Использование: изобретение относится к импульсной технике и касается систем питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя энергии, заряжаемого в режиме неизменной потребляемой от источника средней мощности за каждый полупериод изменения выходного напряжения трансформатора инвертора от источника практически неизменного напряжения через однофазный преобразователь неизменной мощности за много периодов изменения выходного напряжения трансформатора инвертора. Сущность изобретения: с целью улучшения удельных энергетических показателей системы путем уменьшения установленной мощности источника и трансформатора инвертора за счет увеличения коэффициента их использования по мощности система содержит трехфазный источник переменного тока с тремя линейными выводами, емкостный накопитель энергии, управляемый ключ, импульсную нагрузку, четыре диодных вентиля, дозирующий конденсатор, два линейных дросселя, блок управления, нелинейный дроссель. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для импульсно-периодического питания импульсной нагрузки от разделенного на две равные последовательно включенные секции емкостного накопителя (ЕН) энергии, медленно заряжаемого от трехфазного источника переменного тока (ТИПТ) через четырехплечный выпрямительный мост (ВМ), два линейных дросселя (ЛД), один нелинейный дроссель (НД) с обмотками переменного тока и магнитного управления постоянным током и резонансный дозирующий конденсатор (ДК) за много периодов изменения напряжения ТИПТ.
Цель изобретения - улучшение удельных энергетических показателей устройства путем бестрансформаторного повышения его выходного напряжения, уменьшения установленной мощности трехфазного источника переменного тока и увеличения КПД заряда емкостного накопителя за счет исключения из состава устройства трехфазного повышающего трансформатора и увеличения коэффициента использования упомянутого источника по мощности.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя; на фиг.2 - возможная (примерная) схема выполнения блока управления этим устройством.
Устройство для питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя по фиг.1 содержит трехфазный источник 1 переменного тока с тремя линейными выводами 2 - 4, образованными началами его фазных обмоток 1.1, 1.2 и 1.3; разделенный на две равные последовательно включенные секции 5.1 и 5.2 емкостный накопитель 5 энергии, к выводам 6 и 7 которого через управляемый ключ 8 (тиристорного типа, типа водородного тиратрона или игнитрона управляемого разрядника и т. п. ) подключена импульсная нагрузка 9; четыре диодных вентиля 10 - 13, включенных по схеме четырехплечного выпрямительного моста 17, первый и второй входы которого подключены к второму (3) и третьему (4) выводам соответственно трехфазного источника 1 переменного тока, дозирующий конденсатор 14, первая обкладка которого связана с первым выводом 2 трехфазного источника переменного тока; первый линейный дроссель 15, включенный между положительным выходом выпрямительного моста 17 и первым выводом 6 емкостного накопителя 5; второй линейный дроссель 18, включенный между отрицательным выходом выпрямительного моста 17 и вторым выводом 7 емкостного накопителя 5; нелинейный дроссель 19 с обмотками переменного тока и магнитного управления постоянным током, обмотка переменного тока которого включена между другой обкладкой дозирующего конденсатора 14 и точкой соединения двух секций 5.1 и 5.2 емкостного накопителя 5; блок 16 управления устройством, примерная схема которого приведена на фиг.2, с шестью входами и четырьмя выходами, первый (3.1) и второй (4.1) входы которого связаны с вторым (3) и третьим (4) выводами трехфазного источника 1 переменного тока, третий (6.1) и четвертый (7.1) входы - с выводами 6 и 7 емкостного накопителя 5, пятый (14.1) и шестой (14.2) входы - с обкладками дозирующего конденсатора 14, первый (8.1) и второй (8.2) выходы - с управляющим (поджигающим) переходом управляемого ключа 8, а между третьим (19.1) и четвертым (19.2) его выходами включена обмотка магнитного управления нелинейного дросселя 19. При этом индуктивность L
2второго линейного дросселя 18 равна индуктивности L
1 первого линейного дросселя 15, а суммарная индуктивность нелинейного дросселя 19 L
н в ненасыщенном состоянии (на линейном участке характеристики намагничивания его магнитного сердечника) и первого L
1 или второго L
2линейных дросселей 15 или 18 определяется выражением L
1+ L
н= L
2+ L
н= L =

, (1) где С - емкость дозирующего конденсатора 14, которая много меньше удвоенной емкости С
н всего емкостного накопителя (С << 2 С
н); f - частота изменения напряжения трехфазного источника 1 переменного тока; Q

(R
лн+R
лнд+ R
дв) - добротность устройства; R
лн - внутреннее линейное активное сопротивление трехфазного источника 1 переменного тока; R
лнд=R
лд+R
нд - суммарное активное сопротивление нелинейного R
нди первого или второго R
лд линейных дросселей; R
дв - среднее значение сопротивления каждого диодного вентиля выпрямительного моста 17 в проводящем направлении.
Во втором варианте устройства для уменьшения массы первого 15 и второго 18 линейных дросселей их обмотки помещены на общий магнитный сердечник, а начала этих обмоток подключены соответственно к положительному и отрицательному выходам выпрямительного моста 17.
Блок 16 управления устройством по фиг.2 содержит два компаратора 20 и 21, получающих стабилизированное питание от вторичного источника 22 стабилизированного напряжения, первичным источником питания которого является линия 3-4 ТИПТ1; усилитель 23 напряжения рассогласования первого компаратора 20, между двумя выходами 19.1 и 19.2 которого включена обмотка магнитного управления нелинейного дросселя 19. К двум входам компаратора 20 подключена через выпрямительный диод и фильтр Ф часть напряжения делителя 24 напряжения на дозирующем конденсаторе 14. Два выхода 8.1 и 8.2 второго компаратора 21 подключены к управляющему (поджигающему) переходу управляемого ключа 8. К двум входам второго компаратора 21 подключена через фильтр Ф часть напряжения делителя 25 напряжения емкостного накопителя 5. Усилитель 23 получает стабилизированное питание от вторичного источника 22 стабилизированного напряжения.
При рассмотрении работы устройства предположим, что фазовые обмотки 1.1, 1.2 и 1.3 трехфазного источника 1 переменного тока (ТИПТ1) включены по схеме "треугольник", начало отсчета времени t - электрического (эл.) угла

t - начинается от начала положительного полупериода изменения линейного напряжения U
23 ТИПТ1, заряд емкостного накопителя 5 происходит в режиме слабопеременной зарядной мощности с коэффициентом ее равномерности К
зр = Р
зср/Р
зт= 0,75, где Р
зт = 1,333, Р
зср - максимальная зарядная мощность ЕН5; Р
зср = С
нU
зт2/(2t
зк) - средняя зарядная мощность емкостного накопителя 5 с емкостью С
н до его максимального напряжения U
зт за время t
зк, а емкость С дозирующего конденсатора 14 много меньше емкости 2С
н секции 5.1 или 5.2 ЕН5 с общей емкостью С
н (т.е. С << 2 С
н), и выполняется выражение (1).
Устройство работает следующим образом.
При первом положительном полупериоде изменения линейного напряжения U
23 ТИПТ1 (когда потенциал вывода 2 выше потенциала вывода 3) и со сдвигом на 60 эл.град при отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения U
42 трехфазного источника 1 (когда потенциал вывода 2 выше потенциала вывода 4) происходит подзаряд второй секции 5.2 ЕН5 по цепям: источник 1 - вывод 2 - ДК14 - нелинейный дроссель 19 - секции 5.2 ЕН5 - вывод 7 - ЛД18 - вентиль 12 ВМ17 - вывод 3 - источник 1 и источник 1 - вывод 2 - ДК14 - НД19 - секция 5.2 ЕН5 - вывод 7 - ЛД18 - вентиль 13 ВМ17 - вывод 4 - источник 1 током:

e

sin

t + через диодные вентили 12 и 13, где Q =

r - добротность устройства с активным сопротивлением r

R
ли+R
лнд+R
дв;

=2

f - круговая частота изменения напряжения ТИПТ1 и остальные обозначения такие же, как и в выражении (1), дозирующий конденсатор 14 в конце положительного полупериода изменения линейного напряжения U
23 при

t = 180
о (t=t

=

/

) зарядится до максимального напряжения

dt

, а секция 5.2 ЕН5 подзарядится первой порцией энергии до напряжения

U

dt = .
В отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения U
23 ТИПТ и со сдвигом на 60 эл.град при положительном полупериоде изменения линейного напряжения U
42 источника 1 напряжения U
23 и U
42 соединяются последовательно-согласно с напряжением U
ст5.2(1) на ДК14 и происходит подзаряд первой секции 5.1 ЕН5 по цепям: источник 1 - вывод 3 - вентиль 10 ВМ17 - ЛД15 - вывод 6 - секция 5.1 ЕН5 - НД 19 - ДК14 - вывод 2 - источник 1 и источник 1 - вывод 4 - вентиль 11 ВМ17 - ЛД15 - вывод 6 - секция 5.1 ЕН5 - НД19 - ДК14 - вывод 2 - источник 1 током:

i

sin

t + через диодные вентили 10 и 11, ДК14 в конце отрицательного полупериода изменения напряжения U
23 при

t = 360
о зарядится до максимального напряжения обратной полярности

, где U
тл - амплитуда линейного напряжения ТИПТ1, а секция 5.1 ЕН5 подзарядится первой порцией энергии до напряжения

U
5,1(1)

(1,75)

1+e

+ 1,75

1+e

.
При последующем втором положительном полупериоде изменения линейного напряжения U
23 ТИПТ и со сдвигом на 60 эл.град. при втором отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения U
42 линейные напряжения U
23 и U
42 соединяются последовательно-согласно с напряжением U
ст5.(1) на ДК14 и происходит подзаряд секции 5.2 ЕН5 по описанным выше цепям током:

sin

t +, ДК14 в конце этого положительного полупериода изменения напряжения U
23при

t=540
о зарядится до максимального напряжения

1+e

+ (1,75)

1+e

+, а секция 5.2 ЕН5 подзарядится второй порцией энергии и напряжение на ней увеличится.
В последующем втором отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения U
23 и со сдвигом на 60 эл.град при втором положительном полупериоде изменения линейного напряжения U
42 ТИПТ1 линейные напряжения U
23 и U
42 соединяются последовательно-согласно с напряжением U
ст5.2(2)на ДК14 и происходит подзаряд секции 5.1 ЕН5 по описанным выше цепям током:

i

sin

t +, ДК14 в конце этого второго отрицательного полуперида изменения напряжения U
23 при

t=720
о зарядитcя до максимального напряжения обратной полярности

+

1+e

+, а секция 5.1 ЕН5 подзарядится второй порцией энергии и напряжение на ней увеличится.
И так далее циклически каждый последующий период изменения линейных напряжений U
23 и U
42 ТИПТ1. Приблизительно через пять периодов изменения линейных напряжений U
23 и U
42 трехфазного источника наступает установившийся режим подзаряда секции 5.1 и 5.2 ЕН5, а дозирующий конденсатор 14 резонансно заряжается два раза за период до максимального напряжения
U
ст5.1 = U
ст5.2 
1,75 Q U
тл. (2)
В установившемся режиме заряда емкостного накопителя 5 его секции 5.1 и 5.2 будут подзаряжатьcя каждый период током:
i
C5,1= i
C52

[ sin

t + sin (

t-240

)], (3) где U
ен - растущее с каждым периодом текущее напряжение подзаряда ЕН5.
При заряде емкостного накопителя 5 в режиме слабопеременной зарядной мощности с коэффициентом ее равномерности К
зр = 0,75 ЕН5 без подмагничивания нелинейного дросселя 19 постоянным током зарядится до максимального напряжения
U
зт 
(1,75 Q + 1) U
тл, (4) ровно в два раза меньшего, чем при заряде ЕН 5 в режиме сильнопеременной зарядной мощности.
Средний КПД заряда первой 5.1 и второй 5.2 секций емкостного накопителя 5 определяется выведенным нами выражением
з=

=

, (5) где

E
сп
r

i
2C5,1dt = r

i
2C5,2dt - потери энергии в системе при заряде секций 5.1 и 5.2 ЕН5;

Е
ст = 2 С
н U
зт2/(8f
tзк) - средняя полезная энергия одной подзарядной порции секций 5.1 или 5.2 ЕН5;
t
*зк = t
зк/
L- относительное время заряда ЕН5, нормированное по постоянной времени устройства
L= L/r;

= LC
н - характеристическое время устройства в квадрате при заряде ЕН5.
Идеальный коэффициент использования ТИПТ1 по мощности К
ин=Р
ср/Р
m

0,835, где Р
ср - средняя мощность трехфазного источника 1; Р
m - его максимальная мощность. Коэффициент мощности ТИПТ1


0,81. Для реальных параметров системы средний КПД заряда ЕН5, подсчитанный по выражению (5), составляет величину
з
0,98.
Если требуется зарядить емкостный накопитель 5 до максимального напряжения U
зт1 менее максимально возможной величины U
зт, определяемой выражением (4), то опорное напряжение U
o компаратора 20 устанавливают в соответствии с напряжением U
зт1 - U
тл на дозирующем конденсаторе 14 с учетом деления этого напряжения на делителе 24 напряжения ДК и при превышении напряжением U
ст5.1 = U
ст5.2 на дозирующем конденсаторе 14 (с учетом деления этого напряжения на делителе 24) величины опорного напряжения U
o компаратора 20, на выходе компаратора 20 возникает напряжение рассогласования

U
p= (U
зт' - U
тл) k
д-U
o, где k
д - коэффициент деления напряжения делителем 24. Это напряжение рассогласования

U
р усиливается усилителем 23, и его постоянный выходной ток I
п (пропорциональный напряжению рассогласования

U
р) подмагничивает нелинейный дроссель 19. Это несколько уменьшает магнитную проницаемость сердечника нелинейного дросселя 19, его индуктивность и суммарную индуктивность L'=L
1+L
н=L
2+L
нустройства. Так как реальная добротность Q устройства лежит в пределах от 50 до 105, резонансный пик напряжения на ДК14 будет очень острым и незначительное отклонение суммарной индуктивности L' устройства от своего резонансного значения L существенно уменьшает напряжение на дозирующем конденсаторе 14, а значит, и максимальное напряжение U
зтзаряда емкостного накопителя 5, что позволяет весьма просто регулировать максимальное напряжение U
зт заряда ЕН5 в разумных пределах, изменяющихся от максимального значения U
зт 
(1,75Q+ 1)U
тл до минимальной его величины U

U
зт при изменении суммарной индуктивности L устройства в сторону ее уменьшения максимума на 3-5%.
Когда максимальное напряжение заряда емкостного накопителя 5 (с учетом его деления на делителе 25) станет равным опорному напряжению U
о' компаратора 21, второй компаратор 21 выдает импульс напряжения, открывающий (поджигающий) управляемый ключ 8 (тиристорного типа, типа водородного тиратрона или игнотронного разрядника и управляемого вакуумного или жидкостного разрядника) и емкостный накопитель 5, например в составе искусственной формирующей линии ИФЛ, полностью разряжаетcя на импульсную нагрузку при практически неизменном в случае ИФЛ напряжении за время
пи длительности импульса питания нагрузки, а управляемый ключ естественным образом закрывается (самопогасает), затем следует описанный выше цикл заряда ЕН5 снова до максимального значения U
зт' и так далее циклически с частотой f
пи = 1/(t
зк +
пи).
Как следует из изложенного выше, при максимальном зарядном напряжении ЕН5 U
зт', лежащем в пределах от 0,333 (1,75 Q +1)U
тл до (1,75 Q + 1) U
тл, при заданной амплитуде линейного напряжения U
тл ТИПТ1 типа синхронного генератора из состава системы исключается повышающий трехфазный трансформатор, что существенно улучшает удельные энергетические показатели предложенного устройства.
Практический коэффициент использования трехфазного источника 1 переменного тока по мощности
K
ип= P
зср/P
m= K
ип
K
зр
зр 
0,835

0,81

0,75

0,98= 0,505, (6) где Р
зcр= С
нU
зт2/(2t
зк)= Е
зт/t
зк - средняя зарядная мощность ЕН5; Е
зт - его максимальная зарядная энергия; Р
т - максимальная установленная мощность ТИПТ1. Для сравнения у базовой системы-прототипа (индекс ПР) практический коэффициент использования ТИПТ по мощности К
иппр 
0,171.
Максимальная установленная мощность Р
т трехфазного источника 1 Р
т= Р
зcр/К
ип в предложенном устройстве составляет величину Р
т = 1,98 Р
зср, а в прототи- пе - в 2,96 раз больше (Р
тпр=Р
зср/К
иппр=5,84 Р
зcр) при одинаковой для сопоставляемых систем средней зарядной мощности Р
зcрЕН5.
Средний КПД предложенного устройства
з
0,98, а средний КПД базовой системы-прототипа
зпр
0,600 - в 1,63 раз меньше, что приводит к уменьшению расхода топлива для работы первичного трехфазного источника 1 типа синхронного генератора в 1,63 раз и к уменьшению потерь энергии в предложенном устройстве (индекс ПУ)

Р
пу = Р
зcр(1-
з)/
з=0,0204 Р
зср - в 32,8 раз, чем в прототипе (

Р
упр = = Р
зср (1-
зпр)/
зпр=0,67 Р
зcр).
Все это улучшает удельные энергетические показатели предложенного устройства (системы), такие как удельная энергия W
ет=Е
пи/m
пу=0,500 кДж/кг и удельная мощность W
рт=Р
зcр/m
пу 
0,1 кВт/кг по ее массе m
пу в 1,40 раз по сравнению с базовой системой-прототипом W
етпр=Е
пи/m
пр = =0,356 кДж/кг и W
ртпр= Р
зcр/m
пр = 0,0714 кВт/кг при одинаковой для сопоставляемых систем энергии импульса питания нагрузки 8 Е
пи=100 кДж и средней зарядной мощности Р
зcр
Е
пи/t
зк = 20 кВт.
Указанные выше технико-экономические характеристики предложенной и базовой систем получены по разработанной нами методике при следующих одинаковых для обоих сопоставляемых устройств (систем) исходных параметрах: энергия импульса питания импульсной нагрузки 8 Е
пи = 100 кДж; длительность импульса питания нагрузки 8
пи = 0,1 мс; минимальное зарядное напряжение емкостного накопителя 5 U
зт'=50 кВ; максимальная зарядная энергия ЕН5 Е
зт= С
нU
зт'2/2

Е
пи = 100 кДж; время заряда ЕН5 до максимального напряжения U
зт' = 50 кВ составляет t
зк = 5 с; средняя зарядная мощность ЕН5 Р
зcр = Е
зт/t
зк= 20 кВт; первичным трехфазным источником переменного тока является синхронный генератор авиационного типа с линейным напряжением U
л = 4000 В, амплитудой линейного напряжения U
тл = 566 В; частотой f = 400 Гц, коэффициентом его нагрузки К
исг = 0,98 и с удельной массой
сг= 0,27 кг/кВт; удельная энергия высоковольтных импульсных конденсаторов - емкостных накопителей энергии для авиационной и космической техники W
етен = 1кДж/кг; удельная масса дозирующих конденсаторов типа ЭСКВ
ДК= 0,065 кг/кВт; подсчитанная по методике Розанова Ю.К. удельная масса линейных дросселей 15 и 18
ЛД=0,73 кг/кВт и удельная масса трехфазного повышающего трансформатора прототипа
грпр
0,70 кг/кВт; удельная масса нелинейного дросселя 19 с обмотками переменного тока и магнитного управления постоянным током в предлагаемом устройстве (системе)
НД
1,1 кг/кВт.
Таким образом, включение в устройство для питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя первого 10, второго 11, третьего 12 и четвертого 13 диодных вентилей по схеме четырехплечного выпрямительного моста 17, снабжение устройства дополнительно вторым линейным дросселем 18, нелинейным дросселем 19 с обмотками переменного тока и магнитного управления постоянным током и новыми связями между его элементами, и определение оптимальной суммы индуктивности нелинейного дросселя 19 L
н в ненасыщенном его состоянии и первого L
1 или второго L
2 линейных дросселей 15 или 18 L
1+L
н= L
2+L
н= L по выражению (1), обеспечивая неочевидность схемно-технического и параметрического решения поставленной задачи, в 1,40 раз улучшает удельные энергетические показатели системы путем бестрансформаторного повышения ее выходного напряжения в 22,4-44,8 раз при одинаковой для сопоставляемых устройств (систем) амплитуде линейного напряжения первичного трехфазного источника - авиационного синхронного генератора (U
тл = 566 В), уменьшения в 2,96 раз максимальной установленной мощности трехфазного источника 1 и увеличения в 1,63 раз среднего КПД заряда емкостного накопителя 5 за счет исключения из состава системы трехфазного повышающего трансформатора и увеличения в 2,96 раз практического коэффициента использования трехфазного источника переменного тока по мощности, а также в 1,63 раз уменьшает расход топлива для работы первичного трехфазного источника - синхронного генератора и в 32,8 раз - мощность потерь энергии в устройстве (системе).
Формула изобретения
1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя линейными выводами, разделенный на две равные последовательно включенные секции емкостной накопитель энергии, четыре диодных вентиля, дозирующий конденсатор, одна обкладка которого подключена к первому выводу трехфазного источника переменного тока, первый линейный дроссель, отличающееся тем, что, устройство дополнительно снабжено вторым линейным дросселем, нелинейным дросселем с обмотками переменного тока и магнитного управления постоянным током, блоком управления и управляемым ключом, первый, второй, третий и четвертый диодные вентили включены по схеме четырехплечного выпрямительного моста, первый и второй входы блока управления соединены с вторым и третьим выводами трехфазного источника переменного тока, третий и четвертый входы - с выводами емкостного накопителя, а первый и второй выходы - с управляющим переходом управляемого ключа, пятый и шестой входы блока управления соединены с обкладками дозирующего конденсатора, между третьим и четвертым выходами включена обмотка магнитного управления нелинейного дросселя, выводы емкостного накопителя энергии через управляемый ключ подключены к выходу устройства, первый линейный дроссель включен между положительным выходом выпрямительного моста и первым выводом емкостного накопителя, второй линейный дроссель включен между вторым выводом емкостного накопителя и отрицательным выходом выпрямительного моста, первый и второй входы которого соединены с вторым и третьим выводами трехфазного источника переменного тока, обмотка переменного тока нелинейного дросселя включена между второй обкладкой дозирующего конденсатора и точкой соединения первой и второй секций емкостного накопителя, причем индуктивность L
2 второго линейного дросселя равна индуктивности L
1 первого линейного дросселя, а суммарная индуктивность нелинейного дросселя L
н в ненасыщенном состоянии и первого L
1 или второго L
2 линейных дросселей определяется выражением

где C - емкость дозирующего конденсатора, которая много меньше удвоенной емкости C
н всего емкостного накопителя, C

2C
н;
f - частота изменения напряжений трехфазного источника переменного тока;

- добротность устройства;
R
ли - внутреннее линейное активное сопротивление трехфазного источника переменного тока;
R
лнД = R
лД + R
нД - суммарное активное сопротивление нелинейного R
нД и первого или второго R
лД линейных дросселей;
R
Дв - среднее значение сопротивления каждого диодного вентиля выпрямительного моста в приводящем направлении.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью уменьшения массы первого и второго линейных дросселей, их обмотки помещены на общий магнитный сердечник, а начала этих обмоток подключены соответственно к положительному и отрицательному выходам выпрямительного моста.
РИСУНКИ
Рисунок 1,
Рисунок 2