Устройство для заряда емкостного накопителя электрической энергии

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных источниках энергии. Цель изобретения - улучшение удельных массогабаритных и энергетических показателей-достигается за счет уменьшения мощности несимметрии трехфазного источника переменного тока. Устройство содержит трехфазный источник переменного тока с выходными фазными клеммами 1, 2 и 3, токоограничивающие зарядные элементы, два из которых выполнены в виде токоограничивающих конденсаторов 4 и 5 и один-из индуктивного зарядного элемента на дросселе 6, две диодные цепочки, каждая из которых состоит из двух соединенных последовательно-согласовано диодов 7, 8 и 9, 10, емкостный накопитель 11 электрической энергии, дополнительный конденсатор 12. Емкостный накопитель 11 выполнен на конденсаторах 13 и 14. Зарядка емкостного накопителя продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет за много циклов изменения напряжения источника питания значения, равного 3 U<SB POS="POST">лт</SB>. 17 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

П« Е 1(.

БviE). ° IQ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«В

«3

QO

СО

CO

Сд

74

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61) 790143 (21),4245102/24-21; 4245099/24-21 (22) 13.05.87 (46) 07.05.89. Бюл. N- 17 (72) В.К.Быстров, А.Г,Николаев, В,В.Додотченко, Н,А.Шумаков и А.В.Вечерин (53) 621.373.431(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 790143, кл. Н 03 К 3/53, 02.03.78. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА ЕМКОСТ.—

НОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в импульсных источниках энергии.

Цель изобретения — улучшение удельных массо-габаритных и энергетических показателей — достигается за счет уменьшения мощности несиммет„„SU„„1478305 A 2 (51)4 Н 03 K 3 53 рии трехфазного источника переменного тока. Устройство содержит трехфазный источник переменного тока с выходными фазными клеммами 1, 2 и

3, токоограничивающие зарядные элементы, два из которых выполнены в виде токоограничивающих конденсаторов 4 и 5 и один — из индуктивного зарядного элемента на дросселе 6, две диодные цепочки, каждая иэ которых состоит из двух соединенных последовательно-согласовано диодов 7, 8 и

9, 10, емкостный накопитель 11 электрической энергии, дополнительный конденсатор 12. Емкостный накопитель

11 выполнен на конденсаторах 13 и 14.

Зарядка емкостного накопителя продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет за много циклов изменения напряжения источника питания значения, равного 3U „„. 17 ил.

14783

Изобретение относится к импульсной технике, может быть использовано в качестве импульсных источников энергии и является усовершенствованием устройства по авт.св, 9 790143.

Целью изобретения является улучшение удельных массогабаритных и энергетических показателей за счет уменьшения мощности несимметрии трехФ фазного источника переменного тока. 10

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема устройства; на фиг,2-10 — эпюра и эквивалентные схемы, поясняющие работу устройства; на фиг.11 — электрическая схема устройства беэ токоограничивающего дросселя; на фиг.12-17 — эквивалентные схемы, поясняющие работу схемы устройства на фиг.11.

Устройство для заряда емкостного накопителя электрической энергии содержит трехфазный источник переменного тока с тремя выходными фазными клеммами 1-3, три токоограничи- 25 вающих зарядных элемента, два из которых выполнены в виде токоограничивающих конденсаторов 4 и 5, один индуктивный зарядный элемент, выполненный в виде линейного дросселя 6, две 30 диодные цепочки, каждая из которых состоит из двух соединенных последовательно-согласно диодов 7-10, причем точки соединения диодов в этих цепочках подключены через токоограни- 3 чивающие конденсаторы 4 и 5 соответственно к двум выходным фазным клеммам 1 и 2 трехфазного источника переменного тока, при этом катод диода

8 первой цепочки подключен к одной, 40 анод диода 10 второй цепочки к другой обкладкам емкостного накопителя

11 электрической энергии, а анод другого диода первой цепочки — к первому выводу обмотки линейного дрос- 4

5 селя 6, дополнительный конденсатор

12, включенный между третьей выходной фазной клеммой 3 и первым выводом обмотки линейного дросселя 6.

Емкостной накопитель 11 выполнен на конденсаторах 13 и 14.

При рассмотрении работы системы будем считать, что фазные (линейные) напряжения образуют трехфазную звезду H сдвинуты друг оТНо<НТе<>НО дру 55 га на 120 эл.град. и все конденсаторы в исходном состоянии (до подачи напряжения) разряжены. Система заряда емкостного накопителя 11

05 2 электрической энергии из-за наличия в ней нелинейных элементов (диодов 9, 10, 7, 8) и нелинейного во времени изменения противо-ЭДС выпрямителя, образованного этими диодами, характеризуется существенной нелинейностью. Анализ процессов, протекающих в системе, показывает, что ток источника, ограниченный конденсаторами и токоограничивающим линейным дросселем, частично идет в дозирующие, а частично в накопительный конденсаторы.

Передача энергии в системе осуществляется по шести каналам, из них три канала внутренние, через которые производится заряд двух последовательно соединенных конденсаторов линейным напряжением источника, а три канала внешние, через них производится заряд накопительного конденсатора суммарным напряжением двух последовательно включенных конденсаторов и линейным напряжением источника.

Внутренний и внешний каналы, питаемые от одной линии, работают во времени последовательно (один за другим).

Каналы, питаемые от клемм 2-3: первый (внутренний) — клемма 3 конденсатор 12 — диод 7 — конденсатор 4 — клеммы 2 и 3; второй (внешний) — клемма 2 — конденсатор 4 диод 8 — конденсатор 13 — дроссель

6 — конденсатор 12 — клеммы 3 н 2, Каналы, питаемые от клемм 3-1: третий (внутренний) — клемма 1 — конденсатор 5 — диод 9 - конденсатор

12 — клеммы 3 и 1; четвертый (внешний) — клемма 3 — конденсатор 12— дроссель 6 — конденсатор 14 — диод

10 — конденсатор 5 — клеммы 1 и 3.

Каналы, питаемые от клемм 1-2; пятый (внутренний) — клемма 1 — конденсатор 5 — диоды 8 и 7 †конденсатор 4 — клеммы 2 и 1; шестой (внешний) — клемма 2 = конденсатор 4 — диод 8 — конденсаторы 13 и 14 — диод

10 — конденсатор 5 — клеммы 1 и 2.

Пусть в исходный момент времени линейное напряжение клемм 2 и 3 будет равным нулю и в последующие моменты времени потенциал клеммы 3 будет превышать потенциал клеммы 2, а линейные напряжения клемм 3-1 и

2-1 одинаковы по своей величине (фиг.5).

8305

3

147

Рассмотрим процессы, протекающие в первом и втором каналах, питаемых линейным напряжением клемм 2 и 3 °

Так как потенциал клеммы 3 выше потенциала клеммы 2, то начнется заряд конденсаторов 4 и 12.(фиг.3).

Поскольку напряжение источника, возрастая по величине, изменяется по закону синуса, то ток заряда в указанной цепи будет изменяться по закону косинуса, Через 90 эл.град. от выбранного начала отсчета процесс заряда конденсаторов 4 и 12 закончится. Напряжение на каждом конденсаторе имеет значение И,,щ/2, где U nm— амплитуда линейного напряжения источника. Начиная с этого момента времени (фиг.5) линейное напряжение клемм 3 и 2 убывает по закону косинуса,. а суммарное напряжение конденсаторов 4 и 12 и клемм 3 и 2 возрастает.

При этом открывается диод 8 и начинается заряд конденсатора 13 по второму каналу (фиг.4). Ток заряда конденсатора 13 возрастает по нелинейному закону в интервале 90—

270 эл,град. от выбранного начала отсчета. В это время происходит разряд конденсаторов 4 и 12, а затем их . заряд обратной полярностью, т.е. . перезаряд, за счет действия линейного напряжения клемм 2 и 3. Одновременно запасается энергия в дросселе

6. Когда ток заряда во втором канале начнет убывать, в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, которая будет поддерживать ток в цепи заряда конденсатора 13 (фиг.5). При этом ток заряда протекает даже тогда, когда суммарное напряжение клемм 2 и 3 и конденсаторов 4 и 12 станет меньше напряжения на конденсаторе 13, Максимальная длительность тока заряда конденсатора 13 по этому каналу равна 180 эл. град..Она постепенно (по мере заряда конденсатора 13) сокращается. Остальные

180 эл. град. энергия источника питания запасается в конденсаторе 4, заряжаемом через конденсатор 12.

Заряд накопительного конденсатора в течение каждого периода изменения питающего напряжения продолжается до тех пор,пока суммарное напряжение конденсаторов 4 и 12 и клемм

2 и 3, а также напряжение на дросселе 6 не станет равным напряжению на накопительном конденсаторе. этот момент времени закрывается диод 8 (фиг.4 и 5).

Далее все процессы, протекающие в первом и втором каналах, повторяются циклически.

Со сдвигом на 120 эл. град. аналогично протекают процессы в третьем

1ð (фиг,6) и четвертом (фиг.7,8) каналах, питаемых от клемм 3 и 1.

Передача энергии по пятому (фиг.9) и шестому (фиг.10) каналам производится от клемм 2 и 1 со сдвигом на 240 эл.град.

Передача энергии источника в первом — четвертом каналах системы осуществляется через конденсатор 12, который ограничивая ток заряда на20 копительного конденсатора 14 по четвертому каналу, свою энергию в по- i следующем передает в конденсатор 4 при работе первого канала и, наоборот, при разряде конденсатора 4 по

25 второму каналу передает энергию в конденсатор 5 по третьему каналу.

В начале каждого зарядного цикла конденсатор 12 перезаряжается в диапазоне до U m (от +U Äm/2 до -U /2)

30 и тем самым ускоряет заряд конденсаторов 5 и 4 и соответственно накопительных конденсаторов 13 и 14. По мере роста напряжения на накопительных конденсаторах изменение напряжения на конденсаторе 12 уменьшается и он переходит в режим частичного подзаряда (т.е. работает без перезаряда).

Так как подзаряд конденсаторов

5 и 4 осуществляется в течение всех соответствующих полупериодов через конденсаторы 12, то количество электричества, передаваемого в эти конденсаторы, соответственно равно. Очевидно, что оба конденсатора 5 и 4 при их одновременном разряде передают в накопительные конденсаторы только то количество электричества (заряд) с клемм 2-3 и 3-1, которое они получают с первого по четвертый каналы во время их поочередного заряда. Зто в свою очередь, симметрируя нагрузку всех трех линий источника питания, сводит практически к нулю поперечную несимметрию линейных токов источника, уменьшая мощность несимметрии, и, тем самым, снижает значение "типовой" (габарит05

5 14783 ной) мощности источника, его масеу, габариты и стоимость.

Процесс заряда емкостного накойителя продолжается до тех пор по1

5 ка напряжение на нем не достигнет за много циклов изменения напряжения источника питания — значения, равного 4ц„„,. После этого заряженный накопитель разряжается во внешнюю цепь, после чего начинается следующий цикл его заряда.

Устройство для заряда .емкостного накопителя без токоограничивающего дросселя (фиг.11) работает следующим образом.

Внутренний и внешний каналы, питаемые от клемм 1-З„работают во времени последовательно (один за другим).

Каналы, питаемые от клемм 2-3: первый (внутренний) — клемма 2 конденсатор 12 — диод 7 — конденсатор 4 — клеммы 3 и 2; второй (внешний) — клемма 3 — конденсатор 4 — 26 диод 8 — конденсатор 13 — диод 9— конденсатор 12 — клеммы 2 и3.

Каналы, питаемые от клемм 2-1: третий (внутренний) — клемма 1 — конденсатор 5 — диод 9 — конденсатор З0

12 — клеммы 2 и 1; четвертый (внешний) — клемма 2 — конденсатор 12— диоды 7 и 8 — конденсатор 13 — конденсатор 5 — клеммы 1 и 2.

Каналы, питаемые от клемм 3- 1: пятый (внутренний) — клемма 1 — конденсатор 5 — диод 9 и 7 — конденсатор 4 — клеммы 3 и 1; шестой (внеш- . ний) — клемма 3 — конденсатор 4 диод 8 — конденсатор 13 — конден- 4 сатор 5 — клеммы 1 и 3, Пусть в исходный момент времени линейное напряжение клемм 3 и 2 равно нулю и в последующий момент времени потенциал клеммы 2 превышает потенциал клеммы 3, а линейные напряжения клемм 2, 1 и 3, 1 одинаковы по своей величине.

Рассмотрим процессы, протекающие

s первом H тор м каналах, и аемых линейным напряжением клемм 2 и 3. Так как потенциал клеммы 2 выше потенциала клеммы 3, то начинается заряд конденсатора 12 и конденсатора 4 (фиг ° 12); поскольку напряжение источника изменяется по закону синуса, то ток заряда в указанной цепи изменяется по закону косинуса. Через

90 эл,град. от выбранного начала отсчета процесс заряда конденсатора

4 и конденсатора 12 заканчивается.

Напряжение на каждом конденсаторе имеет значение U„ /2,ãäå U „ — амплитуда линейного напряжения источника. Начиная с этого момента времени линейное напряжение клемм 2 и

3 убывает по закону косинуса, а суммарное напряжение конденсаторов 4, 12 и клемм 2, 3 — возрастать по косинусоиде.

При этом начинается заряд конденсатора 13 по второму каналу (фиг. 13) .

Ток заряда накопительного конденсатора изменяется по закону синуса (возрастать) в интервале от 90 до

270 эл. град. от выбранного начала отсчета. В это время происходит разряд конденсаторов 4 и 6, а затем и их перезаряд за счет действия линейного напряжения клемм 2 и 3. Максимальная длительность тока заряда накопительного конденсатора по этому каналу равна 180 эл. град. Она постепенно (по мере заряда накопительного конденсатора) сокращается.

Остальные 180 эл. град. энергии источника питания запасается в конденсаторе 4, заряжаемом через конденсатор 12. Заряд накопительного конденсатора в течение каждого периода изменения питающего напряжения продолжается до тех пор, пока суммарное напряжение конденсаторов клемм 2 и 3 не станет равным напряжению на накопительном конденсаторе. В этот момент времени закрывается диод 8. Далее все процессы, протекающие в первом и втором каналах, повторяются периодически.

Со сдвигом на 120 эл.град аналогично осуществляется заряд накопительного конденсатора 13 при канализации энергии источника от клемм

2 и 1 по третьему (фиг.4) и четвертому каналам (фиг. 15). Передача энергии по пятому (фиг.16 и 17) и шестому каналам происходит от клемм

3 и 1 со сдвигом на 240 эл.град. от начального отсчета времени.

Передача энергии источника в пер-. вом — четвертом каналах системы осуществляется через конденсатор 12, который ограничивая ток заряда накопительного конденсатора 13 по четвертому каналу, свою энергию в последующем передает в конденсатор 4 при работе первого канала и, наоборот, 1478305

20

30

Фиа. 2 при разряде конденсатора 4 по второму каналу, передает энергию в конденсатор 5 по третьему каналу. В начале каждого зарядного цикла конденсатор 12 перезаряжается в диапазоне до U ù (от +Б „„до -U ) и, тем самым, ускоряет заряд конденсаторов

4 и 5 и соответственно накопительного конденсатора 13. По мере роста напряжения на накопительном конденсаторе 13 изменение напряжения на конденсаторе 12 уменьшается и он переходит в режим частичного подзаряда и подразряда (т.е. работает без перезаряда)., Так как подзаряд конденсаторов

4 и 5 осуществляется в течение всех соответствующих полупериодов через конденсатор 12, то количество электричества, передаваемого в эти конденсаторы 4 и 5, соответственно равны.

Очевидно, что оба эти конденсатора 4 и 5 при их одновременном разряде передают в накопительный конденсатор только то количество электричества (заряд) с клемм 3,2 и 2, 1, которое они получают с первого по. четвертый каналы во времени их поочередного заряда. Это, в свою очередь, симметрируя нагрузку всех трех линий, сводит практически к нулю поперечную несимметрию линейных источников тока, уменьшая до нуля мощность несимметрии, и, тем самым, снижает значение типовой" (габаритной) мощности источника, его массу, габариты и стоимость.

Процесс заряда емкостного накопителя продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет (за много циклов изменения напряжения источника питания) значения, равного

3U „. После этого заряженный накопительный конденсатор разряжается во внешнюю цепь, после чего начинается следующий цикл его заряда.

Формула изобретения

Устройство для заряда емкос ного накопителя электрической энергии по авт.св. 11 - 790143, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью улучшения удельных габаритных и энергетических показателей путем уменьшения мощности несимметрии трехфазного источника переменного тока, в него введен дополнительный конденсатор, включенный между третьей выходной фазной клеммой и первым выводом обмотки линейного дросселя.

1478305

Фиг.б

7 5

Фиг.9 б

Фиг. У

5 10

Фиг. 7

12

ФигМ

3 12

Фиг.д

2 Ч 8

Фиг. 10

14 78305

1478305 фиг. 16

4ЬГ f7

Составитель А.Горбачев

Редактор Н.Лазаренко Техред А.Кравчук Корр ек тор Л. Пилипенко

Заказ 2371/53 Тираж 885 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35 ° Раушская наб. ° д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина,101