Устройство для зарядки накопительного конденсатора

 

Использование: разработка мощных высоковольтных источников питания. Цель : повышение надежности и улучшение удельных массогабаритных показателей. Сущность: устройство содержит статический преобразователь постоянного напряжения и переменное с двумя тиристорами, силовым трансформатором, а также мост с двумя линейными дросселями, вентилями с шунтирующими сопротивлениями и конденсаторами и двумя вспомогательными конденсаторами. 2 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в мощных высоковольтных источниках питания.

Известно устройство для зарядки накопительного конденсатора [1], содержащее двухтактный преобразователь постоянного напряжения в переменное с дросселем в цепи питания, коммутирующим конденсатором и тиристорами, подключенными к низковольтной стороне силового трансформатора, и мост с неуправляемыми вентилями, двумя вспомогательными конденсаторами, тиристорными коммутаторами и дросселями, подключенный к высоковольтной стороне трансформатора. Устройство обеспечивает заряд накопительного конденсатора, включенного в диагональ моста до напряжения, равного напряжению вторичной обмотки трансформатора.

К недостатком такого устройства следует отнести сравнительно большие габариты и малую надежность при высоких напряжениях заряда.

Наиболее близким по технической сущности решением к предлагаемому является устройство для заряда накопительного конденсатора от источника постоянного напряжения [2], содержащее статический преобразователь постоянного напряжения в переменное с линейным дросселем в цепи питания и коммутирующим конденсатором, тиристоры которого первыми одноименными силовыми электродами соединены между собой, а вторыми силовыми электродами подключены к первичной обмотке силового трансформатора, и мост с вентилями, двумя вспомогательными конденсаторами, тиристорными коммутаторами и линейным дросселем, при этом два смежных плеча моста выполнены из тиристорных коммутаторов, каждое из двух других смежных плеч - из вспомогательного конденсатора, параллельно которому подключены два последовательно-согласно включенных вентиля, причем общие точки указанных смежных плеч составляют концы одной диагонали моста, в которую включен накопительный конденсатор, соединенный последовательно с линейным дросселем, а общие точки указанных пар вентилей подключены непосредственно к вторичной обмотке силового трансформатора. Силовой трансформатор имеет в первичной обмотке средний вывод для подключения одного из зажимов источника питания. Другой зажим источника подключается к общей точке силовых электродов тиристоров преобразователя.

Для прекращения процесса заряда накопительного конденсатора от данного устройства недостаточно обычного отключения тиристоров статического преобразователя по цепи управления, так как для отключения одного тиристора здесь необходимо включение другого. Поэтому в схему устройства следует дополнительно ввести силовой коммутатор в цепи первичного питания, срабатывающий по сигналу обратной связи от датчика напряжения накопительного конденсатора.

Недостатками данного устройства являются большая габаритная мощность силового трансформатора в сравнении со средней зарядной мощностью, обусловленная необходимостью выбора вторичной обмотки на максимальное зарядное напряжение накопительного конденсатора; трудность подбора высококольтных коммутирующих тиристоров и цепей управления при напряжениях заряда более единиц киловольт; необходимость применения дополнительного силового коммутатора в цепи питания для прекращения процесса заряда накопительного конденсатора.

Указанные недостатки ведут к ухудшению массогабаритных показателей устройства и снижают надежность его функционирования.

Целью изобретения является повышение надежности и улучшение массогабаритных характеристик.

Цель достигается тем, что в устройстве для заряда накопительного конденсатора, содержащем статический преобразователь постоянного напряжения в переменное, тиристоры которого первыми одноименными силовыми электродами соединены между собой и с первым зажимом источника постоянного напряжения, вторыми электродами подключены к концам первичной обмотки силового трансформатора, средняя точка которой соединена с вторым зажимом источника постоянного напряжения, и мост с линейным дросселем, вентилями и двумя вспомогательными конденсаторами, в мост дополнительно введен линейный дроссель, вентили выполнены с шунтирующими сопротивлениями и конденсаторами, при этом первая пара смежных плеч моста выполнена из вспомогательных конденсаторов, каждое плечо второй пары - из последовательно соединенных линейного дросселя и вентилей с шунтирующими сопротивлениями и конденсаторами, включенных в каждое из плеч разнополярно, причем общие точки указанных смежных плеч составляют концы первой диагонали и подключены к вторичной обмотке силового трансформатора, а накопительный конденсатор непосредственно включен во вторую диагональ моста.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема предложенного устройства для зарядки накопительного конденсатора.

Устройство содержит статический преобразователь постоянного напряжения в переменное с тиристорами 1,2, подключенными к концам первичной обмотки силового трансформатора 3, а также мост с первым линейным дросселем 4, вентилями 5,6 с шунтирующими сопротивлениями 7 и конденсаторами 8, двумя вспомогательными конденсаторами 9,10 и вторым линейным дросселем 11. Накопительный конденсатор 12 включен в диагональ моста. Управление тиристорами преобразователя осуществляется с помощью задающего генератора 13. Средний вывод первичной обмотки силового трансформатора и общая точка силовых электродов тиристоров преобразователя подключены к зажимам 14 источника постоянного напряжения.

Устройство работает следующим образом. Задающий генератор 13 формирует импульсы управления тиристорами 1,2 преобразователя, имеющие определенную (фиксированную) частоту следования. В начале процесса заряда, при включении тиристора 1 на вторичной обмотке силового трансформатора 3 появляется напряжение с полярностью, указанной на фиг.1, вентиль 5 открывается и начинается резонансный заряд конденсаторов 9 и 10 через вентиль 5 и дроссель 4. Зарядный ток конденсатора 10 проходит через накопительный конденсатор 12, также осуществляя его заряд. При этом сумма мгновенных значений напряжений на конденсаторах 10 и 12 равна мгновенному значению напряжения на конденсаторе 9. Однако, учитывая, что емкость конденсатора 12 во много раз больше емкости конденсатора 10, а его противоЭДС на начальном этапе работы ничтожно мала, можно считать, что в этот период напряжения на конденсаторах 9 и 10 практически равны. Мгновенные значения токов и напряжений в отдельных ветвях схемы фиг.1 на начальном этапе процесса заряда, после включения тиристора 1, приведены на фиг.2. В начале второй четверти периода (момент to*) резонансного заряда конденсаторов 9 и 10, когда ток i₄ в дросселе 4 достигает амплитудного значения, а ЭДС на нем U₄ меняет знак при достаточно малой противоЭДС накопительного конденсатора 12 открывается вентиль 6. С этого момента дроссель 4 начинает отдавать энергию, накопленную за первую четверть периода резонансного заряда конденсаторов 9 и 10, и нарастает ток i₁₁ в дросселе 11 по цепи дроссель 4 - вентиль 5 - вентиль 6 - дроссель 11 - накопительный конденсатор 12. Часть энергии дросселя 4 переходит в дроссель 11, и спад тока в дросселе 4 замедляется. По мере заряда конденсаторов 9 и 10 зарядный ток i₂, замыкающий через вентиль 5, дроссель 4 и вторичную обмотку трансформатора 3, уменьшается и становится равным нулю. При этом напряжение U₁₀ на конденсаторах 9 и 10 достигает амплитудного значения, но меньшего, чем двойное по отношению к напряжению вторичной обмотки трансформатора, так как часть энергии осталась в дросселях 4,11 и накопительном конденсаторе 12. В момент времени t₁^*, когда ток i₂ во вторичной обмотке трансформатора примерно равен нулю, весь ток i₄ дросселя 4 замыкается через дроссель 11 и накопительный конденсатор 12, продолжая заряжать последний (i₄ = i₁₁ = i₁₂). Этот ток начинает медленно спадать с периодом, соответствующим собственной частоте контура: дроссели 4,11 и накопительный конденсатор 12. Поскольку спад тока i₄ в дросселе 4 и нарастание тока i₁₁ в дросселе 11 резко замедляются, ЭДС U₄ и U₁₁ этих дросселей существенно снижается по сравнению с напряжением на конденсаторах 9 и 10. При этом, так как индуктивность намагничивания трансформатора 3 значительно больше индуктивности дросселя 11, большая часть напряжения конденсатора 10 прикладывается к вторичной обмотке трансформатора 3 (U₂(t₁^*) 1,5U_ном) и, соответственно, в качестве запирающего напряжения U₁ - к тиристору 1, обеспечивая надежное выключение последнего. Ток намагничивания трансформатора 3 с этого момента переходит в цепь вторичной обмотки, и конденсаторы 9 и 10 начинают очень медленно разряжаться через обмотку трансформатора 3 и дроссель 11, не оказывая существенного влияния на запирающее напряжение тиристора 1.

Вследствие того, что напряжение на конденсаторах 9 и 10 больше рабочего напряжения U_ном вторичной обмотки трансформатора 3, через некоторое время в момент t₂^* после выключения тиристора 1, когда U₂dt станет больше U_ном t, где t - временной промежуток, равный сумме длительности заряда конденсаторов 9 и 10 и времени, необходимого для выключения тиристора, трансформатор 3 начинает входить в насыщение. При этом индуктивность намагничивания трансформатора 3 уменьшается, скорость нарастания тока i₂ увеличивается, обеспечивая ускорение процесса разряда конденсаторов 9 и 10. При этом одна часть энергии конденсаторов 9 и 10 поступает в накопитель 12 (ток i₁₂ на фиг.2), а другая часть запасается в дроссель 11 и индуктивности намагничивания трансформатора 3. Насыщение силового трансформатора 3 обеспечивает быстрый разряд конденсаторов 9 и 10 до достаточно низкого уровня напряжения перед следующим циклом заряда и тем самым препятствует раскачке напряжения на этих конденсаторах в первых циклах работы преобразователя, когда противоЭДС накопительного конденсатора 12 еще мала, а также существенно ограничивает потери в зарядном устройстве. Условия для выключения тиристора определяются выбором параметров элементов схемы.

При включении очередного тиристора 2 полярность напряжения вторичной обмотки силового трансформатора 3 меняется. В этом цикле заряд конденсатора 12 продолжается аналогично предыдущему, но первоначально через вентиль 6, причем энергия, запасенная в дросселе 11 и индуктивности намагничивания трансформатора 3, также передается в накопитель 12.

В процессе заряда накопительного конденсатора 12 растет противоЭДС на нем и максимальное положительное напряжение на конденсаторе 10 постепенно уменьшается относительно напряжения конденсатора 9 на величину напряжения накопителя 12. К концу процесса заряда амплитудное значение положительного напряжения на конденсаторе 10 снижается примерно до нуля, а напряжение на накопительном конденсаторе 12 достигает уровня, равного приблизительно удвоенному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора 3. Амплитудные значения отрицательной полуволны напряжения на конденсаторе 10 после некоторого увеличения в начале заряда накопительного конденсатора 12 постоянно уменьшаются и достигают в конце зарядного процесса также удвоения значения напряжения вторичной обмотки трансформатора. Аналогично меняются амплитудные значения отрицательного и положительного напряжений на конденсаторе 9.

По мере заряда накопительного конденсатора наблюдается прерывистый характер тока через дроссели 4 и 11 и конденсатор 12. При достаточно высокой противоЭДС накопительного конденсатора (во второй половине его заряда) уже не происходит перехвата тока из одного дросселя в другой (например, при включенном тиристоре 1 - из дросселя 4 в дроссель 11). Поэтому при снижении амплитудного значения положительного напряжения на конденсаторе 10, когда напряжения на конденсаторах 9 и 12 близки к удвоенному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора 3, выключение тиристора 1 осуществляется напряжением конденсатора 9, которое прикладывается к вторичной обмотке трансформатора 3 через конденсаторы 8 выравнивающей цепочки вентиля 5. Аналогично, запирающее напряжение на тиристор 2 поступает от конденсатора 10 через шунтирующий вентиль 6 и конденсаторы 8. В этой связи емкости конденсаторов 8 выравнивающих цепочек выбираются из дополнительного условия: обеспечения надежного выключения тиристоров 1,2 статического преобразователя.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ НАКОПИТЕЛЬНОГО КОНДЕНСАТОРА, содержащее статический преобразователь постоянного напряжения в переменное, тиристоры которого первыми одноименными силовыми электродами соединены между собой и с первым зажимом источника постоянного напряжения, а вторыми электродами подключены к концам первичной обмотки силового трансформатора, средняя точка которой соединена с вторым зажимом источника постоянного напряжения, и мост с линейным дросселем, вентилями и двумя вспомогательными конденсаторами, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и улучшения удельных массогабаритных показателей, в мост дополнительно введен второй линейный дроссель, вентили выполнены с шунтирующими сопротивлениями и конденсаторами, при этом первая пара смежных плеч моста выполнена из вспомогательных конденсаторов, каждое плечо второй пары - из последовательно соединенных линейного дросселя и вентилей с шунтирующими сопротивлениями и конденсаторами, включенных в каждое из плеч разнополярно, причем общие точки смежных плеч составляют концы первой диагонали и подключены к вторичной обмотке силового трансформатора, а накопительный конденсатор непосредственно включен во вторую диагональ моста.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2