Устройство заряда емкостного накопителя

 

Использование: изобретение может использоваться в качестве вторичного источника питания устройств, использующих энергию предварительно заряженной конденсаторной батареи. Сущность изобретения: устройство содержит диодно-резонансную зарядную цепь 6,7 дозирующего конденсатора 5 от источника 1,2 постоянного напряжения с последующим его поочередным разрядом в последовательные секции емкостного накопителя 12, 13, осуществляемым посредством новой вентильно-конденсаторной 8-11 мостовой схемы с закороченной диагональю. 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области электротехники и может применяться в качестве вторичного источника питания устройств, использующих энергию предварительно заряженной конденсаторной батареи.

Известно устройство заряда емкостного накопителя, содержащее источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с общей шиной и последовательную цепочку из зарядного дросселя, диода и накопительного конденсатора, включенную между полюсами источника, причем точка соединения зарядного дросселя с анодом диода подключена к общей шине через мост на управляемых вентилях, в диагональ которого включен дозирующий конденсатор (см. книгу Булатов О.Г. Иванов В.С. Панфилов Д.И. Тиристорные схемы включения высокоинтенсивных источников света, М. Энергия, 1975, стр. 153 рис. 5-29).

Недостатками такого устройства являются его низкая надежность (возникновение аварийного режима при коротком замыкании в нагрузке), требуемая большая мощность источника питания, неравномерность загрузки питающей сети по току.

Известно также устройство заряда емкостного накопителя, содержащее источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого подключен к общей шине, последовательную цепочку из зарядного дросселя и накопительного конденсатора, соединенную одним концом с общей шиной и шунтированную защитным диодом, а другим концом подключенную через мост на управляемых вентилях к положительному полюсу источника постоянного напряжения, причем в диагональ моста включен дозирующий конденсатор (А.С.СССР N 375741 Н 02 М 7/00, опубл. в БИ N 16 в 1973 г.).

Недостатками такого устройства являются большие помехи, создаваемые в питающей сети, за счет резкого обрыва потребляемого от источника тока в момент включения защитного диода, а также неравномерная загрузка сети по току.

Известно также устройство, содержащее источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с общей шиной, последовательную цепочку из зарядного тиристора, зарядно-разрядного дросселя и вспомогательного конденсатора, включенную между полюсами источника, причем анод зарядного тиристора соединен с положительным полюсом источника, а свободная обкладка вспомогательного конденсатора подключена к общей шине, разрядный тиристор, анод которого соединен с катодом зарядного тиристора, а катод с общей шиной, емкостной накопитель, состоящий из двух конденсаторных секций, имеющих общую точку, подключенную к общей шине, последовательную цепочку из двух вспомогательных диодов, концы которой соединены со свободными обкладками конденсаторных секций, а общая точка диодов подключена к точке соединения зарядно-разрядного дросселя со вспомогательным конденсатором (там же стр. 152, рис. 5-26).

Недостатками такого устройства являются его низкий КПД, низкая надежность (за счет возможности ложного включения тиристоров по фактору du/dt), а также невозможность его использования при питании от источника ограниченной мощности.

Наиболее близким к заявленному по технической сущности является устройство, содержащее источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с общей шиной, а между полюсами включена последовательная цепочка из зарядного тиристора, зарядного дросселя и дозирующего конденсатора, причем анод зарядного тиристора соединен с положительным полюсом источника, отрицательная обкладка дозирующего конденсатора подключена к общей шине, а параллельно дозирующему конденсатору подключен защитный диод-анодом к общей шине, последовательную цепочку из первого и второго разрядных тиристоров, в которой катод второго разрядного тиристора соединен с общей шиной, емкостной накопитель, состоящий из двух конденсаторных секций, имеющих общую точку включения, соединенную с общей шиной, последовательно соединенные разрядный дроссель и вспомогательный конденсатор, общая точка которых через два вспомогательных диода подключена к свободным обкладкам конденсаторных секций накопителя, причем свободный конец разрядного дросселя подключен к общей точке первого и второго разрядных тиристоров, а свободная обкладка вспомогательного конденсатора к общей шине (там же стр. 153, рис. 5.28).

В этом устройстве устранен недостаток, связанный с неравномерностью загрузки сети по току и с невозможностью использования для питания устройства источника ограниченной мощности. Устранен также один из недостатков, определяющих низкую надежность устройства возникновение аварийного режима при коротком замыкании нагрузки. Однако остается в силе второй недостаток, определяющий низкую надежность устройства. А именно, при включении зарядного тиристора к разрядным тиристорам, прикладывается скачок напряжения с большой крутизной, что с большой вероятностью приводит к самопроизвольному включению разрядных тиристоров за счет фактора du/dt. В результате возникает короткое замыкание источника. Большим недостатком этого устройства является его низкий к.п.д. Это связано с тем, что в каждом отдельном цикле работы устройства (понимая под циклом ряд процессов, происходящих в устройстве при передаче одной порции энергии от источника в накопитель) через зарядный и разрядный дроссели протекают зарядно-разрядные токи. То есть через зарядный дроссель протекают импульсы зарядного и разрядного тока дозирующего конденсатора, а через разрядный дроссель протекают импульсы зарядного и разрядного тока вспомогательного конденсатора. Наличие этих двойных импульсов приводит к увеличению потерь в зарядном и разрядном дросселях, что снижает КПД устройства. Кроме того, это устройство имеет плохие массогабаритные показатели, во-первых, из-за наличия в нем вспомогательного конденсатора, во-вторых, из-за сравнительно большого количества полупроводниковых вентильных элементов. Рассмотрим второе более подробно. Предположим, что в устройстве используются вентильные элементы, рассчитанные на уровень напряжения, равный напряжению источника Е. Предположим также, что требуемый уровень зарядного напряжения составного накопителя 2 Е. В этом случае полупроводниковые элементы схемы должны выдерживать следующие уровни напряжения: зарядный тиристор-Е, первый разрядный тиристор-3Е, второй разрядный тиристор-2Е, защитный и вспомогательные диоды по 2Е каждый. Поскольку по постановке задачи используются вентильные элементы, рассчитанные на уровень Е, следует применять последовательное их включение, в тех случаях, где этот уровень превышается. Легко видеть, что в поставленных условиях для реализации устройства потребуется 12 вентильных элементов (ниже будет показано, что в тех же условиях для реализации заявленного устройства потребуется 7 вентильных элементов).

Целью предполагаемого изобретения является увеличение КПД при повышении надежности и снижении массогабаритного устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в зарядное устройство емкостного накопителя, содержащее источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с общей шиной, а между полюсами включена последовательная цепочка из зарядного тиристора, зарядного дросселя и дозирующего конденсатора, причем отрицательная обкладка дозирующего конденсатора подключена к общей шине, а параллельно дозирующему конденсатору подключен защитный диод-анодом к общей шине, последовательную цепочку из первого и второго разрядных тиристоров, в которой катод второго разрядного тиристора соединен с общей шиной, емкостной накопитель, состоящий из двух конденсаторных секций, имеющих общую точку включения, разрядный дроссель, введены третий и четвертый разрядные тиристоры, причем аноды первого и третьего и катоды второго и четвертого разрядных тиристоров попарно объединены, катод третьего и анод четвертого разрядных тиристоров подключены к свободным обкладкам конденсаторных секций накопителя, общая точка включения которых соединена с общей точкой первого и второго разрядных тиристоров, а показательная обкладка дозирующего конденсатора через разрядный дроссель подключена к анодам первого и третьего разрядных тиристоров.

На принципиальной схеме устройства, приведенной на фиг.1, изображены клеммы 1,2 источника постоянного напряжения, тиристор 3 зарядный, дроссель 4 зарядный, конденсатор 5 дозирующий, диод 6 защитный, дроссель 7 разрядный, тиристоры 8,9,10,11 разрядные, секции 12,13 конденсаторные емкостного накопителя.

Устройство работает следующим образом. При включении тиристора 3 происходит заряд конденсатора 5 до удвоенного напряжения источника питания 2Е по цепи: клемма 1- тиристор 3 дроссель 4, конденсатор 5- клемма 2. После каждого зарядного цикла конденсатора 5, происходит его разряд на накопитель, посредством попарно-поочередного включения тиристоров 8, 10 и 9, 11. Так например, при включении тиристоров 8 и 10, конденсатор 5 разряжается по цепи: положительная обкладка конденсатора 5 дроссель 7 тиристор 8 - конденсаторная секция 12 тиристор 10 отрицательная обкладка конденсатора 5. При этом происходит заряд секции 12, до момента времени, соответствующего разряду конденсатора 5 до нуля. В этот момент времени ток в дросселе 7 перехватывается защитным диодом 6, который предохраняет конденсатор 5 от перезаряда напряжением обратного знака и образует новый контур: первый вывод дросселя 7 тиристор 8 секция 12 тиристор 10 диод 6 второй вывод дросселя 7. По этому контуру энергия, занесенная в дросселе 7, передается в конденсаторную секцию 12, осуществляя ее дозаряд. Аналогичным образом заряжается конденсаторная секция 13 при включении тиристоров 9 и 11. Таким образом, в процессе работы устройства, дозирующий конденсатор 5 периодически заряжается от источника постоянного напряжения и поочередно передает накопленную в нем энергию в конденсаторные секции 12 и 13 емкостного накопителя. При этом от источника потребляется постоянная мощность при равномерной его загрузке по току.

В режиме постоянной потребляемой мощности (при допущении отсутствия потерь) каждая из секций 12, 13 накопителя заряжается до уровня Е за n' C₁₂₍₁₃₎/C₅ импульсов. При равной емкости секций 12, 13 накопителя (C₁₂ C₁₃ C) суммарное напряжение на секциях достигает в рассматриваемом режиме величины 2Е за n 2n'= C_n/C₅ импульсов, где общая емкость накопителя В процессе работы устройства отсутствуют резкие перепады тока, потребляемого от источника и связанные с такими перепадами помехи в питающей сети. Устройство устойчиво работает при коротких замыканиях нагрузки, так как в нем отсутствует контур сквозного тока от источника питания в нагрузку.

В сравнении с прототипом в предложенном устройстве отсутствуют парные импульсы в зарядном и разрядном дросселях 4 и 7. На интервале передачи от источника к накопителю одной порции энергии, в каждом из дросселей протекает только один импульс тока, за счет чего снижены потери энергии и увеличен КПД устройства. По сравнению с прототипом в предложенном устройстве увеличена надежность его работы, за счет снижения скорости нарастания напряжения du/dt на закрытых разрядных тиристорах, ввиду ее ограничения скоростью нарастания напряжения на конденсаторе 5.

Сравнивая предложенное устройство с прототипом в сходных условиях (напряжение источника питания Е, зарядное напряжение составного накопителя 2Е, вентильные элементы рассчитаны на напряжение Е) легко видеть, что в предложенном устройстве количество вентильных элементов существенно меньше. Действительно, в этом устройстве зарядный и разрядные тиристоры 3, 8, 9, 10, 11 должны быть рассчитаны на уровень Е, защитный диод на уровень 2Е. То есть общее количество вентильных элементов 7 штук (ср. в прототипе 12 штук). Кроме того, в предложенном устройстве отсутствует вспомогательный конденсатор, занимающий заметную часть объема прототипа из-за его относительно большой емкости (из условия работы прототипа C_в > С_д, где C_в - емкость вспомогательного конденсатора, С_д емкость дозирующего конденсатора). Помимо указанного, в предложенном устройстве (в отличие от прототипа) распределение напряжения по секциям симметрично, ввиду симметрии зарядных контуров секций. Это является положительным фактором с двух точек зрения: во-первых, с точки зрения конструирования, поскольку при симметричном распределении напряжения по секциям накопителя они могут быть выполнены в виде идентичных модулей, во-вторых, с точки зрения КПД передачи энергии из накопителя в нагрузку, ибо при одинаковом напряжении на последовательно соединенных секциях накопителя, при подключении нагрузки энергия накопителя передается в нее полностью, в отличие от прототипа, на секциях накопителя которого остается остаточное напряжение.

Предложенное устройство имеет, по сравнению с прототипом, еще одно достоинство, относящееся к технологичности изготовления. Ниже, в примере конкретного выполнения устройства, на фиг.2 приведены схемы соответствующие прототипу (фиг. 2а) и предложенному устройству (фиг.2б). Из сравнения схем видно, что при использовании вентилей таблеточной конструкции вентилей таблеточной конструкции, они могут собираться в отдельные модули (столбы) там, где имеются цепочки, из последовательно соединенных вентилей.

В схеме фиг.2б. может быть организовано для вентильных модуля: T₁, Д, T₅ и T₂, T₃, T₄. В то же время в схеме фиг.2а количество вентильных модулей не может быть сделано меньше трех. Таким образом предложенное устройство имеет преимущество в технологичности изготовления.

При проведении патентных исследований авторами не обнаружены другие технические решения, в которых вентильно-конденсаторная мостовая схема удвоения напряжения выполнена тождественно заявляемой. Благодаря этой новой схеме, получен сверхсуммарный эффект: увеличен к.п.д. зарядного устройства при повышении его надежности и улучшения массогабаритных показателей; обеспечено равномерное распределение напряжения по секциям накопителя; улучшена технологичность изготовления устройства.

Проведем доказательство достижения положительного эффекта на примере конкретного выполнения предложенного устройства и сравнении его с прототипом.

На фиг. 2а,б приведены исследованные схемы устройств соответственно для прототипа и предполагаемого изобретения. Параметры схем: емкость фильтра С_ф 1300 мкФ; дозирующая емкость С_д 2 мкФ; емкость первой и второй секций накопителя С_н C_н1 С_н2 100 мкФ; вспомогательная емкость С_в 2,2 мкФ; индуктивность зарядного и разрядного дросселей L_з L_p 220 мкГн; тиристоры типа КУ201Ж; диоды типа КД206А; напряжение источника питания Е 30В. Схема управления тиристорами содержала в обоих случаях счетчик импульсов Ф 5264, обеспечивающий подачу на накопитель счетной серии зарядных импульсов. Частота следования зарядных импульсов 100 Гц. При измерениях была использована следующая методика. На первом этапе измерялся интервал (количество зарядных импульсов), на котором от источника питания потребляется постоянная мощность. Для этого в предложенном устройстве осциллографировалось напряжение на дозирующем конденсаторе. На указанном интервале дозирующий конденсатор в каждом зарядном импульсе накопителя разряжается до нуля. Начиная с некоторого импульса с номером n* + 1, при достижении на накопителе суммарного напряжения секций, равного зарядному напряжению дозирующего конденсатора, режим отбора постоянной мощности нарушается. В последующих импульсах дозирующий конденсатор разряжается частично, с последовательным нарастанием на нем от импульса к импульсу положительного остаточного напряжения и соответствующим последовательным снижением передаваемой в накопитель энергии. При осциллографировании фиксировался номер импульса n*, после которого на дозирующем конденсаторе образуется положительное остаточное напряжение, тем самым определялась граница интервала с постоянным отбором мощности. При этом измерялась величина напряжения на дозирующем конденсаторе и на секциях накопителя, причем на секциях накопителя измерялось суммарное напряжение и напряжение на каждой из секций. Далее проводились аналогичные измерения в прототипе после прохождения такого же количества зарядных импульсов. Рассчитывался КПД зарядного контура дозирующего конденсатора по формуле: где энергия запасаемая дозирующим конденсатором; в реальной схеме.

энергия, запасаемая дозирующим конденсатором при отсутствии потерь в зарядном контуре. Рассчитывался КПД зарядного контура накопителя по формуле: где , энергии, запасаемые в первой и второй накопительных секциях соответственно.

Рассчитывался общий КПД зарядного устройства по формуле: _з= _дн
Рассчитывался КПД передачи энергии от накопителя в активную нагрузку по формуле:

где
остаточные энергии в первой и второй секциях накопителя, соответственно; U_CH1, U_CH2ост остаточные напряжения на секциях после разряда накопителя на активную нагрузку.

И, наконец, рассчитывался полный КПД передачи энергии от источника к активной нагрузке:
_R= _зR
Результаты проведенных измерений и расчетов представлены в таблице. Полученные данные свидетельствуют о том, что предложенное устройство обладает существенно более высоким КПД примерно на треть выше, чем прототип.

Измерялось также напряжение на вентильных элементах в обеих исследовавшихся схемах.

В случае прототипа амплитуды этих напряжений составили: U_T1 30 B; U_T2 88 B; U_T3 45 B; U_Д1 47 B; U_Д2 80; U_Д3 70 B.

При этом на фронтах импульсов напряжения на тиристорах наблюдались относительно высокочастотные колебания с большой амплитудой. На тиристорах Т₂ и T₃ амплитуда этих колебаний достигала 115 В при напряжении источника Е 30 В.

В случае предложенного устройства (фиг.2б)
U_T1U_T2U_T3 U_T4U_T530B
U_Д155B
Амплитуда высокочастотной составляющей на фронтах импульсов не превышала 50 В.

Предложенное устройство продолжало надежно работать при увеличении напряжения источника питания до 250 В.

Устройство, выполненное в соответствии со схемой прототипа, резко снижало надежность работы при повышении напряжения питания до уровня Е 70 В. При этом напряжении периодически происходил срыв зарядной серии и короткое замыкание источника питания через одновременно включившиеся тиристоры Т₁, T₂, T₃.

После проведения указанных сравнительных исследований авторами был разработан и изготовлен, в соответствии с предложенным изобретением, макет зарядного устройства с выходной мощностью 1 кВт, обеспечивающий заряд накопителя с суммарной емкостью 4000 мкФ при зарядном напряжении 1 кВ. Следует отметить, что предложенное устройство особенно удобно использовать в мощных зарядных устройствах, именно при таких уровнях напряжений. Действительно, промышленная трехфазная сеть обеспечивает при выпрямлении напряжения уровень 540 В. С помощью предложенного устройства этот уровень легко преобразуется в зарядное напряжение емкостного накопителя практически неограниченной емкости с уровнем 1 кВ. При этом не требуется громоздких трансформаторов для согласования уровня входного и выходного напряжений.

Тем самым предложенное зарядное устройство может при его использовании обеспечить силовым питанием целую серию модуляторов, применяемых для возбуждения твердотельных лазеров, такую, как серия сварочных лазерных установок "Квант".

Таким образом, предложенное устройство, обладающее целым спектром достоинств, таких как высокий КПД, повышенная надежность, улучшенные массогабаритные показатели, технологичность конструкции, несомненно принесет при его использовании положительный народохозяйственный эффект.

Формула изобретения

Устройство заряда емкостного накопителя, содержащее источник постоянного напряжения, отрицательный полюс которого соединен с общей шиной, а между полюсами включена последовательная цепочка из зарядного тиристора, зарядного дросселя и дозирующего конденсатора, причем отрицательная обкладка дозирующего конденсатора подключена к общей шине, а параллельно дозирующему конденсатору анодом к общей шине подключен защитный диод, последовательную цепочку из первого и второго разрядных тиристоров, в которой катод второго разрядного тиристора соединен с общей миной, емкостный накопитель, состоящий из двух конденсаторных секций, имеющих общую точку включения, разрядный дроссель, отличающееся тем, что в него введены третий и четвертый разрядные тиристоры, причем аноды первого и третьего и катоды второго и четвертого разрядных тиристоров попарно объединены, катод третьего и анод четвертого разрядных тиристоров подключены к свободным обкладкам конденсаторных секций емкостного накопителя, общая точка включения которых соединена с общей точкой первого и второго разрядных тиристоров, а положительная обкладка дозирующего конденсатора через разрядный дроссель подключена к анодам первого и третьего разрядных тиристоров.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3