Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах для ограничения тока заряда конденсатора нагрузки, применяемых, в частности, для фильтрации выходного напряжения источника, предназначенного для питания различных потребителей постоянного тока. Технический результат заключается в уменьшении токовых нагрузок на питающий источник напряжения постоянного тока и на конденсатор нагрузки и защите питающего источника напряжения от токов перегрузки, что повышает надежность работы и расширяет область применения устройства. Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки содержит источник напряжения постоянного тока, ключ, блок управления, устройство задания тока, блок временной задержки, датчик тока, клеммы для подключения конденсатора нагрузки, а также реактор и диод. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для ограничения зарядного тока конденсатора, в частности для ограничения зарядного тока конденсатора, подключенного к входу инвертора.

Известно устройство для ограничения зарядного тока конденсатора, (http://electrum-av.com/ru/, Новиков П.А. Плавный заряд емкости: что выбрать? Рис. 1).

Известное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки состоит из резистора, подключенного между источником питания и конденсатором нагрузки, реле с замыкающим контактом, подключенным параллельно резистору, и системы управления, обеспечивающей срабатывание реле при увеличении напряжения на конденсаторе нагрузки до заданного уровня или по прошествии определенного времени с момента включения.

Недостатки устройства обусловлены тем, что катушка реле в основном режиме работы устройства остается подключенной к сети, что снижает ресурс ее работы и увеличивает вероятность отказа.

Известно устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству. (http://electrum-av.com/ru/, Новиков П.А. Плавный заряд емкости: что выбрать? Рис. 3) - прототип.

Известное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки состоит из ключа, силовые выводы которого подключены между первым выводом источником питания и первым выводом конденсатора нагрузки, а второй вывод источника питания подключен ко второму выводу конденсатора нагрузки непосредственно, и блока управления, выход которого подключен к управляющему выводу ключа. При включении источника питания система управления в соответствии с заданным алгоритмом генерирует импульсы управления, что вызывает периодическое замыкание ключа и постепенный заряд конденсатора нагрузки с соответствующим ограничением значения зарядного тока.

Недостаток известного устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки обусловлен тем, что у него не контролируются импульсные значения тока заряда в интервалах проводимости ключа. Вместе с тем, при сочетании процесса заряда конденсатора нагрузки с возможными случайными изменениями напряжения источника питания в виде выбросов напряжений ограничение тока заряда будет отличаться от запрограммированного, и амплитуда импульсов тока на отдельных интервалах коммутации может превысить допустимое значение.

В основу заявляемого изобретения поставлена задача устранить указанный недостаток, т.е. ввести ограничение тока заряда, за счет чего повысить надежность устройства, а также дополнительно ввести функцию защиты от токов перегрузки в установившемся режиме работы после окончания заряда конденсатора.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, содержащее источник напряжения постоянного тока, ключ и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом ключа, а первый вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первым выводом ключа, дополнительно введены устройство задания тока, датчик тока, реактор, диод и блок временной задержки, при этом второй вывод ключа соединен через реактор с первой клеммой для подсоединения конденсатора нагрузки, второй вывод источника напряжения через датчик тока подсоединен ко второй клемме для подключения конденсатора нагрузки, выход устройства задания тока подключен к первому входу блока управления, а выход датчика тока через блок временной задержки подсоединен ко второму входу блока управления, причем между вторым выводом ключа и вторым выводом источника напряжения постоянного тока подключен диод катодом ко второму выводу ключа.

В заявленном устройстве для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки общими существенными признаками для него и для его прототипа являются:

- источник напряжения постоянного тока;

- ключ;

- блок управления;

- выход блока управления соединен с управляющим входом ключа;

- первый вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первым выводом ключа.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки и его прототипа показывает, что первый в отличие от прототипа имеет следующие отличительные признаки:

- введен датчик тока, подключенный между вторым выводом источника напряжения постоянного тока и второй клеммой для подключения конденсатора нагрузки;

- введено устройство задания тока, выход которого подсоединен к первому входу блока управления;

- введен блок временной задержки, через который выход датчика тока подсоединен ко второму входу блока управления;

- введен реактор, подключенный между вторым выводом ключа и первой клеммой для подключения конденсатора нагрузки;

- введен диод, подключенный между вторым выводом ключа и вторым выводом источника напряжения постоянного тока катодом ко второму выводу ключа.

Признак: «…введен датчик тока, подключенный между вторым выводом источника напряжения постоянного тока и второй клеммой для подключения конденсатора нагрузки» обеспечивает измерение зарядного тока конденсатора нагрузки.

Признаки «…введено устройство задания тока, выход которого подсоединен к первому входу блока управления, …введен блок временной задержки, через который выход датчика тока подсоединен ко второму входу блока управления» обеспечивают определение в блоке управления рассогласования между заданным значением зарядного тока конденсатора нагрузки и фактическим его значением и поддержание блоком управления заданного уровня ограничения тока, причем блок временной задержки в цепи обратной связи по току между выходом датчика тока и вторым входом блока управления позволяет получить желаемое значение частоты и амплитуды колебаний зарядного тока в переходном процессе заряда конденсатора нагрузки.

Признак «…введен реактор, подключенный между вторым выводом ключа и первой клеммой для подключения конденсатора нагрузки, …введен диод, подключенный между вторым выводом ключа и вторым выводом источника напряжения постоянного тока катодом ко второму выводу ключа» обеспечивает последовательное приращение напряжения на конденсаторе нагрузки в процессе его заряда с ограничением амплитуды импульса тока в интервале проводимости ключа.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи - введение ограничения тока заряда, за счет чего повышение надежности устройства, а также дополнительное введение функции защиты от тока перегрузки в установившемся режиме работы после окончания заряда конденсатора.

Указанные существенные признаки, отличающие заявленное устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки от прототипа, в совокупности с признаками, общими для него и прототипа, обеспечивают достижение заявленного технического результата во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, на фиг. 2 - графики изменения напряжения на конденсаторе нагрузки и тока нагрузки, снятые в процессе натурного эксперимента.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки от источника 1 напряжения постоянного тока содержит ключ 2, блок 3 управления, устройство 4 задания тока, блок 5 временной задержки, датчик 6 тока, реактор 7, диод 8 и клеммы 9, 10 для подключения конденсатора нагрузки, при этом первый вывод источника 1 соединен с первым выводом ключа 2, второй вывод ключа 2 через реактор 7 соединен с первой клеммой 9 для подключения конденсатора нагрузки, второй вывод источника 1 через датчик 6 тока соединен со второй клеммой 10 для подключения конденсатора нагрузки, выход устройства 4 задания тока соединен с первым входом блока 3 управления, выход датчика 6 тока через блок 5 временной задержки соединен со вторым входом блока 3 управления, а выход блока 3 управления подключен на управляющий вход ключа 2, причем между вторым выходом источника 1 и вторым выводом ключа 2 подсоединен диод 8 катодом ко второму выводу ключа 2.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки работает следующим образом.

При включении источника 1 напряжения постоянного тока в начальный момент времени ток в цепи заряда конденсатора меньше установленного уровня ограничения, следовательно, ключ 2 находится в замкнутом состоянии. Начинается увеличение тока, причем скорость его изменения ограничивается за счет сглаживающего действия индуктивности реактора 7. Измеренное значение I_Т зарядного тока с выхода датчика 6 тока через блок 5 временной задержки поступает на второй вход блока 3 управления, где сравнивается с заданным уровнем I_ЗТ ограничения зарядного тока, который поступает на первый вход блока 3 управления с выхода устройства 4 задания тока.

В результате в зависимости от знака рассогласования Δ=I_ЗТ-I_Т происходит автоколебательное переключение ключа 2. Задержка сигнала обратной связи по току, осуществляемая в блоке 5, вызывает увеличение рассогласования А, при котором происходит коммутация ключа 2, и, вместе с тем, уменьшает частоту коммутации цепи заряда до желаемого значения. Указанное свойство позволяет обеспечить допустимый диапазон колебаний зарядного тока I_Т относительно уровня заданного ограничения I_ЗТ и уменьшить потери переключения на ключе 2 до желаемого значения в переходном процессе заряда конденсатора нагрузки.

В интервале проводимости ключа 2 ток I_Т заряда конденсатора нагрузки протекает от источника 1 постоянного тока через открытый ключ 2 и реактор 7, что вызывает приращение напряжения на конденсаторе нагрузки при ограничении скорости нарастания тока за счет сглаживающего действия индуктивности реактора 7. В интервале паузы ключа 2 энергия реактора 7 разряжается через конденсатор нагрузки и диод 8, причем в каждом интервале осуществляется измерение мгновенного значения тока I_Т датчиком 6 тока. С каждым последующим импульсом коммутации напряжение на конденсаторе нагрузки увеличивается и при равенстве напряжения источника 1 и напряжения на конденсаторе процесс переключения ключа 2 прекращается, при этом ключ 2 остается в замкнутом состоянии.

При возникновении перегрузки источника 1 или короткого замыкания в цепи нагрузки процесс ограничения тока происходит аналогично, т.е. при увеличении потребляемого тока I_Т от источника 1 и достижении его значением установленного уровня ограничения I_ЗТ возникает автоколебательный режим переключения ключа 2 с автоматической регулировкой скважности так, что потребляемый от источника 1 ток поддерживается в пределах отклонения Δ=I_ЗТ-I_Т от уровня установленного ограничения. При снятии перегрузки устройство автоматически возвращается в стационарный рабочий режим.

На фиг. 2 представлен снимок экрана осциллографа с изображением переходного процесса подключения устройства к источнику 1 напряжения постоянного тока, где I(t) и U(t) - графики изменения от времени зарядного тока и напряжения на конденсаторе нагрузки соответственно. Момент включения обозначен t₀, момент времени t₁ соответствует завершению автоколебательного режима работы ключа с ограничением зарядного тока значением I_мах, с момента времени t₂ устройство переходит в стационарный режим с установившемся токам I₀, соответствующим подключенной нагрузке устройства, а напряжение на конденсаторе достигает установившегося значения U₀, равного напряжению источника питания.

Устройство для ограничения зарядного тока конденсатора нагрузки, содержащее источник напряжения постоянного тока, ключ и блок управления, выход которого соединен с управляющим входом ключа, а первый вывод источника напряжения постоянного тока соединен с первым выводом ключа, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены устройство задания тока, датчик тока, реактор, диод и блок временной задержки, при этом второй вывод ключа соединен через реактор с первой клеммой для подсоединения конденсатора нагрузки, второй вывод источника напряжения через датчик тока подсоединен ко второй клемме для подключения конденсатора нагрузки, выход устройства задания тока подключен к первому входу блока управления, а выход датчика тока через блок временной задержки подсоединен ко второму входу блока управления, причем между вторым выводом ключа и вторым выводом источника напряжения постоянного тока подключен диод катодом ко второму выводу ключа.