система заряда емкостного накопителя электрической энергии

Формула изобретения

СИСТЕМА ЗАРЯДА ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, содержащая трехфазный источник переменного тока с тремя выходными линейными клеммами, вентильно-конденсаторный выпрямительно-умножающий узел, имеющий положительную и отрицательную шины для подключения емкостного накопителя, две вентильно-коденсаторные цепочки, в которых катоды вентилей соединены с одними обкладками соответствующих конденсаторов, а их другие обкладки подключены соответственно к первой и третьей выходным клеммам, две вентильные цепочки, состоящие каждая из двух вентилей, в одной из которых вентили соединены катодами, а в другой вентили связаны анодами, дозирующий конденсатор, блок контроля напряжения и фазового управления вентилями, а также управляемый ключ, отличающаяся тем, что, с целью улучшения удельных массогабаритных и энергетических показателей путем увеличения выходного напряжения, в качестве управляемого ключа применен зарядный тиристор, который анодом подключен к второй выходной клемме и точке соединения катодов вентилей одной вентильной цепочки, а катодом подключен к аноду первого вентиля той же цепочки и анаду вентиля второй вентильно-конденсаторной цепочки, а также к катоду первого вентиля другой вентильной цепочки непосредственно, а к катоду второго вентиля этой цепочки и к положительной шине - через дозирующий конденсатор, отрицательная шина соединена с анодом второго вентиля одной вентильной цепочки, а анод вентиля первой вентильно-конденсаторной цепочки подключен к катоду вентиля второй вентильно-конденсаторной цепочки, а его катод связан с точкой соединения анодов вентилей другой вентильной цепочки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к импульсной технике и касается систем так называемого "медленного" заряда емкостных накопителей электрической энергии генераторов мощных импульсов (то есть заряда за много периодов изменения напряжения зарядного источника), используемых в качестве импульсных источников вторичного питания ламп накачки оптических квантовых генераторов, в технической физике, в радиолокационной технике и прочих мощных потребителях энергии.

Известна система заряда емкостного накопителя, содержащая трехфазный источник переменного тока, трехфазный мостовой выпрямитель, три промежуточных накопительных конденсатора, основной накопительный конденсатор, управляющий ключ (УК) и блок контроля напряжения (БКН), фазные выводы трехфазного источника переменного тока соединены с входными клемамми трехфазного мостового выпрямителя через промежуточные накопительные конденсаторы, положительная обкладка основного накопительного конденсатора подключена к катодам вентилей трехфазного мостового выпрямителя, управляющий ключ включен между общей точкой фазных обмоток и анодами вентилей трехфазного мостового выпрямителя, блок контроля напряжения своим входом подключен к основному накопительному конденсатору, а выходом - к управляющему ключу, при этом отрицательная обкладка основного накопительного конденсатора подключена к выходной клемме выпрямителя, образованной парой вентилей одного плеча трехфазного мостового выпрямителя, соединенных анодами, а свободные катоды этой же пары вентилей подключены соответственно к точкам соединения фазных обмоток и промежуточных накопительных конденсаторов, связанных с двумя другими плечами трехфазного мостового выпрямителя [1].

Недостатком этой системы заряда емкостного накопителя является низкое значение напряжения на накопительном конденсаторе, которое не превосходит значения 4,4 U_тф, где U_тф амплитудное значение фазного напряжения источника. Это приводит к низким удельным энергетическим показателям системы заряда в целом.

Известна также система для заряда накопительного конденсатора, содержащая трехфазный источник, три вентильно-конденсаторные ячейки, зарядный тиристор и накопительный конденсатор. Эта система заряда позволяет осуществлять его заряд до напряжения, равного 4U_тл, где U_тл - амплитудное значение линейного напряжения источника [2].

Недостатком этой системы является недостаточная скорость передачи энергии трехфазного источника переменного тока в накопительный конденсатор, так как формируемый зарядный импульс, поступающий в накопительный конденсатор, не превышает 4U_тл, что приводит к недостаточно высоким удельным массогабаритным показателям системы.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является система заряда емкостного накопителя электрической энергии [3], содержащая трехфазный источник переменного тока с тремя выходными линейными клеммами, вентильно-конденсаторный выпрямительно-умножающий узел, имеющий положительную и отрицательную шины для подключения емкостного накопителя, две вентильно-конденсаторные цепочки, в которых катоды вентилей соединены с одними обкладками соответствующих конденсаторов, а их другие обкладки подключены соответственно к первой и третьей выходным клеммам, две вентильные цепочки, состоящие каждая из двух вентилей, в одной из которых вентили соединены катодами, а в другой вентили связаны анодами, дозирующий конденсатор, блок контроля напряжения и фазового управления вентилями, а также управляемый ключ. Эта система с переменной структурой зарядных цепей позволяет заряжать емкостный накопитель лишь до напряжения 8,8 U_тф.

Недостатками этой системы являются следующие: накопительный конденсатор состоит из двух секций, т.е. последовательно соединяемых конденсаторов, что увеличивает внутреннее сопротивление накопительного конденсатора. Кроме того, при разряде накопительного конденсатора из-за разброса емкостей его секций возможен частичный перезаряд одной из них. Величина напряжения на накопительном конденсаторе недостаточно велика, за счет чего недостаточной оказывается скорость передачи энергии из источника в накопительный конденсатор.

Целью изобретения является улучшение удельных массогабаритных и энергетических показателей путем увеличения выходного напряжения.

Цель достигается тем, что система заряда емкостного накопителя электрической энергии содержит трехфазный источник переменного тока с тремя выходными линейными клеммами, вентильно-конденсаторный выпрямительно-умножающий агрегат, имеющий положительную и отрицательную шины для подключения емкостного накопителя, две вентильно-конденсаторные цепочки, в которых катоды вентилей соединены с одними окбладками соответствующих конденсаторов, а их другие обкладки подключены соответственно к первой и третьей выходным клеммам, две вентильные цепочки, состоящие каждая из двух вентилей, в одной из которых вентили соединены катодами, а в другой вентили связаны анодами, дозирующий конденсатор, блок контроля напряжения и фазового управления вентилями, а также управляемый ключ. В этой системе в качестве управляемого ключа применен зарядный тиристор и изменена схема соединения отдельных элементов, при этом зарядный тиристор анодом подключен к второй выходной клемме и точке соединения катодов вентилей одной вентильной цепочки, а катодом подключен к аноду первого вентиля упомянутой цепочки и к аноду вентиля второй вентильно-конденсаторной цепочки, а также к катоду первого вентиля другой вентильной цепочки непосредственно, а к катоду второго вентиля этой цепочки и к положительной шине - через дозирующий конденсатор, отрицательная шина соединена с анодом второго вентиля одной вентильной цепочки, а анод вентиля первой вентильно-конденсаторной цепочки подключен к катоду вентиля второй вентильно-конденсаторной цепочки, тогда как его катод связан с точкой соединения анодов вентилей другой вентильной цепочки.

Изменение схемы соединения отдельных элементов позволяет довести напряжение на накопительном конденсаторе до 6U_тл, т.е. 10,38U_тф, при сохранении элементной базы прототипа и использовании для накопительного конденсатора одной лишь секции обеспечивает улучшение удельных массогабаритных и энергетических показателей системы.

Отсутствие в технической и патентной литературе сведений (рекомендаций) по выполнению заявленной схемы в целях достижения описанного в заявке эффекта (результата) показывает новизну взаимосвязи между совокупностью существенных признаков заявленного изобретения и положительным эффектом. Это обеспечивает существенные отличия данного изобретения от всех известных систем аналогичного назначения.

На фиг.1 представлена электрическая схема системы заряда; на фиг.2 - 5 - эквивалентные схемы, поясняющие работу устройства по фиг.1.

Система заряда емкостного накопителя электрической энергии содержит трехфазный источник переменного тока с тремя выходными линейными клеммами 1 - 3, вентильно-конденсаторный выпрямительно-умножающий узел 4, имеющий положительную 5 и отрицательную 6 шины для подключения емкостного накопителя 7, две вентильно-конденсаторные цепочки, в которых катоды вентилей 8 и 9 соединены с одними обкладками соответствующих конденсаторов 10 и 11, а их другие обкладки подключены соответственно к первой и третьей выходным клеммам, две вентильные цепочки, состоящие каждая из двух вентилей, в одной из которых вентили 12 и 13 соединены катодами, а в другой вентили 14 и 15 связаны анодами, дозирующий конденсатор 16, блок 17 контроля напряжения и фазового управления вентилями, а также управляемый ключ 18. В качестве управляемого ключа 18 применен тиристор, который анодом подключен к второй выходной клемме и точке соединения катодов вентилей 12 и 13, а катодом подключен к анодам вентилей 9 и 12, а также к катоду вентиля 14 непосредственно, а к катоду вентиля 15 и к положительной шине 5 через дозирующий конденсатор 16. Отрицательная шина 6 соединена с анодом вентиля 13, а анод вентиля 8 подключен к катоду вентиля 9, тогда как его катод связан с точкой соединения анодов вентилей 14 и 15.

При рассмотрении работы системы будем считать, что фазовые напряжения трехфазного источника переменного тока образуют трехфазную звезду и сдвинуты друг относительно друга на 120 эл.град. Условимся считать, что все конденсаторы в исходном состоянии (до подачи напряжения ТИПТ) разряжены.

Пусть в исходный момент потенциал клеммы 1 положительный и максимальный, линейное напряжение между клемамми 2 и 3 равно нулю и в последующий момент времени начинает возрастать по абсолютному значению, причем к клемме 2 приложен положительный потенциал. В этот момент на управляющие электроды вентилей 9 и 18 от блока контроля напряжения и фазового управления вентилями 17 поступают отпирающие импульсы. Вентили 9 и 18 открываются и начинается заряд конденсатора 11 (фиг.8) по цепи: клемма 2 - вентиль 18 - вентиль 9 - конденсатор 11 - клемма 3 - клемма 2. Через 90 эл.град. от выбранного начала отсчета линейное напряжение между клеммами 2 и 3 достигнет амплитудного значения. К этому моменту напряжение на конденсаторе достигнет тоже амплитудного значения линейного напряжения. В дальнейшем напряжение между клеммами 2 и 3 начнет уменьшаться. Зарядный ток прекратится, и вентили 9 и 18 запираются, предотвращая разряд конденсатора 11 на источник. Через 120 эл.град линейное напряжение между клеммами 3 и 1 станет равным нулю, а затем начнет возрастать по абсолютному значению, причем положительный потенциал приложен к клемме 3. В этот момент на управляющие электроды вентиля 8 от блока 17 поступает отпирающий импульс. Вентиль 8 открывается и начинается заряд конденсатора 10 (фиг.8) по цепи: клемма 3 - конденсатор 11 - вентиль 8 - конденсатор 10 - клемма 1 - клемма 3. При этом к конденсатору 10 прикладывается суммарное напряжение источника и заряженного конденсатора 11. Через 210 эл. град, когда линейное напряжение между клеммами 3 и 1 станет равным амплитудному, напряжение на конденсаторе достигнет удвоенного амплитудного значения линейного напряжения источника. Затем линейное напряжение между клеммами 3 и 1 будет уменьшаться, зарядный ток прекратится и вентиль 8 закроется. Через 210 эл.град., когда линейное напряжение между клеммами 1 и 2 станет равным нулю, а затем начнет возрастать по абсолютному значению, причем положительный потенциал приложен к клемме 1, на управляющие электроды вентилей 12 и 15 от блока 17 поступают отпирающие импульсы. Вентили 12 и 15 открываются и начинается заряд дозирующего конденсатора 16 (фиг.4) по цепи: клемма 1 - конденсатор 10 - вентиль 15 - дозирующий конденсатор 16 - вентиль 12 - клемма 2 - клемма 1. При этом к обкладкам дозирующего конденсатора 16 приложено суммарное напряжение источника и заряженного конденсатора 10. Через 330 эл.град., когда линейное напряжение между клеммами 1 и 2 достигнет амплитудного значения, напряжение на обкладках дозирующего конденсатора 16 станет равным утроенному амплитудному значению линейного напряжения. Затем линейное напряжение между клеммами 1 и 2 начнет уменьшаться. Зарядный ток прекратится и вентили 12 и 15 закроются.

Через 360 эл.град. состояние схемы окажется аналогичным исходному, за исключением того, что дозирующий конденсатор 16 будет заряжен до утроенного амплитудного значения линейного напряжения. После прихода от блока 17 отпирающих импульсов на управляющие электроды вентилей 9 и 18 последние откроются и начнется заряд конденсатора 11 по цепи: клемма 2 - вентиль 18 - вентиль 9 - конденсатор 11 - клемма 3 - клемма 2. Через 450 эл.град., когда линейное напряжение между клеммами 2 и 3 станет равным амплитудному, конденсатор 11 зарядится до амплитудного значения линейного напряжения. При последующем уменьшении линейного напряжения между клеммами 2 и 3 заряда конденсатора 11 происходить не будет. Зарядный ток прекратится и вентили 9 и 18 закроются.

Через 450 эл.град. линейное напряжение между клеммами 3 и 1 станет равным нулю и начнет возрастать по абсолютному значению, причем положительный потенциал приложен к клемме 3. В этот момент на управляющий электрод вентиля 8 от блока 17 поступает отпирающий импульс. Вентиль 8 открывается, и начинается заряд конденсатора 10 по цепи: клемма 3 - конденсатор 11 - вентиль 8 - конденсатор 10 - клемма 1 - клемма 3. При этом к обкладкам конденсатора 10 приложено суммарное напряжение источника и заряженного конденсатора 11. Через 570 эл.град., когда линейное напряжение между клеммами 3 и 1 станет равным амплитудному значению, напряжение на обкладках конденсатора 10 достигнет удвоенного амплитудного значения линейного напряжения. При последующем уменьшении линейного напряжения между клеммами 3 и 1 заряда конденсатора 10 происходить не будет. Зарядный ток прервется и вентиль 8 закроется.

Через 600 эл.град. линейное напряжение между клеммами 1 и 2 станет равным нулю и затем начнет возрастать по абсолютному значению, причем положительный потенциал приложен к клемме 1. В этот момент на управляющие электроды вентилей 14 и 13 от блока 17 поступают отпирающие импульсы. Вентили 13 и 14 открываются и начинается заряд накопительного конденсатора 7 (фиг.5) по цепи: клемма 1 - конденсатор 10 - вентиль 14 - дозирующий конденсатор 16 - положительная шина 5 - накопительный конденсатор 7 - отрицательная шина 6 - вентиль 13 - клемма 2- клемма 1. При этом к обкладкам накопительного конденсатора 7 прикладывается суммарное напряжение источника и заряженных конденсаторов 10 и 16. Когда напряжение на накопительном конденсаторе 7 станет равным суммарному напряжению, прикладываемому к его обкладкам, заряд накопительного конденсатора 7 прекращается. Вентили 13 и 14 закроются. На этом зарядный цикл заканчивается. Через 720 эл.град. начнется новый зарядный цикл, и все процессы, описанные выше, повторятся.

Процесс заряда накопительного конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет за много периодов изменения напряжения ТИПТ, значения, равного 6U_тл или 10,38 U_тф. Затем заряженный накопительный конденсатор 7 разряжается во внешнюю цепь, после чего начинается следующий этап заряда.

В связи с тем, что действующее в лаборатории устройство для заряда накопителя, спроектированное и изготовленное согласно авт.свид. N 911690, характеризуется лучшими удельными энергетическими и массогабаритными показателями среди известных устройств аналогичного назначения, это действующее устройство [3] принимается и за базовый объект данного изобретения.

Технико-экономические преимущества предлагаемой системе перед базовым объектом-прототипом вытекают из следующего. Обе системы содержат одинаковое число элементов - вентилей и конденсаторов, но коэффициент умножения напряжения в прототипе составляет 8,8 U_тф, а в предлагаемой системе 10,38 U_тф, т. е. на 18% больше. Это позволяет увеличить количество энергии, запасаемой в накопительном конденсаторе на 40% больше, чем в прототипе, при прочих равных условиях.

Таким образом, изменение схемы включения отдельных элементов, т.е. подключение зарядного тиристора анодом к второй выходной клемме и точке соединения катодов вентилей одной вентильной цепочки, а катодом - к аноду первого вентиля упомянутой цепочки и к аноду вентиля второй вентильно-конденсаторной цепочки, а также к катоду первого вентиля другой вентильной цепочки непосредственно, а к катоду второго вентиля этой цепочки и к положительной шине - через дозирующий конденсатор и соединение отрицательной шины с анодом второго вентиля одной вентильной цепочки, и подключение анода вентиля первой вентильно-конденсаторной цепочки к катоду вентиля второй вентильно-конденсаторной цепочки, тогда как его катод связан с точкой соединения анодов вентилей другой вентильной цепочки, приводит к увеличению напряжения на 18%, а запасаемой энергии - на 40%. Это в свою очередь приводит к уменьшению удельных массогабаритных показателей системы по напряжению на 18%, а по энергии - на 40%.