Устройство для заряда накопительных конденсаторов
Ъ .««
l (Все" ;зная
КЛОнтно-тонин фее
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ,, 738117
Союз Советскмх
Социалистических
Республик (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 11.01.78 (21) 2567643/18-21 с присоединением заявки РЙ— (23) Приоритет—
Опубликовано30.05.80. Бюллетень Ле20
Дата опубликования описания 03.06.80 (-51)М. Кл.
Н 03 К 3/53
Гооудеротееиный комитет
СССР по дейем изобретений и открытий (5З) УДК621.373. .431 (088.8) (72) Авторы изобретения
В. М. Сухарев и А. Г. Николаев (7() Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА НАКОПИТЕЛЬНЫХ
KOHQE H CATOP OB
Устройство предназначено для заряда накопительных конденсаторов генераторов мощных импульсов, например, оптических квантовых генераторов, в локационной технике, импульсных плазменных двигателей, в электрической сварке металлов и т.п.
Известны устройства для заряда. накопительных конденсаторов 11) .
Недостатки известного устройства заключаются в низком КПД заряда накопительных конденсаторов, в том, что в схеме заряда не предусмотрена стабилизация уровня энергии, запасаемой в накопителях, несмотря на наличие в ней системы стабилизации напряжения, так как учет раэ-15 броса величин емкостей конденсаторов схема йе предусматривает, а также в том, что зарядная схема" оказывает прямое вли- яние иа разрядную цепь импульсной на20 грузки, так как источник не изолировай от разрядной цепи.
Наиболее близким техническим решени-ем к предлагаемому является устройство
" для заряда накопительных конденсаторов, содержащее источник переменйот о тока, токоогранйчивающий линейный дроссель, вентильно-конденсаторный выпрямитель-умножитель напряжения, подключенный к импульсной нагрузке, управляемые вентили и блок контроля напряжения и управления управляемыми вентилями 2 .
Недостатки этого устройства заключаются в том, что заряд накопительного конденсатора произвьдится эа большое. число периодов напряжения источника пере» менного,тока, что требует установки в схеме дополнительного накопительного конденсатора, а зарядная схема, даже при использовании дросселя,— может увелйчить напряжение на нагрузке только в четыре раза по отнощ«ейию к амплитуде напряже-ния источника. Все это не обеспечивает известному устройству требуемые удель..IbIe энергетические показатели.
Цель изобретения - повышение удельцпс энергетических показателей устройства.
738117 4
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для заряда накопительного конденсатора, содержащем источник переменного тока, токоограничиваюший линейный дроссель, вентильно-конденсаторный выйрямитель-умножитель напряжения, подключенньгй к импульсной нагрузке, управляемые вентили и блок контроля напря жеиия и управления управляемыми вентилями, вентип ьно-конденсаторный выпрямитель.— yp умножитель напряжения выполнен в виде че тырех соединенных параллельно ячеек, кажда из которых образована двумя включенными согласно вентилями, соединенными друг с другом через конденсатор, аноды управляемьм вентилей первой и второй ячеек
:и катоды неуправляемого вентиля третьей и управляемого вентиля четвертой ячеек через токоограничивающий линейный дроссель подключены к одной клемме, а катоды неуправляемого вентиля первой, управляемого вентиля второй и анодов управляемых вентилей третьей и четвертой ячеек4 ко второй клемме источника переменного тока, при этом катод управляемого венти- 25 ля первой ячейки соединен с анодом управляемого вентиля второй ячейки, соединенного с конденсатором, катод управляемого вентиля третьей ячейки соединен с анодом управляемого вентиля четвертой - gp ячейки, соединенного с конденсатором, и катод управляемого вентиля второй ячейки соединен с анодом дополнительйого управляемого вентиля, катод которого соединен с анодом неуправляемого вентиля j5 третьей ячейки, в свою очерель точка соединения катода управляемого вентиля и конденсатора в четвертой ячейке подключена к положительной клемме, а анод неуправляемого вентиля первой ячейки сое- 4р динен с отрицательной клеммой генератора мошных импульсов, причем управляюшие входы управляемых вентилей подключены к выходу ячейки временного сдвига импульсов, . выполненной, например, на кольц цевом счетчике и дешифраторе.
Кроме того,в устройстве параллельно каждому из конденсаторов вентильно-конденсаторных ячеек включены цепочки из соединенных последовательно дополнитель50 но введенных управляемого вентиля и дросселя, причем аноды дополнительно введенных управляемых вентилей подключены к катодам управляемых вентилей в первой и
55 второй вентильно-конденсаторной ячейках непосредственно, в третьей и четвертойчерез дополнительно введенный дроссель, а параллельно токоограничиваюшему лйней; но4у дросселю включен дополнительно введенный ключевой бграничитель амплитуды,. выполненный в виде двух соединенных встречно-параллельно управляемых вентилей, при этом управляющие входы дополнительно введенных управляемых вентилей подключены к выходу ячейки, временного сдвига импульсов.
На фиг. 1 приведена схема устройства для заряда накопительных конденсаторов;
1 на фиг. 2 — то же, предназначенное для приведения схема заряда емкостей к нулевым начальным условиям к началу каж» дого зарядного цикла и стабилизации уров ня запасенной энергии в конденсаторах в конце этих циклов.
Устройство содержит источник 1 переменного тока, подключенный через токоот раничиваюший линейный дроссель 2 параллельно к четырем ячейкам. Первая ячейка состоит из управляемого вентиля 3, кон денсатора 4, неуправляемого вентиля 5, управляемого вентиля 6, конденсатора 7, и управляемого вентипя 8, Вентильные элементы этих двух ячеек включены в прямом направлении, Третья и четвертая ячейки конденсаторов включают в себя вентильные элементы, включенные в обратном направлении и .состоят соответственно из неуправляемого вентиля 9, конденсатора
10, управляемых вентилей 11 и 12, конденсатора 13, управляемого вентиля 14.
Катод управляемого вентиля 3 первой ячейки соединен с анодом управляемого вентиля 8 второй ячейки, а катод управляемого вентиля 6 этой же ячейки через управляемый вентиль 15 соединен с анодом неуправляемого вентиля 9 третьей. ячейки.
В свою очередь, катод управляемого вентиля 11 третьей ячейки подключен к аноду управляемого вентиля 12.
Импульсная нагрузка 16 положительной клеммой подсоединена к катоду управ ляемого, вентиля 14, а отрицательной - к
1 аноду неуправляемого вентиля 5.
Блой 17 контроля напряжения накопительных конденсаторов подключен к генератору 18 тактовых импульсов, который подает импульсы к устройству 19 временного сдвига импульсов, выполненного на кольцевом счетчике 20 и дешифраторе 21, В качестве управляемых вентилей в ус ройстве (фиг. 1) применены тиристоры, а в качестве неуправляемьм - диоды.
Устройство для заряда накопительных конденсаторов работает следующим обрезом.
5 . 738117 6
Предположим, что в какой-то момент ния при открытом тиристоре 3, а тиристор времени от источника 1 переменного тока 12 - при открытом тиристоре 11. подается положительная волна напряжения, Предлагаемая схема зарядного устройа от дешифратора 21 поступает управля. ства имеет следующие преимущества по ющий импульс на открытие тиристора 3, сравнению с известным (2): высокий КПД
Тогда от источника переменного тока.че- заряда конденсаторов, так, например, при рез токоограничиваюший линейный дрос-,добротности дросселя Q 10 КПД зар да сель 2,. индуктивность которого настроана Равен q =0,93; источник переменного тов резонанс с накбпительными конденсато- ка не оказывает влияния на время деионирами на частоте источника, течет ток в зации импульсной нагрузки, так как послв конденсатор 4. Происходит резонансный заряда всех четырех накопительных конзаряд конденсатора 4. Во время заряда денсаторов их разрядная цепь полностью зарядный ток изменяется по синусоидаль-- изолирована от источник уровень запаса-., ному закону, а напряжение на накопитеЛь - емой энергии в накопительных конденсатоном конденсаторе достигает удвоенного рах при их заряде предлагаемым устройамплитудного значения напряжения источ- ством ограничивается только возможностя ника переменного тока. Когда ток заряда ми промышленности при изготовлении от накопительного конденсатора становится дельных элемейтов схемй, зарядное устрой» равным нулю, тиристор 3 гаснет. ство накопительных конденсаторов обеспеПри появлении отрицательной волны на- чивает многократное повышение напряже-
20 пряжения источника дешифратор подает уп- ния питания импульсной нагрузки при за- ! равляющие импульсы на тиристор 11, ко- - данном значении, номинального напряжения торый открывается, обеспечивая тем са- . источника переменного тока. Теоретичесмым резонансный заряд конденсатора 10 ки можно собрать любое четное число кои от той же индуктивности дросселя 2. 25 денсаторных ячеек N емкости которых з4
Тиристор 11 закрывается так же, как ряжаютса до двойного амплитудного значе и в первом случае, при достижении значе- ния напряжения источников. Тогда суммар» ния зарядного тока конденсатора ll нуле- ное напряжение последовательно соединен» вого значения. ных конденсаторов ЕО„ равно
Во втором периоде изменения напряже»» ния источника переменного тока, при появ- Г ленни положительной волны напряжения, дешифратор подает управляюшие импульсы где U - действующее значение напряна тиристоры 6 и 8 для заряда конденса- жения источника переменного тора 7, а при появлении отрицательной воп- тока. ны напряжения — на тиристоры 12 и 14
При этом частота разряда конденсадля заряда конденсатора 13. торов ня импульсную нагрузку равна
Таким образом, за .два периода напряг жения. источника переменного тока все че тыре конденсатора заряжаются до двойноамплнтудного з чения напряжены и - 46 где r - частота источника переменноточника. При подаче управляющего импульго тока. са к тиристору 15 (или разряднику) все Важно также отметить, что при любом четыре конденсатора оказываются включен- выбранном числе конденсаторных ячеек И, ными последовательно по отношению к им- Разрядная цепь конденсаторов управляет45 с пульсной нагрузке 16, к которой прикла- rr rrarrrr од"им управляемым вентилем дывается восьмикратное амплитудное зна- тиристором или разрядником). чение напряжения источника переменного Р™ того с целью обеспечены статока. Происходит импульсный разряд после билизации уровня энергии в нагрузке в довательно соединенных конденсаторов Hà ка кдом Разрядном цикле устройство для импульсную нагрузку, и при достижении зарха снабжено дополнительными тиристс„ тока Разряда нулевого значения тиристор р™ и индуктивностью, приводящими схе15 гаснет. му к нулевым начальным условиям перед каждым циклом Резонансного заряда накоВ схеме зарядного устройства (фиг. 1) пительных конденсаторов и стабилизи уюти ст ри оры 3, 6, 11 и 14 служат для уп- шими уровень запасаемой энергии в них .
55 равления цепями заряда конденсаторов 4, при каждом разрядном цикле.
7, 1 и 13. Кроме того, тиристор 8 пре- Зарядное устройство накопительных кон0 дохраняет источник от короткого замыка- денсаторов (фиг. 1) обеспечивает питание
7 7381 ймпульсной нагрузки, если последняя не предъявляет повышенных требований к стабильности запасаемой энергии в емкостях в каждом зарядном цикле.
Как известно, количество запасенной энергии в конденсаторах при резонансной их зарядке в существенной мере зависит от величины напряжения источника переменного тока, от отклонения частоты источника от резонансной и от правильного о подбора емкостей конденсаторов в ячейкйх. Если влияние отклонения напряжения и частоты источника от заданного значения на величину запасаемой энергии в конденсаторах очевидно, то влияние выбора д
I емкости конденсаторов каждой ячейки требует пояснения.
Зарядное устройство должно иметь одинаковую емкость в конденсаторах всех ячеек. Но на практике невозможно выбрать20 несколько конденсаторов, имеющих совершенно одинаковую емкость. Предположим, что один из накопительных конденсаторов имей несколько большую емкость, чем остальные. Тогда энергия, запасенная в 25 нем, становится несколько больше, чем в. остальных. При разряде последовательно соединенных конденсаторов на импульсную нагрузку ток разряда, проходящий по кондейсаторам, одинаков, в это значит, что конденсатор, имеющий большую емкость, разрядится позднее, чем остальные, Если считать, что емкости остальных трех " " монд нсаторов одинаковы, то при разряде конденсаторов Н8 импульсную нагрузку на 5 станет момент времени, когда напряжение на них станет равным нулю (конденсаторы полностью отдали свою энергию в нагрузку), а напряжение на конденсаторе, имеющем большую емкость, отлично от нуля и имеет полярность, полученную при его заряде.
Этот конденсатор продолжает отдавать свою энергию в нагрузку, при этом перезаряжая остальные три конденсатора. Ток заряда конденсаторов становится равным нулю (тнристор 15 запирается) лишь тогда, когда напряжение на конденсаторе, имеющем большую емкость, равно сумме напряжений трех последовательно соедийенйых конденсаторов, имеющих обратную полярность.
Таким образом, после заряда конденсаторов на нагрузку один из них сохраняет остаточный заряд одного знака, в три дру гйх имеют остаточный заряд другого знака.
При следующем зарядном цйкле резонансный заряд конденсаторов начинается не
17 8 при нулевых начальных условиях, а следовательно, уровень запасенной энергии в них отличается от уровня предшествующего зарядного цикла.
При некоторых условиях наблюдается тенденция к увеличению разброса уровней запасаемой энергии конденсаторами в раз1 личных зарядных циклах.
Рассмотренные процессы значительно усложняются, если предположить, что все четыре конденсатора имеют неодинаковые емкости.
Устройство для заряда накопительных конденсаторов, представленное нв фиг, 2, предназначено для приведения схемы заряда емкостей к нулевым начальным условиям к началу каждого зарядного цикла и стабилизации уровня запасенной энергии в конденсаторах в конце этих циклов, Источник 1 переменного тока через линейный дроссель 2 резонансным методом заряжает конденсаторы четырех ячеек.
Вентили и конденсаторы 3-15 всех ячеек собраны по схеме, изображенной на фиг. 1. Импульсная нагрузка 16 подключена к выходным клеммам четырех последовательно соединенных конденсаторов.
Блоки контроля напряжения и управления тиристорами выполняют не только функции по управлению тиристорами 3, 6, 8, 11, 12, 14 и 15, но и дополнительные, описанные выше.
Параллельно конденсаторам всех ячеек подключены цепочки, состоящие из управляемых вентилей 22-25 и дросселей
26-29. К выходным клеммам линейного дросселя 3 подключены два управляемых вентиля 31 и 32. Напряжение, снимаемое со всех конденсаторов, подводится к блоку 17 контроля напряжения, который подкшочен к генератору 18 тактовых импульсов, последний, в свою очередь, подает импульсы к устройству 19 временного сдвига, выполненного на кольцевом счетчике 20 и дешифраторе 21.
Схема (фиг. 2) обеспечивает работу устройства для заряда в двух режимах.
Первый режим работы схемы служит для приведения к нулевым начальным ус-. ловиям перед зарядным циклом конденсаторов. После отпирания тиристора 15 конденсаторы разряжаются нв импульсную на- грузку. Так как емкости конденсаторов неодинаковы, то их разряд прекращается, когда сумма всех напряжений конденсаторов становится равной нулю. Таким образом, каждый конденсатор имеет остаточное напряжение, в общем случае, произ(738 вольного знака. Для уничтожения остаточного заряда конденсаторов и приведения резонансной схемы заряда к нулевым начальным условиям в качестве управляемых вентилей 22-25 необходимо использовать ,симисторы, сигналы на открытие которых в обоих направлениях подаются сразу же поспе запирания тиристора 15. Происхо- . дит разряд конденсаторов через короткозамкнутую цепь тиристор — индуктивность. 10
Дроссели 26-29 представляют собой один или несколько витков провода. Следует отметить,что остаточные значения емкости в конденсаторах после их разряда на нагрузки очень невелики, поэтому и энер- l5 гия, рассеиваемая токоподводящими проводами, активным сопротивлением индуктивности и тиристорами, также невелика. При работе схемы в первом режиме тиристсьры 31 и 32 не используются. 20
Второй режим работы схемы предусматривает стабилизацию уровней энергии, накапливаемой конденсаторами, в каждом цикле. При этом, блок контроля напряже,ния конденсаторов следит за уровнем на- 25 пряжения на конденсаторах при их разряде на импульсную нагрузку. Как только напряжение на одном из конденсаторов становится равным нулю, от блока дешифратора 21 поступают сигналы управления на 30 тиристоры 22-25, тиристоры отпираются и остаточные заряды всех остальных трех конденсаторов рассеиваются в короткозамкнутой цепи. В этом режиме работы в ка честве управляемых 22-25 можно исполь-35 зовать тиристоры, так как схема не допускает перезаряда конденсаторов.
Для стабилизации уровня энергии, запасаемой конденсаторами при их заряде, который зависит не только от величины емкости, 40 но и от колебаний напряжения и частоты, источника относительно номинальной, в схему введец ключевой ограничитель 30 амплитуды, выполненный в виде двух соединенных встречно-параллельно тиристоров 31 и 32, при этом управляющие входы тиристоров подключены к выхoду ячейки временного сдвига импульсов.
Схема стабилизации энергии, запасаемой конденсаторами, работает следующим 50 образом.
Предварительно выбирается минимально возможное напряжение заряда конденсатора. Другими словами, при любых допустимых колебаниях напряжения и частоты источника при резонансном заряде конденсатора схема обеспечивает его заряд до минимально возможного напряжения. Блок контроля напряжения конденсаторов следу117 10 ет за -уровнем напряжения конденсатора при его заряде, Как только оно достигает минимально допустимого значения, подает- ся управляющий импульс на тиристор 31, который отпирается и шунтирует дроссель.
При этом нарушаются усповия резонансного заряда конденсатора и его заряд прекрашается, так как напряжение источника значительно меньше напряжения на конденсаторе.
Если производится заряд конденсаторов
10 и 13, которые заряжаются при прохождении отрицательной волны напряжения, то для стабилизации уровня напряжения заряда конденсаторов 10 и 13 необходимо использовать тиристор 32, шунтирующий дроссель 2 в обратном направлении.
iг
Полная энергия, записанная в четырех конденсаторах, будет равна учетверенному значению энергии одного конденсатора, который заряжается резонансным путем рт источника переменного тока, при максимальном допустимом отрицательном от- клонении но напряжению и частоте относительно номинальных значений. При этом естественно, энергия, снимаемая- со всех конденсаторов несколько уменьшается, но, если учесть, что возможные колебания напряжения Формула изобретения 1. Устройство для заряда накопительных конденсаторов, содержащее источник переменного тока, токоограничиваюший ли- нейный дроссель, вентильно-конденсаторный выпрямитель-умножитель напряжения, подключенный к импульсной нагрузке, уп- равляемые вентили и блок контроля напряжения и управления управляемыми вентицями, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, р целью повышения удельных энергетических показателей, вентильно-конденсаторных выпрямитель-умножитель напряжения выполнен в виде четырех соединенных параллельно ячеек, каждая из которых образована двумя включенными согласно вентилями, соединенными друг с другом через конденсатор, аноды управляемых вентилей первой и второй ячеек и катоды неуправляемого вентиля третьей и управляемого вентиля четвертой ячеек через токоограничивающий линейный дроссель подключены к одной клемме, а катоды неуправляемого вентиля первой ° управляемого вентиля второй и анодов управляемых вентилей 11 7381 третьей и четвертой ячеек — ко второй клемме источника переменного тока, при этом катод управляемого вентиля первой ячейки соединен с анодом управляемого вентиля второй ячейки, соединенного с конденсатором, катод управляемого sea sau третьей ячейки соединен с анодом управляемого вентиля четвертой ячейки, соединенного с конденсатором, и катод управ ляемого вентиля второй ячейки соединен щ с анодом дополнительного управляемого вентиля, катод которого соединен с анодом неуправляемого вентиля третьей ячейки, в свою очередь точка соединения катода управляемого вентиля и конденсато- 15 ра в четвертой ячейке подключена к положительной клемме, а анод неуправляемого вентиля первой ячейки соединен с отрицательной клеммой генератора мощных импульсов, причем управляющие входы уп-20 равляемых вентилей подключены к выхс ду ячейки временного, сдвига импульсов, выполненной например, на кольцевом счет Ъ чике и дешифраторе. 2. Устройство по п. 1, о т л и ч a - 25 ю щ е е с я тем, что, с целью стабилизации уровня энергии в нагрузке, парал17 12 лельно каждому из конденсаторов вентильно-конденсаторных ячеек включены цепочки из соединенных последовательно дополнительно введенных управляемого вентиля и дросселя, причем аноды дополнительно, введенных управляемых вентилей подключены к катодам управляемых вентилей в первой и второй вентильнь-конденсаторной ячейках непосредственно, в третьей и чет. вертой « через дополнительно введенный дроссель, а параллельно токоограничиваю щему линейному дроссеню включен дополнительно введенный ключевой ограничитель амплитуды, выполненный в виде двух соединенных встречно-параллельно paMIB» емых вентилей, при этом управляющие входы дополнительно введенных управляемых вентилей подключены к выходу ячейки временного сдвига импульсов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США _#_ 3461849, кл. 321-15, 1969. 2. Авторское свидетельство СССР _#_s 362435, кл. Н 03 К 3/57, 1973 (прототип) . 738117 Составитель В. îÐáà Редактор В, Романенко Техред Н. Ковалева Корректор Г. Решетник Заказ 2574/10 Тираж 995 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент», r. Ужгород, ул. Проектная, 4
