Устройство зарядки накопительного конденсатора

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для питания устройств с импульсным отбором мощности от питающей сети. Целью изобретения является уменьшение времени заряда накопительного конденсатора при неизменной установочной и мгновенной потребляемой мощности статического инвертора. Устройство зарядки накопительного конденсатора содержит статический инвертор 1, имеющий положительную, отрицательную и общую клеммы для соединения с источником питания, первый индуктивно-емкостной преобразователь (ИЕП) 2, первый трансформатор 3, первый и второй выпрямители 4, 5, накопительный конденсатор 6, второй и третий ИЕП 7, 8, второй, третий, четвертый трансформаторы 9-11, третий и четвертый выпрямители 12, 13, первый и второй диоды 14, 15. Введение второго и третьего ИЕП, четвертого трансформатора, включенного последовательно с входом второго ИЕП, а также разбиение всего зарядного цикла на отдельные участки позволяет достичь цель изобретения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 02 М 7 02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯИ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4318532/24-21 (22) 20.10.87 (46) 23.09.90. Бюп. 11 35 (71) Институт физики АН БССР (72) В.В.Попов .и В.И.Долгов (53) 621.373(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1336177, кл. Н 02 М 7/02, 1985.

Пацевнч В.Э. Особенности заряда накопительных конденсаторов большой емкости постоянной мощностью. - В сб.: .Вестник академии наук БССР, сер.

Физико-энергетических наук, вып.2, Минск, 1983, с.95, рис.2. (54) УСТРОЙСТВО ЗАРЯДКИ НАКОПИТЕЛЬНОГО КОНДЕНСАТОРА (57) Изобретение относится к .импульс- ной технике и может быть использовано для питания устройств с импульсным отбором мощности от питающей сети. Целью изобретения является уменьшение времени заряда накопитель„.,SU„„159466? А 1

2 но1о конденсатора при неизменной установочной и мгновенной потребляемой мощности статического инвертора.

Устройство зарядки накопительного конденсатора содержитстатический ин- . вертор I, имеющий положительную, отрицательную и общую клеммы для соединения с источником питания, первый индуктивно-емкостной преобразо-. ватель (ИЕП) 2, первый трансформатор 3, первый и второй выпрямители

4,5, накопительный конденсатор 6, второй и третий ИЕП 7 и 8, третий, четвертый трансформаторы 9-11, третий и четвертьп выпрямители 12 и 13, первый и второй диоды 14 и 15. Введение второго и третьего ИЕП, четвертого трансформатора, включенного последовательно с входом второго

ИЕП, а также разбиение всего зарядного цикла на отдельные участки позволяет достичь цель изобретения.

1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1594667

Изобретение относится к импульсной электротехнике и может быть использовано для питания устройств с импульсным отбором мощности от пита5 вшей сети.

Белью изобретения является уменьшение времени заряда накопительного конденсатора при неизменной установочной и мгновенной потребляемой мощностях инветора.

На Фиг. 1 представлена схема устройства зарядки накопительного конденсатора, на Фиг. 2 — временные изменения амплитуд входных токов индуктивно-емкостных преобразователей (ИЕП); на Фиг. 3 — временные диаграммы выхцпных токов каждого из ИЕП, на Фиг. 4 — временные диаграммы напряжения на накопительном конденсаторе и на выходах ИЕП.

На Фиг. 2 обозначены зависимости:

I — для третьего ИЕП, IT. — для второго ИГП, Ш вЂ” цля первого ИГП, .Т7— суммарного входного тока, равного вы- 25 ходному току статического инвертора.

На Фиг. 3 обозначены зависимости: третьего ИЕП (штрихпунктирной линией показано изменение выходнсгD то— ка третьего ИЕП в отсутствие второго и первого ИЕП), ТТ вЂ” второго ИЕП (штриховой линией показано изменение выходного тока второго ИЕП, если бы не было третьего и первого ИЕП), III— для второго ИЕП, IV — заряДного тока при заряде постоянной мощностью.

На Фиг. 4 обозначены зависимости:

I — на выходе третьего ИЕП, II — на выходе второго ИЕП, III — ня выходе . первого ИЕП, IV — напряжения на boy»-, 4g денсаторе при заряде предлагаемым устройством, U — при заряде постоян ной мощностью.

Устройство содержит статический инвертор 1, имеющий положительную, 45 отрицательную и общую клеммы pJIEI co единения с источником питания, выходом подключенный через первый ИЕП 2 к первичной обмотке. первого трансформатора 3, первый 4 и второй 5 выпрямители, накопительный конденсатор б, второй 7 и третий 8 ИЕП, второй— четвертый трансформаторы 9-11, третий 12 и четвертый 13 выпрямители, первый 14 и второй 15 диоды, при этом ИЕП 7 и четвертый трансформатор 11, соединенные последовательно, подключены к выходу статического инвертрра 1 и входу третьего ИЕП 8, к выходам второго и третьего ИЕП 7 и

8 подключены первичные обмотки соот. ветственно второго 9 и третьего 10 трансформаторов, вторичные обмотки трансформаторов 3,9 и 10 подключены соответственно к первому, второму и третьему выпрямителям, выходы которых, соединенные последовательно, подключены параллельно накопительному конденсатору 6, при этом параллельно выходам первого и второго выпрямителей включены первый 14 и второй 15 диоды, а вторичная обмотка четвертого трансформатора 11 через четвертый выпрямитель 13 подключена параллельно конденсатору б, ИЕП содержит два дросселя, включенные между входом и выходом и соединенные последовательно, а точка их соединения через конденсатор подключена к обшей клемме, при этом конденсатор первого 2и третьего 8 ИЕП образован двумя последовательно соединенными конденсаторами, включенными последовательно, а точки их соединения подключены к первому 16 и второму 17 блокам ограничения выходного напряжения ИЕП, содержащих развязывавший дроссель 18 и дополнительные диоды

19 и 20.

Устройство работает следующим об-, разом.

Статический инвертор 1 напряжения преобр а зует по стоя нное напряжение источника питания в переменное повышенной частоты. Первый ИЕП 2-выполнен по Т-образной схеме и обеспечивает подьем напряжения на накопительном конденсаторе б в конце зарядногого цикла до заданного уровня, который определен первым блоком 16 ограничения выходного напряжения. В этот момент ИЕП 2 потребляет практически весь ток, отдаваемый статическим инвертором 1. Блок ограничения выходного напряжения состоит из развязывающего дросселя 18, который через дополнительные диоды 19 и 20 подключен к положительной и отрицательной клеммам, причем диоды включены в обратном направлении, При работе ИЕПа направление на его конденсаторе увеличивается. Как только оно достигнет величины напряжения питания. (F.„), диоды 19 и 20 открываются и вся оставшаяся энергия передается в источник питания.

94667 6

10 торов, можно регулировать выходное напряжение ИЕПа. Очевидно, что суммарная емкость последовательно соединенных конденсаторов должна быть равной резонансной емкости ИЕПа. Выход РЕПа 2 через первый трансформатор 3 подключен к входу первого выпрямителя 4, например, выполненного по мостовой схеме. Параллельно выходу первого выпрямителя 4 подключен в обратном направлении первый диод

14. Диоды выпрямителя 4 должны быть высокочастотными, но могут быть слаботочными, так как в конце зарядного цикла зарядный ток в несколько раз меньше чем в начале. Для того, что- бы не применять мошных высокочастотных диодов в выпрямителе 4, и установлен мощный шунтируюший диод 14, который служит для обхода выпрямителя

4 зарядным током на начальном участке зарядного цикла. Так как он не участвует в процессе выпрямления высокочастотпого напряжения, поступающего с выхода ИЕЛа 2, он может быть низкочастотным. Применение этого диода улучшает массогабаритные показатели выпрямителя 4.

Второй ИЕП 7 выполнен по Т-образной схеме и через второй трансформатор 9 подключен к входу выпрямителя

5, выход которого шунтирован вторым диодом 15, подкгюченным в обратной полярности относительно выхода выпрямителя 5. Назначение шунтируюшего . диода 15 аналогично назначению шунтируюшего диода 14.

ИЕП 7 обеспечивает основной зарядный ток накопительного конденсатора 6 в средней части зарядного цикла. Дпя того, чтобы в средней части зарядного цикла от статического инвертора 1 потреблялась постоянная мошность (равная максимально допустимой), необходимо устройство, которое на этом промежутке цикла потребляло бы тбк, амплитуда которого изменялась бы со вре-.. менем заряда по колоколообразной кри15

25

50

5 15

Дпя получения напряжения на выходе ИЕПа выше Г„ необходимо блок ог раничепия. выходного напряжения подключить к части конденсатора, Например, если конденсатор ИЕПа составить из двух последовательно соединенных конденсаторов, дроссель 18 блока ограничения выходного напряжения подключить K их точке соединения, то меняя соотношение емкостей конденсввой. Такой характер изменения амплитуды потребляемого тока ИЕП 7 от инвертора 1 необходим потому, что в середине зарядного цикла ИЕП 8 уже перестает потреблять большую часть выходного тока инвертора 1, а ИЕП 2 еше не начал потреблять сколько-нибудь заметный ток. С целью формирования такой кривой изменения амплитуды потребляемого тока ИЕП 7 снабжен трансформатором 11, первичная обмотка которого включена последовательно с входом ИЕП 7, а вторичная через выпрямитель 13 подключена согласно-параллельно накопительному конденсатору 6 °

Третий ИЕП 8 выполнен по Т-образной схеме и обеспечивает заряд накопительного конденсатора б на начальном участке зарядного цикла. Выход

ИЕП 8 через трансформатор 10 подключен к входу выпрямителя -2. Данный

HEII 8 на начальном участке зарядного цикла потребляет практически весь выходной ток инвертора 1 ° Чтобы этот ток не превысил максимально допустимого для инвертора 1, HFII 8 снабжен блоком 17 ограничения выходного на-. пряжения, подключенным к конденсатору,ИЕП 8. Блок 17 ограничения выходного напряжения аналогичен блоку 16.

Весь зарядный цикл разбит на три участка ° На первом to — t, (фиг.2-4)

35 накопительный конденсатор 6 разряжен (к концу первого участка напряжение на нем увеличивается примерно до 0,15 своего максимального значения) и представляет собой практически короткое замыкание для зарядного тока. В этот момент ИЕП 2 и ? вырождаются в параллельные контуры, которые через дроссели подключены к,выходу инвертора 1. Обладая в таком состоянии большим входным сопротивлением, они практически потребляют очень малый ток (в идеальном случае потребляемый. ток равен нулю) . На этом участке основной выходной ток инвертора 1 потребляет ИЕП 8. Для получения хороших энергетических показателей дроссели ИЕПов необходимо делать как можно более высокодобротными.

Для того, чтобы входной ток ИЕП 8 не превысил допустимого тока инвертора 1, ИЕП 8 снабжен блоком 17.orраничения выходного напряжения, который, ограничивая напряжение на конденсаторе ИЕП, не позволяет увеличить1594667 ся входному току ИЕП 8 больше, чем предельно допустимой выходной ток инвертора 1, т.е. блок 17 ограничения выходного напряжения работает как блок 8 ограничения выходного гока

ИЕП. Таким образом,на участке зарядного цикла to — t< зарядный ток поступает в основном от ИЕП 8. Начальное значение этого тока определяется

10 отношением емкостей конденсаторов, из которых составлен конденсатор ИЕП

8 (этб отношение определяет величину напряжения на параллельном контуре) и добротностью параллельного контура. Шунтирующие диоды 14 и 15 на этом участке открыты, так как выходной ток HETI 8 больше выходных токов ИЕП 2 и 7, выходное напряжение на выходах ИЕП остается низким и по20 этому по входу эти ИЕПы готребляют малый (в идеале — нулевой) ток (Фиг. 2,„ кривая II III) ° Выходной ток ИЕП 2 в течение всего зарядного цикла (to- t,,) постоянен и равен своему номинальному g5 значению. Выходной ток HETIa 3 на участке времени t< — t, спадает. Но так как выходы этих ИЕПон закорочены, полезной мощности они в нагрузку не передают, По мере заряда конденсато- О ра 6 напряжение на нем повышается (Фиг. 4, кривая IV}, и его эквивалентНое сопротивление постоянному току увеличивается, т.е. накопительный конденсатор 6 перестает быть коротким замыканием. Это приводит к расстойке

ИЕП 8 и уменьшению, по мере заряда накопительного конденсатора 6, входного и выходного токов (Фиг.2 и 3, кривая I) причем спад выходного тока ИЕП 8 происходит быстрее, чем спад выходного тока ИЕП 7 и в момент времени t = t, выходной ток

ИЕН 7 становится равным выходному току ИЕП 8, шунтируюший диод 15 закрывается и начиная с этого момента заряд накопительного конденсатора

13 производится током ИЕП (Фиг.2 и 3, точка t = t,),. К моменту времени и

ИЕП 8 выходит иэ режима ограничения входного тока, так как последовательный контур ИЕП 8 расстраивается, и

его сопротивление увеличивается„ что приводит к уменьшению величины потребляемого тока, но начинает пот55 реблять ток ИЕП 7, причем таким образом, что суммарный потребляемый ток остается примерно пс стоянным и равным максимально допустимому выходному току инвертора 1 (Фиг.2, кривые II I) Последовательно с вхоцной цепью ИЕП 7 включена первичная обмотка трансформатора 11, напряжение которой приложено встречно выходному напряжению инвертора 1, а величина этого напряжения зависит от напряжения на накопительном конденсаторе 6. Если коэффициент трансформации трансформатора 11 равен 1, то напряжение на его первичной обмотке

I равно напряжению на накопительном конденсаторе 6, приведенному к вторичной обмотке этого трансФорматора.

Tlo мере роста напряжения на накопительном конденсаторе 6 увеличивается и напряжение на первичной обмотке трансформатора 11 и напряжение, приложенное к входу ИЕП 7 уменьшается, что приводит к снижению выходного тока (фиг.3, кривая II). Входной ток

ИЕП 7 зависит от двух процессов, происходящих во входной цепи по мере заряда накопительного конденсатора: первшй — это увеличение напряжения на первичной обмотке трансфор" матора 11 и второй — это превращение ИЕП 7 в последовательный резонансный контур. Первый процесс приводит к уменьшению входного тока, так как уменьшается входное напряжение ИЕП, второй приводит к увеличению входного тока, так как входное сопротивление ИЕП 7 уменьшается по мере приближения структуры входной цепи к последовательному резонансному контуру. Первый процесс-преоб- ладает в начальный период работы

ИЕП 7, а второй — в .конечный и, таким образом, входной ток ИЕП 7 имеет максимум, местоположение которого на временной оси меняется при изменении коэффициента трансФормации трансфор.матора 11. Например, при коэффициенте трансформации п = 1 максимум вхрднаго тока ИЕП 7 при напряжении на накопительном конденсаторе 6 равен 0,65-0,7 максимального значения (фиг.2 и 4), Затем входной ток плавно уменьшается, но начиная с момента времени = t выходной ток ИЕП 7 становится меньше выходного тока

ИЕП 2 и шунтирующий диод 15 опять открывается. Это приводит к закорачиванию выхода ИЕП 7, его выходное напряжение уменьшается до нуля (в идеальном случае) и входной ток также резко уменьшается, в идеальном слу67 I0 тически равным нулю и ИЕП 7 перестает передавать мощность в нагрузку. Выходной ток ИЕП 7 и далее плавно спадает и достигает нуля к концу зарядного цикла, так как напряжение на его входе плавно уменьшается и становится равным нулю к концу зарядного .цикла.

Начиная с момента времени t tz заряд накопительного. конденсатора 6 продолжает ИЕП 2. За отрезок времени напряжение на его выходе и потребляемый ток резко увеличиваются, что обусловлено резким возрастанием выходного сопротивления ИЕП 7, работающего в условиях, когда он не может отдать достаточный ток в нагрузку. Этот процесс приводит к отпиранию шунтирующего диода 15 в момент времени t = t и далее ИЕП 2 постоян9 ным током заряжает накопительный конденсатор 6 до заданного напряжения, которое определено блоком 16 ограничения выходного напряжения. Входной ток ИЕП 2 начиная с момента

t линейно нарастает и становится максимальным к концу зарядного цикла.

Причем начальное и конечное его значения подобраны таким образом, чтобы суммарный ток ИЕП 2 и 8 не превысил предельноо допустимый ток инв ер тор а 1 (фиг.2).

Выходной ток ИЕП 8 становится минимальным, так как входная цепь превращается в расстроенный последовательный контур, причем новая резонансная частота такого контура в v2 раэ меньше частоты преобразования статического инвертора 1. Выходное напряжение на выходе ИЕП 8 на интервале

t — t медпенно увеличивается по мере уменьшения зарядного тока (фиг.4, кривая I). Увеличение выходного напряжения ИЕП 8 связано с ростом эквивалентного сопротивления, т.е. с зарядом конденсатора 6, а более мед" ленное по сравнению с обычным ИЕП его нарастание обусловлено процессом расстройки входного контура ИЕП 8 относительно частоты преобразования инвертора.

Выходное напряжение ИЕП 7 (фиг.4, кривая II) на интервале времени равно нулю, так как открыт шунтирущций диод 15. На интервале времени t — t < нарастание напряжения на выходе ИЕП 7 происходит таким образом, что сумма выходных напряже9 . 15946 чае до нуля (фиг. 2 и 4) . Скорость изменения входного тока и выходного напряжения ИЕП 7 обусловлена скоростью нарастания входного тока и выходного

5 напряжения ИЕП 2, работающего в режиме холостого хода. Длительность этого процесса составляет меньше полупериода рабочей частоты инвертора 1. Начиная с момента времени t

ИЕП 7 опять практически ничего не потребляет от инвертора 1 . Величина входного тока и скорость его изменения на участке t,-t (фиг.2, кривая II}, подбирается изменением параметров элементов ИЕП 7. .Выходной ток HFII 7 на интервале времени — t, уменьшается, так как увеличивается напряжение на первичной обмотке трансформатора 11. Этот ток течет под очень малым (в идельном случае нулевым) напряжением, так как выход ИЕП 7 эакорочен шунтирующим диодом 1 Ъ. На интервале

ИЕП 7 мощность в нагрузку не переда-, 25 ется, но и практически ничего не потребляет. В момент времени t =

1 шунтирующий диод 15 закрывается, выходное напряжение ИЕП 7 (фиг.4, кривая Х?) увеличивается и накопитель- 30 ный конденсатор 6 заряжается выходным током ИЕП 7 (фиг.З, кривая II).

Далее выходной ток уменьшается пропорционально уменьшению входного напряжения, которое равно разности постоянного выходного напряжения инвертора 1 и увеличивающегося напряжения накопительного конденсатора 6, приведенного.к первичной обмотке трансФорматора 11. Такая зависимость 40 уменьшения выходного тока ИЕП соответствует заряду постоянной мошностью, т.е. на некотором участке кривая зарядного тока точно совпадает с кривой заряда постоянной мощностью 45 ,(Фиг.2 и 3, до t = t ). причем в накопительный конденсатор 6 передается вся (с учетом КПД ИЕП) выходная мощность инвертора 1. В момент времени, напряжение на накопительном 50 конденсаторе становится равным 0,75 максимального и выходной ток ИЕП 7 начинает уменьшаться быстрее, чем спадает ток при заряде постоянной мощностью. В момент времени t - .t z 55 он сравнивается с выходным током ИЕП

2, диод )4 закрывается, а диод 15 открывается и закорачивает выход ИЕП 7, Выходное напряжение становится прак1504667, 12 ф 0 р и у и а и 3 О б J I ..— - r I.I и я 1

1 .. Строи Ство зяояд;и; lialrollH - -f".

НОГO КОНДЕБСЯТОРЯ. СОДЕРжащ" r та и ческий инвертор, имеющий Ilo.-.loæFITåë::.— ную, отрицательную и 0(1ftri. клем.".ы

ДЛЯ СОЕД ЧЕНИЧ O -1("7 0 - -l О "" =-Н". 1

ВЫХОДОМ ПОДКПЮ-IЕННЫй ЧЕ- f .: ." . i if i:1 ТИЗ

Но eME0cTHbIIl преобразОВ«lт . пь к lfr p ви -ной обмотке первого трансФОрматоРа, ПЕРВЫЙ И ВтОРОй ЗЫПР Ibrf: ТЕДИ, НЯкопительный конденсатор., о :. и и ч а ю щ е е с я тем, что, с цепью уменьшения времени зарядя накопительного конденсатора IlpH неизменной установочной и м7новенной потребпяемой мощностях статическбго пчвертора, 3 устройетво введены второй и третий индуктивно-емкостные преобразоп.-:.-;-епи, 5 J нн . :il...! 7 и 8 изменяетсл по закону постоянной мощпости. Такое и.-::1енение выхоцнaro напряжения обуславливает обрятнал связь через трясФорматор 11.

Иа интервале времени t < — t > выходное напряжение ИЕП 7 резко уменьшается практически до нуля (до напряжения, равного падению напряжения на открытом диоде) и остается таким до окончания зарядногo цикла, TBE как щунтирующий диод 15 на интервале

t ff oTKpbl7 выхоДным током ИЕП 2 .

Выходное напряжение ИЕП 2 (Фиг.4, зависимость lf1.1 на ин ервале време-15 чи Т -. t. гра.:.стически равно нулю, так как открыт диод 1ч, с момента до 1: резко нарастает до напряже9

НИЯ, РаВНОГO HBI!PFI;;"IÅFIFIÂ На КОНДЕНСЯторе 6 в момент времени t.. затем линейно увеличивается до величины, заданной блoEobi 16 oI pHHHченил ного напрях",енил, т.е. перекл..чение зарядного тока на промежутке реilr="

HH tg — Г. никак не отражаетсл :..а из-- 25

NeHeHFIII няпряжения ня н f Kollитель ном конденсаторе 6, Как видно иэ ".ЯвиСИМОСти IV На ФИГ. 4, тГ ЕДПЯгар;.ОР устройство осуществляв: зар и па:со:тиТЕЛЬНОГО EÎНДО -IC.ßÒOPЯ i

2 ° Устройство IIO и. 1, о т.л и ч я ю щ е е с я тем, что индуктивно емкостные преобразователи содержат первыЙ и второй дроссели„ соединенные последовательно и конденсатор, подключенный к точке их соединения, при этом последовательно соединенные первый дроссель и конденсатор и второй дроссель и конденсатор подключены соответственно параллельно входу и выходу индуктивно-емкостных преобразователей„ конденсатор первого и третьег0 индуктивно-емкостных прBoбразователей образаван двумя поСледоБательно соединенными конденсаторами включепнь.ми последовательно, точка и:: соединения через развязывающий дроссель соединена с точкой соединения первого и второго дополнительного диодов, включенных последовательно и в обватной полярности между положитеш ной и отрицательной клемма! л .

1594667

Составитель А. Гетров

Техред М,Дидык Корректор С.Шевкун

Редактор Y..Ëàý àðåíêo

3 акаэ 2837 Тираж 498 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Проиэводственно-иэдательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, !01