Способ управления зарядным устройством емкостного накопителя энергии с дозирующими конденсаторами

Изобретение относится к способам управления зарядными устройствами накопительных конденсаторов и может быть использовано в электрофизических установках с емкостными накопителями энергии.

Предложено в способе управления зарядными устройствами емкостного накопителя энергии на начальной стадии зарядки рабочую частоту изменять в функции текущего значения напряжения емкостного накопителя энергии, а на основной стадии выбирать ее величину исходя из требуемого максимального значения мощности на цикле зарядки. Способ позволяет получить технический результат - повысить надежность работы зарядных устройств с дозирующими конденсаторами, коэффициент использования первичного источника питания, а также сократить время зарядки. 4 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам управления зарядными устройствами с дозирующими конденсаторами, предназначенными для зарядки емкостных накопителей энергии, и может быть использовано в электрофизических установках различного назначения.

Известен способ управления зарядными устройствами накопительных конденсаторов с дозирующими конденсаторами [1], согласно которому в процессе зарядки рабочая частота преобразователя зарядного устройства остается неизменной.

К недостаткам указанного способа относятся значительная токовая перегрузка полупроводниковых приборов на начальной стадии зарядного цикла и невысокая коммутационная устойчивость зарядного устройства, снижающие надежность его работы.

Особенно чувствительны к токовым перегрузкам силовые транзисторы, которые в настоящее время являются основой элементной базы силовых схем современных мощных зарядных устройств с дозирующими конденсаторами, применяемых в электрофизических установках.

Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому по технической сущности является способ управления, согласно которому на начальной стадии зарядного цикла рабочую частоту зарядного устройства и выходную мощность, которая пропорциональна частоте, увеличивают по линейному закону [2].

Недостаток такого способа состоит в том, что выбор большой скорости нарастания $$\frac{df}{dt}$$ частоты - на начальной стадии цикла зарядки в транзисторных зарядных устройствах приводит к тепловой перегрузке транзисторов за счет того, что на этой стадии коммутация этих приборов происходит при ненулевом токе, протекающем по ним [3], и сопровождается значительными динамическими потерями. За счет этого снижается надежность работы устройств, реализующих данный способ управления.

Выбор небольших значений $$\frac{df}{dt}$$ ведет к увеличению длительности этой стадии, времени зарядки и снижает коэффициент использования первичного источника питания, величина которого определяется в соответствии с выражением

,

где t_нач - длительность начальной стадии цикла, на которой частота и мощность изменяется линейно; t_зар - заданное время зарядки; Р_ср и P_max - соответственно, среднее и максимальное значения мощности на цикле зарядки.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Задача, решаемая предлагаемым способом, - повышение надежности работы зарядных устройств с дозирующими конденсаторами.

Технический результат от использования предлагаемого способа заключается в повышении коэффициента использования первичного источника питания при минимальном воздействии на него зарядных устройств и сокращении времени зарядки.

Указанный результат достигается тем, что в способе управления зарядным устройством емкостного накопителя энергии с дозирующими конденсаторами, включающем изменение его рабочей частоты, рабочую частоту на начальной стадии зарядки при напряжении емкостного накопителя энергии, меньшем заданного граничного, изменяют в функции текущего значения напряжения емкостного накопителя энергии, причем вид этой функции выбирают исходя из условия работы зарядного устройства на границе бестоковой коммутации силовых транзисторов, а на основной стадии зарядки частоту сохраняют неизменной и выбирают ее величину исходя из требуемого максимального значения мощности на цикле зарядки.

При таком способе управления отпирание силовых транзисторов на начальной стадии зарядки емкостного накопителя энергии происходит непосредственно после момента снижения до нуля тока в силовом контуре, что исключает динамические потери в них, существенно уменьшает их нагрев и повышает надежность работы зарядных устройств. Отсутствие бестоковой паузы позволяет получить наибольшее в этих условиях среднее за период значение тока и минимальное время зарядки.

Способ осуществляют в соответствии со структурной схемой, изображенной на фиг. 1, где: 1 - зарядное устройство с дозирующими конденсаторами, к выходу которого присоединен емкостный накопитель энергии Н; 2 - датчик напряжения емкостного накопителя энергии; 3 - ограничитель напряжения; 4 - функциональный преобразователь; 5 - преобразователь «напряжение-частота»; u_пнч(t) - импульсный сигнал управления транзисторами зарядного устройства, имеющий текущее значение рабочей частоты f(t); u(t) - напряжение емкостного накопителя энергии Н; u_дн(t) - выходное напряжение датчика напряжения емкостного накопителя энергии Н; u_он(t) - выходное напряжение ограничителя напряжения; u_фп(t) - выходное напряжение функционального преобразователя 4.

На фиг. 2 в качестве примера приведена схема полумостового транзисторного зарядного устройства 1 с дозирующими конденсаторами ([3], стр. 12, рис. 1б), реализующего предлагаемый способ управления, к выходу которого присоединен емкостный накопитель энергии Н, где: 6, 7 - дозирующие конденсаторы, зашунтированные обратными диодами 8, 9; 10, 11 - силовые транзисторы, зашунтированные обратными диодами 12, 13; 14 - дроссель; 15 - высоковольтный трансформатор; 16 - выходной выпрямитель.

На фиг. 3 и 4 приведены временные зависимости зарядного устройства с дозирующими конденсаторами, соответственно, на начальной и основной стадии зарядки емкостного накопителя энергии, при применении предлагаемого способа управления.

На диаграммах буквами обозначены: а - кривая тока в силовом контуре; б - кривая тока, протекающего через силовой транзистор; в - кривая напряжения на силовом транзисторе.

Для реализации способа используют информацию о текущем напряжении емкостного накопителя энергии u(t).

На начальной стадии зарядки емкостного накопителя энергии Н, когда его напряжение меньше заданного граничного U_гр и выполняется неравенство u(t)<U_гр, рабочую частоту f(t) выбирают исходя из условия работы зарядного устройства на границе бестоковой коммутации силовых транзисторов 10, 11, которое, в соответствии с выражением (4), приведенным в [3], имеет следующее аналитическое выражение

,

где T(t) - текущее значение периода переключения силовых транзисторов 10, 11 зарядного устройства; и $$u*(t)\frac{u(t)}{U_{П}}$$ - относительное текущее значение напряжения емкостного накопителя энергии Н; L - индуктивность силового контура зарядного устройства 1, определяемая как сумма индуктивностей дросселя 14 и приведенной к первичной обмотке высоковольтного трансформатора 15 значения его индуктивности короткого замыкания; С - емкость каждого из дозирующих конденсаторов 6, 7; Q - добротность силового контура зарядного устройства, определяемая по формуле $$Q=\frac{1}{R}\sqrt{\frac{L}{2C}}$$ ; R - активное сопротивление силового контура зарядного устройства, определяемое как сумма сопротивлений обмотки дросселя 14 и приведенной к первичной обмотке высоковольтного трансформатора 15 значения его активного сопротивления короткого замыкания; U_п - напряжение первичного источника питания.

При достижении напряжением u(t) заданного граничного значения U_гр и далее на основной стадии зарядки, рабочую частоту f(t) зарядного устройства 1 с дозирующими конденсаторами 6, 7 сохраняют неизменной, выбирая ее исходя из требуемого максимального значения мощности на цикле зарядки P_max, в соответствии с выражением

,

где η - КПД зарядного устройства.

Граничное напряжение U_гр определяют из формулы, полученной из упомянутого ранее выражения

Такой способ управления позволяет реализовать начальную стадию процесса зарядки при бестоковой коммутации силовых транзисторов 10, 11 и минимальном времени зарядки емкостного накопителя энергии Н.

Принцип работы устройства, в котором осуществлен предлагаемый способ, заключается в следующем.

Пример осуществления способа

Силовые транзисторы 10, 11 зарядного устройства 1 с дозирующими конденсаторами 6, 7, периодически переключаясь с частотой f(t), обеспечивают с помощью шунтирующих диодов 8, 9 и 12, 13 полный разряд дозирующих конденсаторов 6, 7, что позволяет осуществить дозированную передачу энергии от источника питания с напряжением Un в емкостный накопитель энергии Н через высоковольтный трансформатор 15 и выходной выпрямитель 16. При этом напряжение u(t) на емкостном накопителе энергии Н возрастает. Напряжение u(t) поступает на датчик напряжения 2, который преобразует его величину до требуемого уровня в соответствии с формулой

u_дн(t)=k_дн u(t),

где u_дн(t) - выходное напряжение датчика напряжения 2 емкостного накопителя энергии H;

k_дн - коэффициент передачи датчика напряжения 2 емкостного накопителя энергии Н.

В простейшем случае датчик напряжения 2 может быть выполнен по схеме резистивного делителя напряжения.

Выходное напряжение датчика напряжения 2 емкостного накопителя энергии Н поступает на вход ограничителя напряжения 3, выходное напряжение u_он(t) которого определяется из соотношения

Ограничитель напряжения 3 может быть реализован, например, на основе стабилитрона с напряжением стабилизации, равным k_днU_гр.

Сигнал с выхода ограничителя напряжения 3 поступает на вход функционального преобразователя 4, представляющего собой нелинейное звено, которое реализует следующую функциональную зависимость

где k_пнч - коэффициент передачи преобразователя «напряжение-частота» 5.

Функциональный преобразователь 4 может быть построен на основе постоянных запоминающих устройств различного типа или микроконтроллере.

Выходное напряжение функционального преобразователя 4 поступает на вход преобразователя «напряжение-частота» 5, выходной сигнал которого u_пнч(t) представляет собой систему прямоугольных импульсов управления заданной скважности, с частотой f(t), текущее значение которой пропорционально величине входного сигнала u_фп(t)

f(t)=k_пчнu_фп(t).

Преобразователь 5 «напряжение-частота» реализуют на базе серийных интегральных микросхем данного функционального назначения.

В результате, текущее значение рабочей частоты f(t) зарядного устройства на начальной стадии зарядки емкостного накопителя энергии Н возрастает в соответствии с выражением

,

что обеспечивает работу силовых транзисторов 10, 11 зарядного устройства 1 на границе бестоковой коммутации. При этом кривые токов и напряжений в схеме имеют вид, приведенный на фиг. 3. На этом этапе мощность, передаваемая в емкостный накопитель энергии Н, увеличивается.

При достижении напряжением емкостного накопителя энергии 17 граничного значения U_гр выходное напряжение ограничителя напряжения 3 перестает изменяться, в результате чего рабочая частота становится постоянной и равной

,

а зарядное устройство 1 начинает работать в режиме постоянства среднего на периоде T значения мощности, передаваемой в емкостный накопитель энергии Н, равной по величине P_max, начинается основная стадия зарядки. В кривой тока, протекающего в силовом контуре, появляются бестоковые паузы (см. фиг. 4), длительность которых увеличивается по мере зарядки емкостного накопителя энергии Н.

Таким образом, как на начальной, так и на основной стадии зарядки емкостного накопителя энергии Н, имеет место бестоковая коммутация силовых транзисторов 10, 11, что исключает динамические потери в них и перегрев структуры. Отсутствие бестоковых пауз в токе на начальной стадии зарядки позволяет до минимума сократить длительность этой стадии. За счет этого повышается надежность работы зарядных устройств с дозирующими конденсаторами и коэффициент использования первичного источника питания.

Анализ показывает, что предлагаемый способ соответствует критериям новизны и изобретательского уровня. Испытания в лабораторных условиях подтверждают соответствие критерию «промышленная применимость».

Источники информации

1. Тиристорные схемы включения высокоинтенсивных источников света / О.Г. Булатов, B.C. Иванов, Д.И. Панфилов. - М.: Энергия, 1975. - с. 147.

2. Кириенко В.П., Копелович Е.А. Режимы работы высоковольтных зарядных устройств с дозирующими конденсаторами для электрофизических установок. Электричество №5, 2006. - с. 25-31.

3.. Копелович Е.А., Хватов СВ., Ваняев В.В., Троицкий М.М., Флат Ф.А. Транзисторно-конденсаторные зарядные устройства мегаджоульных емкостных накопителей энергии. Электротехника, №7, 2010. - с. 11-16.

Способ управления зарядным устройством емкостного накопителя энергии с дозирующими конденсаторами, включающий изменение его рабочей частоты, отличающийся тем, что рабочую частоту на начальной стадии зарядки при напряжении емкостного накопителя энергии, меньшем рассчитанного граничного, изменяют в функции текущего значения напряжения емкостного накопителя энергии, причем вид этой функции выбирают исходя из условия работы зарядного устройства на границе бестоковой коммутации силовых транзисторов, а на основной стадии зарядки частоту сохраняют неизменной и выбирают ее величину исходя из требуемого максимального значения мощности на цикле зарядки.