторов 16, 17.

Данное изобретение является наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству, т.е. прототипом.

Задачей заявляемой полезной модели является улучшение технико-экономических показателей устройства, таких как КПД, скорость передачи энергии в накопитель, и снижение установленной мощность сетевого источника первичного питания.

Это достигается за счет введения в схему устройства элементов и организации режима их работы таким образом, что заряд накопительных конденсаторов (НК) проходит практически в режиме постоянной мощности, потребляемой от первичной сети.

Данная задача решается по варианту 1 созданием устройства для заряда накопительного конденсатора от сети с ограниченной мощностью, содержащее инвертор, токоограничивающий элемент, основной трансформатор и основной выпрямитель, систему управления и датчик напряжения, причем один из выходов инвертора или один из выходов источника переменного тока подключен к одному из концов первичной обмотки трансформатора, второй конец которой через токоограничивающий элемент подключен к другому выходу инвертора или другому выходу источника переменного тока, вторичная обмотка трансформатора подключена к выводам переменного напряжения основного выпрямителя, а выводы постоянного напряжения основного выпрямителя подключены к накопительному конденсатору, дополнительно в него введены n-коммутаторов переменного тока, n-дополнительных трансформаторов с коэффициентами трансформации, отличными от основного трансформатора и друг от друга, и n-выпрямителей, причем последовательно соединенные первичные обмотки дополнительных трансформаторов и n-й коммутатор переменного тока подсоединены параллельно первичной обмотке трансформатора основного выпрямителя, вторичные обмотки дополнительных трансформаторов подсоединены соответственно к выводам переменного напряжения дополнительных выпрямителей, а выводы постоянного напряжения дополнительных выпрямителей подключены к выводам постоянного напряжения основного выпрямителя с той же полярностью, что и полярность выводов основного выпрямителя.

По варианту 2 вывод постоянного напряжения, по крайней мере, основного выпрямителя соединен с накопительным конденсатором через дополнительно введенный диод, включенный в проводящей полярности.

На фиг.1, 2 изображены электрические схемы предлагаемого устройства (два варианта).

На фиг.3 изображена циклограмма работы устройства.

Устройство для быстрого заряда накопительного конденсатора от сети с ограниченной мощностью по вариантам 1, 2 (фиг.1) содержит высокочастотный инвертор, питающийся от сети постоянного тока 1, токоограничивающий элемент (например, дроссель) 3, систему управления 2, основной силовой высоковольтный трансформатор 5, основной выпрямитель 6, 1..n дополнительных высоковольтных трансформаторов 5-1; 5-2; 5-n, 1n дополнительных выпрямителей 6-1; 6-2; 6-n, 1n коммутаторов переменного тока 4-1; 4-2; 4-n и датчик напряжения 11. Нагрузкой является емкостной накопитель энергии 9 (накопительный конденсатор НК). Причем один из выходов инвертора 1 или один из выходов источника переменного тока 0 подключен к одному из концов первичной обмотки трансформатора 5, второй конец которой через токоограничивающий элемент 3 подключен к другому выходу инвертора 1 или другому выходу источника переменного тока 0, вторичная обмотка трансформатора 5 подключена к выводам переменного напряжения основного выпрямителя 6, а выводы постоянного напряжения основного выпрямителя 6 подключены к накопительному конденсатору 9, последовательно соединенные первичные обмотки дополнительных трансформаторов 5-1; 5-2; 5-n и n-й коммутатор переменного тока 4-n подсоединены параллельно первичной обмотке трансформатора основного выпрямителя 6, вторичные обмотки дополнительных трансформаторов 5-1; 5-2; 5-n подсоединены соответственно к выводам переменного напряжения дополнительных выпрямителей 6-1; 6-2; 6-n, а выводы постоянного напряжения дополнительных выпрямителей подключены к выводам постоянного напряжения основного выпрямителя 6 с той же полярностью, что и полярность выводов основного выпрямителя, при этом вход датчика напряжения 11 подключен параллельно к накопительному конденсатору 9, а выход к одному из входов системы управления 2, причем один из выходов системы управления 2 подключен к одному из входов инвертора 1, один из выходов которого подключен к одному из входов системы управления 2, соответствующие выходы которого соединены с соответствующими входами n-коммутаторов переменного тока.

По варианту 2 вывод постоянного напряжения, по крайней мере, основного выпрямителя 6 соединен с накопительным конденсатором 9 через дополнительно введенный диод 10, включенный в проводящей полярности.

Коэффициенты трансформации (отношение витков вторичной высоковольтной обмотки к первичной - низковольтной) у всех высоковольтных трансформаторов разные: если за единицу принять коэффициент трансформации основного трансформатора N_о=1, то коэффициенты трансформации дополнительных трансформаторов будут N_5-1=2N_о, N_5-2 =3N_о, N_5-3=4N_о, N_5-n =(n+1)N_о.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии коммутаторы переменного тока 4-1 4-n разомкнуты. По команде системы управления 2 запускается инвертор 1 и выдает переменное напряжение на основной трансформатор 5; по высоковольтной обмотке данного трансформатора через основной выпрямитель 6 начинает протекать ток заряда накопительного конденсатора НК 9. Напряжение на НК начинает возрастать, а ток первичной обмотки основного трансформатора начинает снижаться. Напряжение накопительного конденсатора 9 постоянно контролируется датчиком напряжения 11.

Выходной сигнал с датчика напряжения 11, пропорциональный напряжению накопительного конденсатора НК 9, поступает на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) микропроцессора системы управления 2, который проводит обработку сигнала с датчика напряжения. В процессор программно введены константы, соответствующие уровням напряжения на НК. Первая константа соответствует величине (U_ном /n+1), где U_ном - напряжение до которого должен зарядиться накопительный конденсатор 9 в конце заряда, n - число дополнительных трансформаторов. Вторая константа соответствует величине (U _ном/n+1)×2, третья (U_ном/n+1)×3 и n-ая (U_ном/n+1)×(n+1).

Как только процессор системы управления 2 зафиксирует, что уровень сигнала с датчика напряжения 11 соответствует напряжению на НК равному U_ном/n+1, он выдаст команду на включение коммутатора 4-1. Теперь переменное напряжение с инвертора поступит на первичную обмотку дополнительного трансформатора 5-1. В связи с тем, что выходное напряжение дополнительного трансформатора 5-1 выше, чем выходное напряжение основного трансформатора 5, основной выпрямитель 6 закроется и ток заряда НК пойдет через дополнительный выпрямитель 6-1. А в связи с тем, что коэффициент трансформации дополнительного трансформатора 5-1 выше, чем у основного ток, потребляемый от инвертора поднимется до уровня тока, который был в начале заряда НК от основного трансформатора. Как только процессор системы управления 2 зафиксирует, что уровень сигнала с датчика напряжения 11 соответствует напряжению на НК равному (U_ном/n+1)×2, он выдаст команду на включение коммутатора 4-2. Теперь переменное напряжение с инвертора поступит на первичную обмотку дополнительного трансформатора 5-2. В связи с тем, что выходное напряжение дополнительного трансформатора 5-2 выше, чем выходное напряжение дополнительного трансформатора 5-1, дополнительный выпрямитель 6-1 закроется и ток заряда НК пойдет через дополнительный выпрямитель 6-2. А в связи с тем, что коэффициент трансформации дополнительного трансформатора 5-2 выше, чем у трансформатора 5-1 ток потребляемый от инвертора поднимется до уровня тока, который был в начале заряда НК от основного трансформатора и т.д.. Как только процессор системы управления 2 зафиксирует, что уровень сигнала с датчика напряжения 11 соответствует напряжению на НК равному U_ном, заряд будет остановлен.

Например, если необходимо произвести заряд накопительной емкости НК до напряжения U_ном=5000 В, при количестве дополнительных трансформаторов равном 4, то через основной трансформатор 5 НК будет заряжаться до 1000 В (5000/4+1=1000 В), через первый дополнительный трансформатор 5-1 заряд будет идти в интервале напряжений на НК от 1000 В до 2000 В [2×(5000/4+1)=2000 В], через второй 5-2 в интервале напряжений на НК от 2000 В до 3000 В [3×(5000/4+1)=3000 В], через третий 5-3 в интервале напряжений на НК от 3000 В до 4000 В [4×(5000/4+1)=4000 В] и через четвертый 5-4 в интервале напряжений на НК от 4000 В до 5000 В [5×(5000/4+1)=4000 В] т.е. до U_ном

В данном случае обратное напряжение диодов основного 6 и дополнительных выпрямителей 6-1, 6-2, 6-3 должно быть не менее уровня максимально возможного напряжения накопительного конденсатора 9, хотя напряжение вторичных обмоток трансформаторов 5, 5-1, 5-2 5-(n-1) ниже максимального напряжения на НК 9. Чтобы снизит затраты на покупку диодов с высоким классом напряжения, предлагается в зарядную цепь накопительного конденсатора 9 ввести дополнительный диод 10, обратное напряжение которого должно быть не менее уровня максимально возможного напряжения накопительного конденсатора 9. Тогда диоды основного 6 и вспомогательных 5, 5-1, 5-2 5-(n-1) выпрямителей можно выбирать с обратным напряжением равным выходному напряжению вторичных обмоток соответствующих трансформаторов, что снизит затраты на изготовление устройства.

1. Устройство для заряда накопительного конденсатора от сети с ограниченной мощностью, содержащее инвертор, токоограничивающий элемент, основной трансформатор и основной выпрямитель, накопительный конденсатор, систему управления и датчик напряжения, причем один из выходов инвертора или один из выходов источника переменного тока подключен к одному из концов первичной обмотки трансформатора, второй конец которой через токоограничивающий элемент подключен к другому выходу инвертора или другому выходу источника переменного тока, вторичная обмотка трансформатора подключена к выводам переменного напряжения основного выпрямителя, а выводы постоянного напряжения основного выпрямителя подключены к накопительному конденсатору, отличающееся тем, что в него дополнительно введены n-коммутаторы переменного тока, n-дополнительные трансформаторы с коэффициентами трансформации, отличными от основного трансформатора и друг от друга, и n-выпрямители, причем последовательно соединенные первичные обмотки дополнительных трансформаторов и n-й коммутатор переменного тока подсоединены параллельно первичной обмотке трансформатора основного выпрямителя, вторичные обмотки дополнительных трансформаторов подсоединены соответственно к выводам переменного напряжения дополнительных выпрямителей, а выводы постоянного напряжения дополнительных выпрямителей подключены к выводам постоянного напряжения основного выпрямителя с той же полярностью, что и полярность выводов основного выпрямителя, при этом вход датчика напряжения подключен параллельно к накопительному конденсатору, а выход - к одному из входов системы управления, причем один из выходов системы управления подключен к одному из входов инвертора, один из выходов которого подключен к одному из входов системы управления, соответствующие выходы которого соединены с соответствующими входами n-коммутаторов переменного тока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вывод постоянного напряжения, по крайней мере, основного выпрямителя соединен с накопительным конденсатором через дополнительно введенный диод, включенный в проводящей полярности.

3. Устройство для заряда накопительного конденсатора от сети с ограниченной мощностью, содержащее инвертор, токоограничивающий элемент, основной трансформатор и основной выпрямитель, накопительный конденсатор, систему управления и датчик напряжения, причем один из выходов инвертора или один из выходов источника переменного тока подключен к одному из концов первичной обмотки трансформатора, второй конец которой через токоограничивающий элемент подключен к другому выходу инвертора или другому выходу источника переменного тока, вторичная обмотка трансформатора подключена к выводам переменного напряжения основного выпрямителя, отличающееся тем, что в него дополнительно введены n-коммутаторы переменного тока, n-дополнительные трансформаторы с коэффициентами трансформации, отличными от основного трансформатора и друг от друга, и n-выпрямители, причем последовательно соединенные первичные обмотки дополнительных трансформаторов и n-й коммутатор переменного тока подсоединены параллельно первичной обмотке трансформатора основного выпрямителя, вторичные обмотки дополнительных трансформаторов подсоединены соответственно к выводам переменного напряжения дополнительных выпрямителей, а выводы постоянного напряжения дополнительных выпрямителей подключены к выводам постоянного напряжения основного выпрямителя с той же полярностью, что и полярность выводов основного выпрямителя, причем вывод постоянного напряжения, по крайней мере, основного выпрямителя соединен с накопительным конденсатором через дополнительно введенный диод, включенный в проводящей полярности, при этом вход датчика напряжения подключен параллельно к накопительному конденсатору, а выход - к одному из входов системы управления, причем один из выходов системы управления подключен к одному из входов инвертора, один из выходов которого подключен к одному из входов системы управления, соответствующие выходы которого соединены с соответствующими входами n-коммутаторов переменного тока.