Система питания импульсного накопителя энергии

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например,' при питании импульсной нагрузки. Цель изобретения - улучшение энергети: ческих показателей системы питания. Преобразователь 2 напряжения с трансформаторным выходом питается от источника 1 постоянного напряжения и обеспечивает заряд емкостного накопителя 3 через токоограничивающий дозирующий блок, выполненный на конденсаторе 6, тиристоре 7, токоограничивающем элементе 9, который может быть выполнен в виде резистора, или дросселя. Запуск системы питания осуществляется от блока 5управления, выполненного на ocHoiae компаратора, двоичного счетчика и источника опорного напряжения. 2 3. п. ф-лы, 5 ил. 1 _

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Н 03 К 3/53

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К. АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4690461/21; 4702753/21 (22) 05.05.89 (46) 30.01.92. Бюл. М 4 (72) В.В. Додотченко и А,Г. Николаев (53) 621.32.064 (0.88.8) (56) Кныш В.А. Полупроводниковые преобразователи .в системах заряда накопительных конденсаторов, Л,, 1981, с. 13, рис. 1.2.

Булатов О.Г. и др. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии. M., 1986, с. 45, рис. 3.3,д. (54) СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО

НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ (57) Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, наприИзобретение относится к импульсной технике и может быть использована, например, при питании импульсной нагрузки, Цель изобретения — улучшение удельных энергетических показателей системы.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема системы с токоограничивающим элементом в. виде резистора; на фиг. 2 - схема системы с токоограничивающим элементом в виде линейного дросселя; на фиг. 3 — эквивалентные схемы, поясняющие работу системы; -на фиг; 4 — вариант выполнения блока управления; на фиг. 5.— графические зависимости КПД заряда конденсатора через:резистор токоограничивающего элемента с примерно равный КПД заряда емкостного накопителя через кон денсатор и резистор AH ($3c = $3ll) идеального коэффициента испол ьзования источника и трансформатора преобразователя по мощности Киин при заряде накопиÄ,„ß2„„1709502 Al мер, при питании импульсной нагрузки.

Цель изобретения — улучшение энергетических показателей системы питания.

Преобразователь 2 напряжения с трансформаторным выходом питается от источника 1 постоянного напряжения и обеспечивает заряд емкостного накопителя 3 через токоограничивающий дозирующий блок, выполненный на конденсаторе 6, тиристоре 7, токоограничивающем элементе 9, который может быть выполнен в виде резистора или дросселя. Запуск системы питания осуществляется от блока 5 управления, выполненного на основе компаратора, двоичного счетчика и источника опорного напряжения, 2 з. и. ф-лы, 5 ил. теля через конденсатор и резистор, идеаль ного коэффициента использования источника и трансформатора преобразователя по мощности Ки с при заряде конденсатора через резистор и практического коэффициента использования источника и,трансформатора преобразователя по мощности

Кнп = (Киин +,Киис) зс/2 при заряде накопителя через систему от относительного времени-заряда или разряда конденсатора т „= t-,,/ 7;c = /ДЯгс) = 1/(2frc), где r = R +

В Р + R — сопротивление зарядной цепи, поясняющие выбор такого оптимального со- ° противления R резистора, при котором оптимальное относительное время t„ o=1,5 соответствует примерно максимуму Кип при приемлемой КПД п>с, а значит и минимуму установочной мощности источника и трансформатора преобразователя.

Система питания импульсного накопителя энергии по фиг. 1 и 2 содержит истач1709502

4, -tn»o ник 1 постоянного напряжения, например с напряжения U<> = Еи(1 - е ) =0,777Ев практически. неизменной ЭДС Е =const, при резисторе или Uc = Е (1+ е " "4 j» выход которого соединен с входом преобра- -"1,770Е при линейном дросселе и резователя 2 напряжения с трансформатор- альной обротности системы 0 = ным выходом, емкостной накопитель 3, 5 (+ Lpy)/С/(Rp+ Rap+ Rag) =б.где L— параллельно которому через управляемый индуктивность дросселя с активным сопрозамыкающий коммутатор и формирующую тивлением Кдд, L» — индуктивность рассеяиндуктивность или непосредственно под- . ния трансформатора преобразователя 2, ключена импульсная нагрузка 4, блок 5 уп- Rp — приведенное к выходу трансформатора равления, конденсатор 6, тиристор 7, диод 10 преобразователя 2 внутреннее сопротивле8. и токоограничивающий элемент 9 в виде ние источника 1, Rpp — среднее сопротивлерезистора или линейного дросселя. Первый ние диода 8 s проводящем направлении,, вывод токоаграничивающего элемента 9 . t = t) = 1,777 »„ выполнен на основе резистоРов 10 — 13, резисторе и Е„+ Uc = E (2+ e-n(- )® образующих два делителя напРяжения, в =2,77 > при дросселе и через емкостной двоичном счетчике 14, компараторе 15, ис- - накопитель 3 по цепи (фиг. 3 в и 3г), трансточнике 16 î"oPного напряжения, импУльс форматор преобразователя 2 — конденсатор

HîM трансформаторе. "7 диоде 18 35 6 — тиристор7 — накопитель3токоограничизапускающем тиристоре 19. вающий элемент 9 — трансформатор преобСистема питания работает следующим разователя 2 будет протекать ток, который образом. заряжает емкостной накопитель 3 порцией

Энергия источйика 1 постоянного на- энергии ц=„ пряжения, например с практически неиз- .40 Затем описанным путем в следующий менной ЭДС Е = const преобразуется.; период изменения напряжения у,ц транспреобразователем 2 напРяжения-инверто- форматора преобразователя 2 происходит

Ром, ыпо ненным, напРимеР, по одно- сначала заряд конденсатора 6 до макси-. фазной нулевой схеме на двУх тиРисторных мального напряжения U и затем заряд наключах, трансформаторе с двумя выводами 45 копителя 3 следующей порцией энергии и коммутиРУющем конДенсаторе, вэнергию hE„, и так далее циклически с частотой г переменного напряжения с напряжением изменения напряжения трансформатора или ЭДС прямоугольной формы величиной преобразователя 2 Если максимальное на0п или Еи При положительном полупериоде пряжение заряда накопителя 3 ограничить изменения выходного напряжения Uas 50 величиной цент = (Еи + Ц т)/2, то каждый трансформатора преобразователя 2 с ЭДС а ный- пе иод и и

- Еи и частОтОй f проиСходит зарЯд конден- периодов за время заряда емкостного накосатора 6 с емкостью С врез токоогра- пителя 3 3к накопитель 3 будет заряжаться ничивающий элемент 9 по цепи (фиг. 3 а и одинаковой порцией энергии g Е„, а от ис 3 б) трансформатор преобразователя 2 — 55 точника 1 и трансформатора преобразоватокоограничивающийэлемент9- диод8 — тепя 2 будет потребляться неизменная конденсатоР,G — тРансфоРматоР пРеобра- средняя мощность за каждый период измезователя 2 за вРемя половины полуперио- нения напряжения тра ф рматора да t П/(2IIт) - 1!(2т) до максимального - Л Ed/ yac B этом случае КПД заряда

1.709502 конденсатора 6 через резистор или линейн ы и дроссел ь 1р, и КПД заряда на к опител я через конденсатор 6 и резистор или дроссель 1 зн определяется соотношениями

-24())(0 я (4) дзс = 11зн .= 1/(1 — e ) (1 — е . ) 1 =, = 0,45 при резисторе или

10 з/зс =Цд)а = 11 1 +

+(Y40Î вЂ” 1(1 — а ) (1 — 1/(40 — 1}))/

/(.2 т(. 2 П f (1 + е ) 1 1 + 1 (4 0 — 1))1 = 0.890, 15 при дросселе и 0=6, где g<=(L+ Lpт)/(Rp+

R/)p + Rap) — постоянная времени зарядных контуров.

Идеал ьН ый коз ффи ци ент испол ьзова- . ния источника 1 и трансформатора преобразователя 2 по мощности, под которым понимается отношение.средней мощности источника 1 и трансформатора преобразователя 2Рср = Ртрф к и х максимальной установленной мощности P())=PTp 4 определяется.при заряде накопителя 3 через конденсатор 6 и элемент 9 - резистор: K)4(4)) = 2(1е n) o )2/(t<»(1 е 2(()»о )) при заряде накопителя 3 через ко))дансатор и и дроссель: К = 4 (1+е с )г/(я(1+ 1/(4()- З() — 1) 4() — 1(1 - е }). при заряде гп(яз*-1 конденсатора 6 через резистор Киис =

=(21с *m(4(1,-е п ) - Ic* ()4 (1 — е " .)/2)Й„», где 1с*() = 2 (1-е и" ) /(1--е .") ).»

«(2- е я» ))- идеальный максимальный отно- 35 сительный ток заряда конденсатОра 6 через резистор; при заряде конденсатооа 6 через дроссель K)« = (21 *„(1 +-å г) ) )—

+1 402 — 1)) где 1с и = 4(1 + e-ï1- 4 -() / 40

/((). — 1(1 Егя) ЧО - )(г Ь eл(44ак-1) идеальный максимальный относительный ток заряда конденсатора 6 через дроссель, . .Практический коэффициент использования источника 1 и трансформатора преоб- 45 разователя 2 по мощности при заряде накопителя 3 через систему заряда, под которым понимается отношение средней

/ зарядной мощности накопителя 3 P3(:p =

= СН0ена /(2тэк) = Епи/тзк к максимальной установленной мощности .источника

1 и трансформатора 2 преобразователя

Р()) = Ртр()), где Сн — емкость накойителя.3, — время его зар)1да .до максимального напряжения V(,)4((), Епи — энергия импульса питания нагрузки 4, определяется соотношением: Кип=(К(дин д„+ К,)„с д„)/2.

Рассчитанные по приведенным выражениям графические зависимости КПД эаряда конденсатора 6 через: резистор(элемент 9) и КПД заряда накопителя 3 через конденсатор 6 и резистор дзн идеальных коэффициентов использования источника 1 и трансформатора преобразователя 2 по мощности при заряде накопителя 3 через конденсатор 6 и резистор Кр(4)4 и при заряде конденсатора 6 через резистор К«, и практического коэффициента использования источника 1 по мощности при заряде через систему питания К» от относительного времени заряда,и разряда конденсатора 6 в течение длительности половины полупериОда изменения выходного напряжения трансформатора 1„= П/(2П1) = 1/2f; определяемого

-соотношением tr()(—.- t

=0,5. однако при увеличении относительного временй t„ от 0,5 до 1,5 К» уменьшается всего на 6% (до Кип = 0,346); а КПД заряда накопителя 3 через систему питания цзс =гр„= ц увеличивается на 14 g,. (от

0.398 до О, 450), что приводит к существенному уменьшению расхода топлива и окислителя для работы источника 1, кроме того при этом относительное напряжение заряда кондЕнсатора 6 U(:m/E)4 увеличивается примерно на 110/ (от, 0,3935 до 0,7769), что в

1,97 раза уменьшает при заданном напряжении заряда U(.))m ЗДС или напряжение U(4 на выходе трансформатора преобразователя 2 и минимум на 10% уменьшает массу и объем трансформатора. Поэтому по целому комплексу преимуществ ог(тимальное время заряда и разряда конденсатора 6

1 1

2 1гос 2 f с(f4+R +R()p) откуда получаем выражение для оптимального сопротивления резистора элемента 9 — Ro Bnp

3fc (2) используемое в отличительной части и, 2 формулы изобретения, где С вЂ” емкость конденсатора 6; f — частота изменения выходного, напряжения трансформатора преобразователя 2; Ro — приведенное к выходу трансформатора преобразователя 2 внутреннее сопротивление источника 1; R(рсреднее сопротивление диода 8 (или тиристора 7) в проводящем направлении, кото f709502 рое на 2-3 порядка меньше сопротивления Ro.

Максимальный КПД заряда конденсатора 6 через дроссель уэс и накопителя 2 через конденсатор 6 и, дроссель 5 у>< =q c,определяемый приведенным выражением, достигается при резонансном режиме заряда и разряда конденсатора 6, когда индуктивность системы

10 (3) L+ LpT с (2 П1) где Lp> — индуктивность рассеяния трансформатора и еоб азователя 2;

0 = (-+ рт)/С /(Rо+ дд+ Rï,p) — добротность системы при заряде конденсатора 6 через дроссель.

В системе с токоограничивающим элементом 9 в аиде резистора с оптимальным сопротивлением, определяемым выражени- 30 ем (2), такие удельные энергетические показатели; как удельная, энергия по массе и объему системы, улучшаются (увеличивак тся) по сравнению с базовой системой примерно в 1,4 и 1,3 раза путем уменьшения 35 максимальной установленной мощности источника 1 и трансформатора преобразователя 2 примерно в 2 раза за счет увеличения в 2 раза их практического коэффициента использования по.мощности.

В системе с.токоограничивающим эле- . ментом 9 в виде линейного дросселя с оптимальной индуктивностью, определяемой выражением (4), такие удельные энергетические показатели, как удельная энергия по 45 массе и объему системы, улучшаются (увеличиваются) по сравнению с базовой системой в 1,7 и 1,5 раза соответственно путем уменьшения установленной мощности источника

1 и трансформатора 2 примерно в 3,3 раза 50 за счет увеличения в 3,36 раза.их практического коэффициента использования по мощности.

Таким образом, снабжение системы питания импульсного накопителя энергии до- 55 полнительными блоком 5 управления, токоограничивающим элементом 9 в виде резистора или линейного дросселя с оптимальными сопротивлением R или индуктивоткуда находит используемое в ограничи- 15 тельной части и. 3 формулы изобретения выражение для определения оптимальной индуктивности L-линейного дросселя.9 ностыо L определяемыми выражениями (2) или (4) соответственно, и применение в качестве зарядного вентиля тиристора 7, обеспечивая неочевидность схемно-технического и параметрического решения задачи, в t,3-1,7 раза улучшает удельные энергетические показатели системы путем уменьшения в 2-3,3 раза установленной мощности источника 1 и трансформатора преобразователя 2 за счет увеличения в 23,36 раза практического коэффициента их использования по мощности, а в системе с токоограничивающим элементом в виде линейного дросселя в 1,72 раза увеличивает

КПД заряда емкостного накопителя 3 через однофазный преобразователь неизменной мощности, что примерно во столько же раэ уменьшает. массу топлива для работы энергетической установки с источником 1 посто" янного напряжения.

Блок управления согласно фиг, 4 работает следующим. образом, При первом положительном полупериоде.изменения напряжения преобразователя

2, пропорциональная часть напряжения которого снимается с резистора 11 (фиг, 4) делителя напряжения источника и подается на первичную обмотку импульсного трансформатора 17, с вторичной обмотки импульсного трансформатора. через диод 18 на один и другой входные выводы двоичного счетчика подается положительный импульс . напряжения, соответствующий переднему фронту положительного полупериода изменения напряжения преобразователя 2. Двоичный счетчик отсчитывает первый импульс.

При втором положительном полупериоде изменения напряжения источника двоичный счетчик отсчитывает второй положительный импульс и, насыщаясь, выдает на управляющий переход запираемого тиристора 19 постоянное отпирающее напряжение.и он открывается. Со вторичной обмотки импульсного трансформатора через запираемый тиристор на управляющий переход тиристора 7 в начале каждого слеДующего положительйого полупериода изменения напряжения преобразователя 2 подаются отпирающие импульсы напряжения и.он открывается и остается открцтым весь положительный полупериод втечение времени

t = т„= П/ви, где — круговая частота напряженйя преобразователя 2.

Формула изобретен ия

1. Система питания импульсного накопителя энергии, содержащая источник постоянного напряжения, выход которого . соединен с входом преобразователя напряжения с трансформаторным выходом, емко1709502

-10

1 фиа. 2 стной накопитель, параллельно котброму подключена импульсная нагрузка, о т л и ч:аю щ а я с я тем, что, с целью улучшеМия удельных энергетических показателей системы, в нее введены блок управления, конденсатор, тиристор, диод, токоограничивающий элемент, первый вывод которого соединен с.первым выводом блока управления, с первым выводом выхода.преобразователя .напряжения с трансформаторным выходом, второй вывод — с первым выводом импульсной нагрузки, с первым выводом емкостного накопителя, с вторым выводом блока управления, с анодом диода, катод . которого соединен с первым выводом конденсатора, анодом тиристора,катод которого соединен с вторым. выводом емкостного накопителя и с третьим выводом блока управления, второй вывод конденсатора соединен с вторым выводом выхода преоб-. разователя напряжения с трансформатор-. ным выходом, четвертым выводом блока управления, пятый вывод которого соединен с управляющим электродом тиристора.

2. Система по и. 1, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что в качестве токоограничивающего элемента применен -резистор, сопротивление R которого on редел яется выражением где f — частота изменения выходного напря

5 жения преобразователя напряжения с ,трансформаторным выходом:

С вЂ” емкость конденсатора;

R< — внутреннее сопротивление источника постоянного напряжения, приведен10 ное к выходу преобразователя напряжения с трансформаторным выходом;

Rnp — среднее сопротивление диода . ° проводя щем направлении.

3. Система по .и. 1, о т л и ч а е щ а я15 с я тем,-что в качестве токоограничивающего элемента применен линейный дроссель, индуктивность которого определяется выражением

20 1

40 « . С (2 П1) .

25 где рт — индуктивность рассеяния трансформатора преобразователя напряжения с трансформаторным выходом;

0 — добротность системы при заряде конденсатора через дроссел ь.

1709502 дрф жю иис

0f и 0

Ю 1 Z ó + д 5 Составитель А.Горбачев

Редактор Н.Горват Техред М.Моргентал

Корректор Л.бескид

Заказ 435 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Pgr P

+en

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