Система питания импульсной нагрузки

 

Использование: в системах питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя энергии. Сущность изобретения: система питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя энергии заряжается в режиме неизменной потребляемой от источника средней за каждый полупериод изменения трансформатора инвертора мощности от источника постоянного напряжения (ИПН) через однофазный или двухфазный преобразователь неизменной мощности, каждая фаза которого состоит из инвертора и токоограничивающе-дозирующего блока (ТДБ), за много периодов изменения выходного напряжения трансформаторов инверторов. Отличием изобретения является введение ТДБ системы дополнительного второго диодного вентиля, вторичной обмотки трансформатора инвертора, расположенного оптимально в соответствии с приведенным в формуле изобретения выражением для определения отвода от части W_o ее витков и новыми связями между ее элементами, а системы (в п. 2 формулы изобретения) - вторым инвертором и вторым ТДБ, обеспечивающим неочевидность схемо-технического и параметрического решения задачи, существенно улучшающим удельные энергические показатели системы путем уменьшения в 1,49 или 2,1 раз установленной мощности ИПН и трансформаторов инверторов за счет увелечения в 1,49 или 2,1 раз коэффициента их использования по мощности, что позволяет улучшить удельные энергические показатели системы путем уменьшения установленной мощности источника постоянного напряжения и трансформатора инвертора за счет увеличения коэффициента их использования по мощности. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и касается систем питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя энергии, заряжаемого в режиме неизменной потребляемой от источника средней за каждый полупериод изменения выходного напряжения трансформатора инвертора мощности от источника постоянного напряжения через однофазный или двухфазный преобразователь неизменной мощности, каждая фаза которого состоит из инвертора и токоограничивающе-дозирующего блока, за много периодов изменения выходного напряжения трансформаторов инверторов.

Цель изобретения улучшение удельных энергетических показателей системы путем уменьшения установленной мощности источника постоянного напряжения и трансформатора инвертора за счет увеличения коэффициента использования их по мощности.

На фиг.1 приведена схема системы питания импульсной нагрузки согласно п. 1 формулы изобретения; на фиг.2 схема системы согласно п.2 формулы изобретения; на фиг.3 эпюры токов i_о и i_* на выходе источника 1 постоянного напряжения или на входе инверторов 2 и 2' ОПНМ (i_o) и ДПНМ (i_Д) предлагаемых систем, а также тока i_о с индексом ПР на входе инвертора 2 ОПНМ прототипа, поясняющие преимущества систем по п.1 и 2 формулы изобретения над базовой системой прототипа и преимущества системы по п.2 формулы изобретения над системой по п. 1 формулы изобретения; на фиг.4 графические зависимости среднего КПД η_з.ср.предложенных и базовой систем, идеального коэффициента использования источника 1 постоянного напряжения и трансформаторов инверторов 2 и 2' ОПНМ и ЖПНМ по мощности К_ипо для системы по п.1 формулы изобретения с ОПНМ, К_пнД для системы по п. 2 формулы изобретения с ДПНМ и К_пнпр для базовой системы-прототипа с ОПНМ, практического коэффициента использования источника 1 постоянного напряжения и трансформаторов инверторов 2 и 2' ОПНМ и ДПНМ по мощности К_ипо К_иио˙η_з.ср. для системы с ОПНМ по п.1 формулы изобретения и, К_ипД К_ииД˙η_з.ср.- для системы с ДПНМ по п.2 формулы изобретения и К_иппр К_иипр˙η_з.ср. для базовой системы-прототипа с ОПНМ от средней добротности Q_ср этих систем, доказывающие преимущества систем по п.1 и 2 формулы изобретения над базовой системой-прототипом и преимущества системы по п.2 формулы изобретения над системой по п.1 формулы изобретения.

Система питания импульсной нагрузки по фиг.1 (см.п.1 формулы изобретения) содержит источник 1 постоянного напряжения, выход которого соединен с входом инвертора 2 с трансформаторным выходом, образованным двумя выводами вторичной обмоткой трансформатора с отводом 0 от части ее витков, емкостный накопитель 3, параллельно которому через управляемый ключ 4 подключена импульсная нагрузка 5, токоограничивающе-дозирующий блок 6, включающий в себя конденсатор 7, диодный вентиль 8, анод которого связан с первым выводом 9 емкостного накопителя 3, тиристорный вентиль 10, линейный дроссель 11, включенный между анодом диодного вентиля 8 и первым выводом 12 трансформатора инвертора 2 и дополнительный второй диодный вентиль 16, катод которого подключен ко второму выводу 15 трансформатора инвертора 2, а анод к первому выводу конденсатора 7 и к катоду тиристорного вентиля 10, блок 13 управления системой с четырьмя входами и семью выходами. Отвод О от части витков вторичной обмотки трансформатора инвертора 2 соединен с анодом тиристорного вентиля 10. Второй вывод конденсатора 7 соединен со вторым выводом 14 емкостного накопителя 3, первый вывод 9 которого подключен к аноду диодного вентиля 8. Первый и второй входы блока 13 управления системой связаны с первым (9) и вторым (14) выводами соответственно емкостного накопителя 3, а третий и четвертый его входы с положительным и отрицательным выводами источника 1 постоянного напряжения. Первый и второй выходы блока 13 управления системой связаны с управляющими электродами тиристорных ключей К1 и К2 инвертора 2, катоды которых подключены к третьему выходу блока 13 управления системой, четвертый и пятый его выходы с управляющим электродом и катодом управляемого ключа 4, а шестой и седьмой выходы с управляющим электродом и катодом тиристорного вентиля 10. При этом индуктивность L линейного дросселя 11 определяется соотношением: L=1 /c(2πf)-L_рт, (1) где C емкость конденсатора 7; f частота изменения выходного напряжения трансформатора инвертора 2; L_рт индуктивность рассеяния трансформатора инвертора 2; Q= /(R_o+R+2R_вп) добротность системы при заряде конденсатора 7 через линейный дроссель 11; R_о приведенное к выводам 12 и 15 трансформатора инвертора 2 внутреннее сопротивление источника 1 постоянного напряжения и инвертора 2; R активное сопротивление линейного дросселя 11; R_вп среднее сопротивление диодного вентиля 8 или 16 в проводящем направлении, а отвод О от части витков вторичной обмотки трансформатора инвертора 2 выбран таким оптимальным образом, чтобы отношение части витков W_овторичной обмотки, заключенных между первым выводом 12 трансформатора инвертора 2 и отводом О, ко всем виткам W вторичной обмотки определялось выражением: + . (2) Система питания импульсной нагрузки по фиг.2 (см.п.2 формулы изобретения) выполнена по пункту 1 формулы изобретения и дополнительно снабжена точно такими же как и в п.1 вторым инвертором 2' и вторым токоограничивающе-дозирующим блоком 6', а блок 13 управления системой еще пятью выводами. Входы второго инвертора 2' связаны с выходами источника 1 постоянного напряжения. Анод и катод диодного вентиля 8' второго токоограничивающе-дозирующего блока 6' соединены с первым 9 и во вторым 14 соответственно выводами емкостного накопителя 3. Восьмой и девятый выходы блока 13 управления системой связаны с управляющими электродами тиристорных ключей К1' и К2' второго инвертора 2', десятый выход с катодами этих тиристорных ключей второго инвертора 2', одиннадцатый и двенадцатый выходы с управляющим электродом и катодом тиристорного вентиля 10' второго токоограничивающе-дозирующего блока 6', а подаваемые с блока 13 управления системой импульсы управления на тиристорные ключи К1' и K2' второго инвертора 2' и тиристорный вентиль 10' второго токоограничивающе-дозирующего блока 6' сдвинуты во времени относительно импульсов управления, подаваемых на тиристорные ключи К1 и К2 инвертора 2 и тиристорный вентиль 10 токоограничивающе-дозирующего блока 6, на электрический угол π/2.

Работа предлагаемой системы по фиг.1. Энергия источника 1 постоянного напряжения, например, с практически неизменными напряжением (U≈сonst) или ЭДС (E≈const), преобразуется инвертором 2, выполненным, например, по однофазной нулевой схеме на двух тиристорных ключах К1 и К2, трансформаторе и коммутирующим токи намагничивания трансформатора конденсаторе С_к в энергию переменного напряжения с напряжением U_н или ЭДС Е_н прямоугольной формы между выводами 12 и 15 трансформатора инвертора 2 и с меньшим напряжением U_но или ЭДС Е_но прямоугольной формы между первым выводом 12 трансформатора и отводом О от части витков W_оего вторичной обмотки.

При положительном полупериоде изменения выходного напряжения U_итрансформатора инвертора 2, когда потенциал вывода 12 выше потенциала вывода 15, происходит заряд конденсатора 7 в оптимальном по максимуму КПД резонансном режиме, получающемся при выполнении соотношения (1), через линейный дроссель (ЛД) 11 по цепи: трансформатор вывод 12 ЛД 11 диодный вентиль 8 конденсатор 7 диодный вентиль 16 вывод 15 трансформатор током
i_c= U_пe (sinω_нt)/(ω_нL_c) до максимального напряжения в конце положительного полупериода (при времени t=t_π=π/ω_н)
U_cm i_cdt=U1+e где ω_н 2 πf_н круговая частота изменения выходного напряжения трансформатора инвертора 2 с частотой f_н,
L_с L + L_рт индуктивность системы,
Q=/r добротность системы при заряде конденсатора 7 с емкостью С через линейный дроссель 11 с индуктивностью L;
r R_o + R + 2R_вп активное сопротивление системы.

При отрицательном полупериоде изменения выходного напряжения U_нотрансформатора инвертора 2 (когда потенциал отвода О выше потенциала вывода 12) блок 13 управления системой открывает тиристорный вентиль 10, часть витков W_о вторичной обмотки трансформатора соединяется последовательно-согласно с конденсатором 7 и от них к выводам 14 и 9 емкостного накопителя (ЕН) 3 с емкостью С_н >> С прикладывается максимальное суммарное напряжение
U_но+U_сm=UU_но/U_н+1+e под действием которого через конденсатор 7, ЕН 3 и ЛД 11 будет протекать ток заряда емкостного накопителя 3
i_н= UU_нo/U_н+1+ee (sinω_нt)/(ω_нL_c) где Q_н=r_н добротность системы при заряде EН 3 через конденсатор 7 и ЛД 11,
r_н R_o(U_но/U_н)² + R + R_тп активное сопротивление системы при заряде ЕН 3,
R_тп среднее сопротивление тиристорного вентиля 10 в проводящем направлении.

В конце отрицательного полупериода ток i_н заряда ЕН 3 приближается к нулю, и тиристорный вентиль 10 естественным образом закрывается (самопогасает). И так далее циклически в течении каждого положительного и отрицательного полупериодов изменения выходных напряжений U_н и U_нотрансформатора инвертора, пока емкостной накопитель 3 не зарядится до заданного максимального напряжения U_енm, которое для заряда ЕН 3 в режиме неизменной потребляемой от источника 1 средней за период или полупериод изменения выходных напряжений трансформатора инвертора 2 мощности должно быть ограничено выражением:
U_ЕНm=UU_но/U_н+1+e/2
КПД заряда конденсатора 7 через ЛД 11 η_зс и КПД заряда ЕН 5 через конденсатор 7 и ЛД 11 η_зн определяется соотношениями:
η_зс (3) и
η_зн (4) где ΔE_сп=ri²_cdt потери энергии в системе при заряде конденсатора 7 через ЛД 11,
Δ E_c= c U_cm²/2- полезная энергия заряда конденсатора 11 до его максимального напряжения U_cm,
τ_L L_c/r постоянная времени системы при заряде конденсатора 7 через ЛД 11;
ΔE_нп=ri²_нdt потери энергии в системе при заряде ЕН 3 через конденсатор 7 и ЛД 11;
ΔЕ_н С_н U_ЕНm²/(2f_нt_зк) полезная энергия заряда емкостного накопителя 3 за каждый период изменения выходного напряжения трансформатора инвертора 2;
t_зк время заряда ЕН 3 до максимального напряжения U_ЕНm;
t_*зк t_зк/τ_Lн относительное время заряда ЕН 3, нормированное по постоянной времени τ_Lп L_с/r_н;
τ_Lc² L_c C_н квадрат характеристического времени системы с индуктивностью L_с при заряде ЕН 3 с емкостью С_н черед ЛД 11.

При заряде емкостного накопителя 3 до заданного максимального напряжения U_ЕНm блок 13 управления системой открывает управляемый тиристорный ключ 4, и происходит разряд ЕН 3 на сопротивление импульсной нагрузки 5. По окончанрии разряда емкостного накопителя 3 следует описанный выше цикл его заряда до максимального напряжения U_ЕНmв течении n_и f_и t_зк периодов изменения выходных напряжений трансформатора инвертора 2 и затем снова разряд ЕН 3 на импульсную нагрузку 5. И так далее циклически с частотой f_пи≈1/t_зк следования импульсов питания нагрузки 5.

Выведены выражения для опредедения идеальных коэффициентов использования источника 1 практически неизменного напряжения U≈const и трансформатора инвертора 2 по мощности при заряде конденсатора 7 через ЛД 11 К_иис Р_сср/Р_m и заряде ЕН 3 через конденсатор 7 и ЛД 11 К_иин Р_нср/Р_m, под которыми понимается отношение средней мощности источника при заряде конденсатора 7 через ЛД 11 Р_сср или при заряде ЕН 3 через конденсатор 7 и ЛД 11 Р_нср к максимальной мощности Р_m источника:
K_иис i_*сdt , (5) где i_*с=i_c/I_ин= I_*сmиe sinω_нt относительный ток заряда конденсатора 7 через ЛД 11, нормированный по номинальному выходному току I_ин трансформатора инвертора 2,
I_*сmи=U_и/(ω_нL_cI_ин)=e/sinα_o идеальный максимальный относительный выходной ток трансформатора инвертора 2 при заряде конденсатора 7 через ЛД 11;
α_o= arcsin оптимальный угол достижения максимального относительного тока заряда конденсатора 7;
K_иин i_*нdt , (6) где i_*н=i_и/I_ин= I_*иmиe относительный ток заряда ЕН 3 через конденсатор 7 и ЛД 11, нормированный по номинальному выходному току I_ин трансформатора инвертора 2;
I_*нmи= UU_ио/U_и+1+e/(ω_нL_cI_ин) идеальный максимальный относительный ток заряда ЕН 3 через конденсатор 7 и ЛД 11, соответствующий максимальному оптимальному току заряда ЕН 3 через конденсатор 7 и ЛД 11
I_*нm= I_*нmиe sinα_o где α_o=arcsin оптимальный электрический угол его достижения.

Для устранения основного недостатка прототипа, в котором идеальный коэффициент использования источника 1 и трансформатора инвертора 2 по мощности при заряде конденсатора 7 через ЛД 11 не превышает величины K_ииспр 0,218, а при заряде ЕН 3 через конденсатор 7 и ЛД 11 не превышает максимально возможной величины K_ииипр 0,6366, что почти в три раза превышает K_ииспр, необходимо в предлагаемых системах обеспечить примерное равенство выражений (5) и (6), когда K_иис ≈К_иин.

Для реальной добротности системы при заряде конденсатора 7 через ЛД 11 Q ≥ 50, а при заряде ЕН 3 через конденсатор 7 и ЛД 11 Q_н ≥ 100 примерное равенство выражений (5) и (6) при раскрытии входящих в него относительных токов I_*сти и I_*нти обеспечивается при условии
U_ио/U_и+1+eU_ио/U_и≈1, (7) откуда получаем формулу (2) для определения требуемого отношения выходных напряжений U_ио/U_и W_о/W трансформатора инвертора 2, равное отношению части числа витков W_о вторичной обмотки трансформатора между его выводом 12 и отводом О к числу витков W во всей вторичной обмотке
≈ + . (8)
При этом оптимальном для предлагаемых систем условии и реальных добротностях систем Q ≥ 50 и Q_и≥ 100 для системы по фиг.1 (см. п.1 формулы изобретения) получим
U_ио/U_и W_о/W≈0,414 и
K_иин≈ K_иис=eπ^/(4Q)[1+e^-π^/(2Q)]/π≈0,6366, (9) а средний максимальный идеальный коэффициент использования источника 1 и трансформатора инвертора 2 по мощности
K_ииm (K_иин + К_иис)/2≈0,6366.

Для сравнения средний идеальный коэффициент использования источника 1 и трансформатора инвертора 2 по мощности для прототипа К_иипр ≈(К_ииспр+ К_иинпр)/2 (0,219 + 0,6366)/2≈0,427, что в 1,49 раз меньше, чем для предлагаемой системы по фиг.1.

Отличие работы системы по фиг.2 с двухфазным преобразователем неизменной мощности (ДПНМ) в том, что импульсы управления блока 13 управления системой, поступающие на тиристорые ключи К1' и K2' второго инвертора 2' и тиристорный вентиль 10' второго токоограничивающе-дозирующего блока 6' сдвинуты во времени относительно импульсов управления, поступающих на тиристорные ключи К1 и К2 инвертора и тиристорный вентиль 10 токоограничивающе-дозирующего блока в ДПНМ на элекрический угол π/2 и относительный ток источника 1 постоянного напряжения на входе в инверторы 2 и 2' ДПНМ при выполнении соотношений (7) и (8). которые справедливы и для ДПНМ системы по фиг.2, определяется выражением:
i_*= i/I_н= I_*срmиe(sinω_нt+cosω_нt) где I_*фmи I_фmи/I_н идеальный максимальный относительнвый ток на входе в инвертор 2 или 2'ДПНМ, нормированный по номинальному току источника 1 I_н= 2Р_н/( πU);
Р_н номинальная мощность источника 1 постоянного напряжения;
Q_ср ≈(Q + Q_н)/2;
Относительная мощность источника 1
p_*= i_* U_*=i_*˙1=i_*, где U_*= U/U_н≈1 относительное напряжение источника 1 с практически неизменным напряжением (U≈const), нормированное по его номинальному напряжению U_н≈U.

При таком относительном токе i_* на входе в ДПНМ и Q_ср ≥ 75 максимальный идеальный коэффициент использования источника 1 постоянного напряжения и двух трансформаторов инверторов 2 и 2' ДПНМ по мощности определяется выражением
K_ииm P_*dt i_*dt≈
≈ 0,900 (10) где I_*срmиоeπ^/(4Qср⁾/ eπ^/(4Qср⁾/ оптимальный идеальный максимальный относительный ток на входе в инвертор 2 или 2' ДПНМ при оптимальном относительном токе на входе в инвертор 2 или 2' ДПНМ
I_*фmо I_фmo/I_н 1/ , нормированном по номинальному току I_нисточника 1.

Как видно из выражения (10), минимальный идеальный коэффициент использования источника 1 постоянного напряжения и трансформаторов инверторов 2 и 2' ДПНМ в предложенной системе по фиг.2 в 2,1 раз больше чем в прототипе и в 1,41 раз больше, чем в предложенной системе по фиг.1.

КПД заряда конденсатора 7 через ЛД 11 η_зс и КПД заряда емкостного накопителя 3 через конденсатор 7 и ЛД 11 η_зи в системе по фиг.2 определяются выражением (3) и (4) соответственно.

Практический коэффициент использования источика 1 постоянного напряжеия и трансформатора инвертора 2 в системе по фиг.1 или двух трансформаторов инверторов 2 и 2' в системе по фиг.2 по мощности K_ип, под которым понимается отношение средней зарядной мощности
P_зср С_нU_Енm²/(2t_зк) ≈Е_пи/t_зк емкостного накопителя 3 к максимальной мощности Р_m источника, определяется выражением:
K_ип (K_иисη_зс+K_иинη_зи)/2≈K_ииm(η_зс+η_зи)/2=K_ииmη_зср
(11) где η_зср (η_зс + η_зи)/2 средний КПД системы.

Графическая зависимость среднего КПД η_зср для предлагаемых систем и прототипа, от средней добротности Q_ср (Q+Q_н)/2 систем, рассчитанная по выражениям (3) и (4) для частоты изменения выходных напряжений трансформатора инвертора 2 или 2' f_и=1000 Гц, максимального напряжения заряда емкостного накопителя 3 U_ЕНm= 10 кВ за время t_зк 5 с до максимальной энергии Е_зm 1 МДж, что соответствует средней зарядной мощности ЕН 3
P_зср Е_зm/t_зк≈E_пн/t_зк 200 кВт, где Е_пи≈1 МДж энергия импульса питания нагрузки 5, приведена на фиг.4. При увеличении средней добротности Q_ср от 2 до 24 средний КПД η_зсрсистемы монотонно увеличивается от ≈0,73 до ≈0,97, а для реальной добротности систем с источником 1 практически неизменного напряжения (U≈const) cоставляющей Q_ср ≥ 70, средний КПД системы составляет η_зср≈0,99 и более. На этой же фиг.4 в виде практически прямых горизонтальных линий (от Q_ср ≥ 4) приведены графические зависимости среднего идеального коэффициента использования источника 1 постоянного напряжения и трансформатора инвертора 2
K_иио (К_иис + К_иин)/2 0,637
в системе по фиг.1 и К_иипр ≈ (К_ииспр+K_иинпр)/2 0,427 в базовой системе-прототипе с однофазными преобразователями неизменной мощности (ОПНМ) или источника 1 и двух трансформаторов инверторов 2 и 2' К_ииДК_ииm 0,900 в системе по фиг.2 с двухфазным преобразователем неизменной мощности (ДПНМ), рассчитанные по выражениям (5), (6) и (10).

Графические зависимости практического коэффициента использования источника 1 и трансформатора инвертора 2 по мощности К_ипо К_ииm η_зср в системе по фиг. 1 с ОПНМ и К_иппр К_иипр η_зср в базовой системе-прототипе с ОПНМ или источника 1 и двух трансформаторов инверторов 2 и 2' в системе по фиг.2 с ДПНМ К_ипД К_инm η_зср от средней добротности систем Q_ср приведены также на фиг.4, из которой видно, что для одной и той же средней добротности Q_ср предлагаемых и базовой систем практический коэффициент использования источника 1 и трансформаторов инверторов 2 (или 2 и 2') по мощности в базовой системе-прототипе в 1,49 раз меньше, чем в системе по фиг.1, и в 2,1 раз меньше чем в системе по фиг.2, а практический коэффициент использования источника 1 и трансформаторов инверторов 2 и 2' по мощности в системе по фиг.2 в 1,41 раз больше чем в системе по фиг.1. Физически это объясняется эпюрами на фиг.3, из которых видно, что при заряде конденсатора 3 прототипа (индекс Пр) через ЛД 11 максимальный ток i_о на входе в ОПНМ (см.на фиг.3 а первую и третью синусоидальную полуволну тока, нарисованную пунктиром, примерно в три раза меньше, чем при заряде конденсатора 3 в предлагаемой системе (индекс ПС) по фиг. 1 (см. на фиг.3 а первую и третью синусоидальную полуволну тока, обозначенную сплошной линией) и примерно в три раза меньше, чем при заряде емкостного накопителя (ЕН) 3 через конденсатор 7 и линейный дроссель (ЛД) 11 предлагаемой системы по фиг.1 и прототипа (см.на фиг.3 а вторую и четвертую синусоидальную полуволну тока), что приводит к увеличению в 1,49 раз идеального и практического коэффициентов использования источника 1 постоянного напряжения и трансформатора инвертора 2 в предлагаемой системе по фиг.1 по сравнению с прототипом, а положительные полуволны тока i_о на входе в ОПНМ предложеннрой системы по фиг.1 и прототипа следуют друг за другом со сдвигом относительно друг друга на электрический угол π, из-за чего идеальный коэффициент использования источника 1 и трансформатора инвертора 2 не может быть больше величины 0,6366.

В отличие от этого в предлагаемой системе по фиг.2 синусоидальные полуволны тока i_Д на входе во второй инвертор 2' ДПНМ сдвинуты во времени относительно полуволн тока i_Д на входе в инвертор 2 ДПНМ (см.фиг.3 а) на электричесий угол π/2. Это приводит к тому. чо минимальный ток на входе в два инвертора 2 и 2' ДПНМ равен максимальному току I_фm, а максимальный ток на их входе I_ДM I_фm, из-за чего идеальный практический коэффициент использования источника 1 и трансформаторов инверторов 2 и 2' ДПНМ по мощности в такой системе увеличивается в 1,41 раз по сравнению с системой по фиг.1 с ОПНМ и в 2,10 раз по сравнению с прототипом.

Максимальная мощность источника 1 неизменного напряжения и трансформаторов инверторов ОПНМ и ДПНМ определяется очевидным выражение:
P_m P_зср/К_ип (12) и тем меньше, чем больше практический коэффициент использования их по мощности, и в предлагаемой системе по фиг.1 К_ипо в 1,49 раз больше чем в прототипе, а в предлагаемой системе по фиг.2 К_ипД в 2,1 раз больше, чем в прототипе, чем и объясняется существенное увеличение (улучшение) удельных энергетических показателей (таких как удельная энергия и мощность системы по массе и объему) предлагаемых систем по сравнению с прототипом и предлагаемой системы по фиг.2 по сравнению с системой по фиг.1.

Например, для следующих одинаковых для предлагаемых систем по фиг.1 и 2 и прототипа исходных параметров энергия импульса питания нагрузки 5 Е_пи 1 МДж; длительность импульса питания нагрузки τ_пи 0,1 с; максимальное напряжение заряда емкостного накопителя (ЕН) 3 U_ЕНm 10 кВ; время заряда ЕН 3 до максималного напряжения t_зк 5 с; максимальная энергия заряда ЕН Е_зm≈Е_пи 1 МДж; частота изменения выходного напряжения трансформаторов инвертора 2 (или 2') f_и 1000 Гц, удельная масса трансформаторов инверторов α_тр 1,32 кг/кВт и не зависит от их мощности; зарядная мощность ЕН 3 Р_зср Е_зm/t_зк 200 кВт.

Средняя добротность предлагаемых и базовых систем Q_ср ≈70 и средний КПД заряда ЕН 3 через ОПНМ или ДПНМ η_зср≈0,99. Идеальный коэффициент использования источника 1 практически неизменного напряжения (U≈const) и трансформаторов инверторов ОПНМ и ДПНМ по мощности К_иио К_ииm 0,6366 в системе по фиг.1 (см. п. 1 формулы изобретения), К_ииД К_ииm 0,900 в системе по фиг.2 (см. п.2 формулы изобретения), а в прототипе К_иипр 0,427.

Практический коэффициент использования источника 1 и трансформаторов инверторов ОПНМ и ДПНМ по мощности К_ипо= К_ииоη_зср 0,631 и их максимальная установленая мощность Р_mP_зcр/К_ипо 316 кВт в системе по фиг.1, К_ипД К_ииД η_зср 0,890 и Р_m Р_зср /К_ипД 225 кВт, а в прототипе К_иппр К_иппрη_зср 0,422 и Р_mпр= P_зср/K_иппр 472 кВт.

Масса трансформаторов инверторов ОПНМ и ДПНМ m_тр α_тр Р_m 1,32 ˙316 416 кг в системе по фиг.1, m_тр 1,32 ˙225 297 кг в системе по фиг.2, а в прототипе m _{тр пр} α_тр Р_mпр 1,32˙ 472 622 кг. Масса энергетической установки (ЭУ) с источником 1 постоянного напряжения без ее подсистемы охлаждения
m_эу α_эуо Р_m 5˙316 1580 кг в системе по фиг.1.

m_эу α_эуД Р_m 5,4˙225 1220 кг, а в прототипе m_эупр α_эупр Р_mпр= 4,5˙472 2120 кг, где α_эуо≈5 кг/кВт, α_эуД≈5,4 кг/кВт и α_эупр 4,5 кг/кВт удельная масса соответствующих ЭУ. Суммарная масса энергетической установки с источником 1 и трансформаторов инверторов ОПНМ или ДПНМ _эутр 1990 кг в системе по фиг. 1, m _эутр≈1500 кг в системе по фиг.1, а в прототипе m _{эутр пр}≈2740 кг, что составляет подавляющую долю массы m_псо, m_псД и m_пр предложенных и базовой систем.

Удельные энергия и мощность предлагаемых и базовой систем определяется выражениями W_Еmпсо Е_пи/m_псо и W_рmпсо Р_зср/m_псо в системе по фиг.1 W_ЕmпсД Е_пн/m_псД и W_рmпсД Р_зср/m_псД в системе по фиг.2, а в прототипе W_Еmпр Е_пи/m_пр и W_рmпр Р_зср/m_пр.

Следовательно, такие удельные энергетические показатели предложенных систем по фиг.1 и фиг.2, как удельные энергия и мощность по их массе, существенно улучшаются (увеличиваются) по сравнению с базовой системой-прототипом путем уменьшения в 1,49 и 2,1 соответственно установленной мощности источника 1 постояного напряжения и трансформаторов инверторов, а значит и уменьшения в 1,37 и 1,82 раз суммарной массы энергетической установки с источником 1 и трансформаторов инверторов ОПНМ и ДПНМ, за счет увеличения в 1,49 и 2,1 раз соответственно практического коэффициента использования их по мощности.

Таким образом, снабжение системы питания импульсной нагрузки (в п.1 формулы изобретения) дополнительно вторым диодным вентилем 16 вторичной обмотки трансформатора инвертора 2, расположенным оптимальным образом в соответствии с выражением (8) отводом О от части W₂ ее витков и новыми связями между ее элементами, а системы питания импульсной нагрузки (в п.2 формулы изобретения) дополнительно вторым инвертором 2' и вторым токоограничивающедозирующим блоком 6', обеспечивая неочевидность схемно-технического и параметрического решения задачи, существенно улучшает удельные энергетические показатели системы путем уменьшения в 1,49 и 2,1 раз установленной мощности источника 1 постоянного напряжения и трансформаторов инверторов за счет увеличения в 1,49 и 2,1 раз коэффициента их использования по мощности, где первое число относится к системе по п. 1 формулы изобретения, а отделенное от первого числа союзом "и" второе число к системе по п.2 формулы изобретения.

Формула изобретения

1. СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ, содержащая источник постоянного напряжения, выход которого соединен с входом первого инвертора, который имеет трансформаторный выход и ключи К₁ и К₂, емкостный накопитель, параллельно которому через управляемый ключ подключена импульсная нагрузка, первый токоограничивающе-дозирующий блок, включающий в себя конденсатор, первый диодный вентиль, анод которого связан с первым выводом емкостного накопителя, тиристорный вентиль, линейный дроссель, который включен между анодом первого диодного вентиля и первым выводом трансформатора первого инвертора, блок управления системой, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым выводами соответственно емкостного накопителя, третий и четвертый входы через стабилизатор напряжения с выходами источника постоянного напряжения, первый и второй выходы с управляющими электродами тиристорных ключей K₁ и K₂ первого инвертора, катоды которых подключены к третьему выходу блока управления системой, четвертый и пятый выходы с управляющим электродом и катодом управляемого ключа, шестой и седьмой выходы с управляющим электродом и катодом тиристорного вентиля, при этом индуктивность L линейного дросселя определяют соотношением

где C емкость конденсатора;
f частота изменения выходного трансформатора первого инвертора;
L_рт индуктивность рассеяния трансформатора первого инвертора;

добротность системы при заряде конденсатора через линейный дроссель;
R₀ приведенное к выводам трансформатора первого инвертора внутреннее сопротивление источника постоянного напряжения и первого инвертора;
R активное сопротивление линейного дросселя;
R_вп среднее активное сопротивление первого диодного вентиля в проводящем направлении,
отличающаяся тем, что, с целью улучшения удельных энергетических показателей системы путем уменьшения установленной мощности источника постоянного напряжения и трансформатора первого инвертора за счет увеличения коэффициента использования их по мощности, ее первый токоограничивающе-дозирующий блок дополнительно снабжен вторым диодным вентилем, а вторичная обмотка трансформатора первого инвертора отводом 0 от части ее витков подключена к аноду тиристорного вентиля, катод которого связан с анодом второго диодного вентиля и первым выводом конденсатора, катод второго диодного вентиля подключен к второму выводу трансформатора первого инвертора, а катод первого диодного вентиля к второму выводу емкостного накопителя, причем отвод 0 от части витков вторичной обмотки трансформатора первого инвертора выбран так, чтобы отношение части витков W_о вторичной обмотки, заключенных между первым выводом трансформатора и отводом 0, ко всем виткам W вторичной обмотки определяется выражением

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена вторыми инвертором и токоограничивающе-дозирующим блоком, входы второго инвертора соединены с выходами источника постоянного напряжения, анод и катод второго диодного вентиля второго токоограничивающего блока соединены с первым и вторым выводами емкостного накопителя, восьмой и девятый выходы блока управления системой связаны с управляющими электродами тиристорных ключей K₁ и K₂ второго инвертора, десятый выход с катодами этих тиристорных ключей второго инвертора, одиннадцатый и двенадцатый выходы с управляющим электродом и катодом тиристорного вентиля, второго токоограничивающе-дозирующего блока, причем импульсы управления от блока управления системой на тиристорные ключи K₁ и K₂ второго инвертора и тиристорный вентиль второго токоограничивающе-дозирующего блока сдвинуты во времени относительно импульсов управления, подаваемых на тиристорные ключи K₁ и K₂ первого инвертора и тиристорный вентиль первого токоограничивающе-дозирующего блока на электрический угол π/2.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5