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Questo sistema presenta tuttavia l'inconveniente che alla grande capacità di accumulo dell’energia dei supercondensatori, si accoppia però una tensione molto limitata (qualche centinaio di volt) anche nel caso di moltissime celle in serie, ed una limitata corrente massima (sia efficace che di picco).
However, this system has the drawback, however, that the large capacity of storing energy of the supercapacitors is coupled with a very limited voltage (a few hundred volts) even in the case of a very large number of cells in series, and a limited maximum current (both effective and peak).
Pertanto l’impiego di supercondensatori, pur permettendo di ottenere elevate correnti per lunghi periodi, non permette comunque di ottenere elevate derivate di corrente su carichi con induttanza significativa.
For this reason, the use of supercapacitors, whilst allowing high currents to be obtained for long periods, does not allow high current derivatives to be obtained on loads with significant inductance.
Infine la corrente alternata ammissibile nei supercondensatori è fortemente dipendente dalla frequenza, e si riduce all’aumentare della frequenza, per cui è necessario interporre tra frazionatori o inverter e supercondensatori un adeguato filtro passa-basso.
Lastly, the permissible alternating current in the supercapacitors is strongly dependent on the frequency, and it reduces with the increase in the frequency beyond a few Hz, so it is necessary to interpose an adequate low-pass filter between splitters or inverters and supercapacitors.
Lo scopo della presente invenzione è quello di fornire un generatore di impulsi di corrente per carichi ohmico-induttivi che sia in grado di fornire un impulso iniziale di corrente che raggiunge il massimo valore in un tempo ridottissimo e successivamente un impulso di maggiore durata con corrente "di regime" sostanzialmente costante, quindi che non determini una diminuzione della tensione ai capi del carico medesimo.
The aim of this invention is to provide a current pulse generator for ohmic-inductive loads which is able to provide an initial current pulse which reaches the maximum value in an extremely short period of time and subsequently a pulse of greater duration with substantially constant "steady state" current, which does not, therefore, determine a decrease in the voltage at the terminals of the load itself.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quella di fornire un generatore di impulsi con il quale sia possibile effettuare un recupero almeno parziale dell'energia immagazzinata nel carico ohmico-induttivo, al fine di riutilizzarla per alimentare il carico medesimo.
A further aim of this invention is to provide a pulse generator with which it is possible to carry out a recovery, at least partial, of the energy stored in the ohmic-inductive load, in order to reuse it for supplying the load itself.
E' anche uno scopo della presente invenzione quello di realizzare un circuito per il generatore anzidetto, nel quale siano impediti effetti negativi determinati da eventuali componenti alternate prodotte da tale circuito in conseguenza di una regolazione del tipo PWM.
An aim of this invention is also to provide a circuit for the above-mentioned generator in which are prevented negative effects determined by any alternating components produced by this circuit as a result of an adjustment of the PWM type.
Il circuito di figura 1comprende un modulo di alimentazione 1 previsto per a fornire inizialmente una tensione V1 ad impulsi di durata ∆t ai capi di un carico ohmico-induttivo LR.
The circuit of Figure 1 comprises a power supply module 1 designed to provide initially a pulse voltage V1 with a duration Δt at the terminals of an ohmic-inductive load LR.
Successivamente, il modulo di alimentazione 1 deve fornire una tensione Vc sostanzialmente costante prevista per il mantenimento di una corrente I costante di regime attraverso il carico LR per periodi di tempo assai più lunghi.
Subsequently, the power supply module 1 must provide a substantially constant voltage Vc provided for maintaining a constant steady state current I through the load LR for much longer periods of time.
A tal fine, il modulo di alimentazione 1 comprende un modulo capacitivo MC nel quale uno o più condensatori primari, indicati complessivamente con C1, vengono caricati da un primo generatore G1 che eroga la tensione desiderata V1.
For this purpose, the power supply module 1 comprises a capacitive module MC in which one or more primary capacitors, indicated in its entirety by C1, are charged by a first generator G1 which delivers the desired voltage V1.
Si deve notare che il tempo di carica del condensatore C1 dipende unicamente dal valore della sua capacità e non dalla tensione di carica e dalla corrente I. Il condensatore C1 può essere preferibilmente realizzato con più condensatori in parallelo, che vengono inseriti o disinseriti a vuoto tramite idonei sezionatori.
The capacitor C1 can be preferably made with several capacitors in parallel, which are inserted or removed off-load by suitable circuit breakers.
Applicando la tensione ai capi del condensatore C1 al carico ohmico induttivo LR, l'elevata tensione che si trova immediatamente ad insistere sul carico provoca un impulso di corrente I con gradiente estremamente ripido, che si porta rapidamente al valore desiderato o necessario.
By applying the voltage at the terminals of the capacitor C1 to the ohmic-inductive load LR, the high voltage which is immediately applied on the load causes a current pulse I with extremely steep gradient, which moves rapidly to the desired or necessary value.
Nel seguito si farà spesso riferimento ad un solo condensatore primario C1, ma resta inteso che ad esso può in realtà corrispondere una batteria di condensatori in parallelo, al fine di ottenere la capacità adeguata all'energia che si deve immagazzinare.
In practice, the initial current pulse requested is provided with the use of a capacitor C1, or, rather, capacitors, charged to a voltage value adequate for the inductance L of the charge and the derivative of the desired current I. Reference will often be made below to a single primary capacitor C1, but it is understood that it may in reality correspond to a battery of capacitors in parallel, in order to obtain the capacity adequate to the energy which must be stored.
La relazione tra le grandezze in gioco è data dalle seguenti formule: C V2>LI2 e ∆t ≥ T/4 = π/2 ( L C)1/2 La prima esprime il fatto che l'energia nel condensatore C1 deve essere più alta dell'energia nell'induttanza L alla corrente di regime.
The relationship between the quantities in play is given by the following formulae: C V 2 > LI 2and Δt ≥ T / 4 = π / 2 LC 1 / 2 The first expresses the fact that the energy in the capacitor C1 must be higher than the energy in the inductance L at the steady state current.
La seconda formula mette in relazione i valori della capacità del condensatore principale C1 e l'induttanza del carico affinché il trasferimento di energia dal condensatore principale all'induttore avvenga in un tempo ∆t non superiore a quello desiderato.Infatti, la capacità del circuito risultante (in pratica C1) determina, insieme all’induttanza del carico, il tempo di scarica del condensatore C1 e quello di eventuale ricarica a recupero a fine impulso.
The second formula puts in relation the values of the capacity of the main capacitor C1 and the inductance of the load so that the transfer of energy from the main capacitor to the inductor occurs in a time Δt which is not greater than that desired.
Ne consegue che: V > I (L/C)1/2 e C≤(2∆t /π)2/ L Così, ad esempio, se il carico è costituito da un induttore con induttanza L = 0,5 mH, e resistenza R= 4 mΩ,conuna corrente desiderata I= 25 kA e per un tempo dell'impulso iniziale ∆t = 10ms, si ottieneC ≤ 80 mF.
It follows that: V > I L / C 1 / 2and C ≤ 2 Δτ / π 2 / L Thus, for example, if the load consists of an inductor with inductance L = 0.5 mH, and resistance R = 4 mΩ, with a desired current I = 25 kA and for an initial pulse time Δt = 10ms, C ≤ 80 mF is obtained.
Se si sceglie un condensatore SC1 da 50mF si ha V >2500 V, col che la derivata della corrente I iniziale risulta di 5 A/µs.
If a capacitor SC1 of 50mF is selected, V >2500 V, resulting in the derivative of the initial current I being 5 A/µs.
L'energia nel condensatore Crisulta quindi di 160 kJ circa.
The energy in the capacitor C is therefore approximately 160 kJ.
Il modulo capacitivo MC deve anche rendere disponibile tutta l’energia necessaria a far circolare una corrente I attraverso il carico ohmico-induttivo LR per un tempo desiderato (molto più lungo di ∆t), applicando ovviamente una tensione di lavoro costante Ve più elevata della tensione Vc = R *I necessaria.
The capacitive module MC must also provide the entire energy needed to circulate a current I through the ohmic-inductive load LR for a desired time (much longer than Δt), applying obviously a constant operating voltage Ve which is higher than the voltage Vc = R * I necessary.
In dettaglio, il modulo capacitivo MC contiene, oltre ad altri componenti, uno o più condensatori secondari SC1, spesso indicati nel seguito con "condensatore secondario" o supercondensatore, per semplicità, ad alta capacità, collegati in parallelo, e caricati da un secondo generatore G2 che fornisce la tensione Ve.
More in detail, the capacitive module MC contains, as well as other components, one or more secondary capacitors SC1, often indicated below with the term "secondary capacitor" or supercapacitor, for simplicity, with a high capacity, connected in parallel, and charged by a second generator G2 which supplies the voltage Ve.
La funzione del condensatore secondario o supercondensatore SC1 è quella di fornire tensione con continuità per l'impulso successivo a quello iniziale e di maggiore durata.
The function of the secondary capacitor or supercapacitor SC1 is to provide the voltage continuously for the pulse after the initial one and with a greater duration.
La tensione Ve è inferiore alla tensione V1 e per impedire che il condensatore primario C1 si scarichi sul supercondensatore SC1, tra i terminali positivi di essi si trova interposto un diodo DS, in antiserie al condensatore primario C1.
The voltage Ve is less than the voltage V1 and to prevent that the primary capacitor C1 discharges on the supercapacitor SC1, between the positive terminals of them there is interposed a diode DS, in series with the primary capacitor C1.
A tal fine, il diodo DS ha tensione di blocco inverso VRRM > V1.
For this purpose, the diode DS has reverse blocking voltage VRRM > V1.
Per poter mantenere la tensione Vc applicata al carico costante nel tempo, la tensione Ve è stata fissata ad un valore maggiore della tensione Vc e tra il carico ed il modulo capacitivo MC è stato inserito un modulo di regolazione MR che è in grado di eseguire un frazionamento della tensione Ve erogata dal modulo capacitivo MC.
In order to maintain the voltage Vc applied to the load constantly over time, the voltage Ve has been fixed to a value greater than the voltage Vc and a regulating module MR has been inserted between the load and the capacitive module MC which is able to split the voltage Ve supplied by the capacitive module MC.
Vantaggiosamente, il modulo capacitivo MC è contenuto all'interno del modulo di alimentazione 1 ed assieme al modulo di regolazione MR si integrano in un unico circuito elettronico.
Advantageously, the capacitive module MC is contained inside the power supply module 1 and together with the regulation module MR they are integrated in a single electronic circuit.
Il metodo utilizzato per frazionare la tensione è quello di erogarla ad impulsi ad elevata frequenza (da diverse centinaia di Hz ad alcuni kHz) e, all’occorrenza, modulabile in ampiezza e /o in frequenza (PWM).L'ampiezza degli impulsi viene aumentata via via che la tensione ai capi del supercondensatore SC1 tende a diminuire, in modo che nell'unità di tempo la tensione Vc media applicata al carico risulti costante, come pure la corrente I che attraversa il carico LR.
The method used for splitting the voltage is that of supplying it in high frequency pulses (from several hundreds of Hz to a few kHz) and, if necessary, which can be modulated in amplitude and/or frequency (PWM).
Per l'alimentazione della tensione Vc successiva all'impulso iniziale si richiede una potenza P > RI2, che rappresenta la potenza nominale dissipata dal carico LR in condizioni di regime.
Supplying the subsequent voltage Vc to the initial pulse requires a power P > RI2, which represents the nominal power dissipated by the load LR under steady-state conditions.
Nel nostro esempio per mantenere la corrente a 25kA occorre una tensione non inferiore a 100 V ovvero una potenza P > 2,5 MW, ad esempio per 4 secondi (quindi un'energia complessiva di 10 MJ).
In our example, in order to keep the current at 25kA a voltage of not less than 100 V is necessary, that is to say, a power P > 2.5 mW, for example for 4 seconds (thus a total energy of 10 MJ).
Il sistema di supercondensatori in parallelo è, in questo specifico caso, caratterizzato da tensioni di lavoro non superiori a 170 V e correnti dell'ordine del kA per ciascun supercondensatore.
The system of supercapacitors in parallel is, in this specific case, characterised by operating voltages of not greater than 170 V and currents in the order of kA for each supercapacitor.
Il modulo di regolazione MR è costituito da un frazionatore elettronico, meglio noto come Chopper CH, nel presente caso a due quadranti.
The regulating module MR consists of an electronic splitter, better known as a Chopper CH, in this case with two quadrants.
Il Chopper CH permette di regolare il valore della tensione Ve fornita dal modulo capacitivo MC applicando ai capi del carico LR una tensione costante Vc, ottenendo questo risultato variando il fattore di intermittenza (indicato come duty cycle) in misura inversamente corrispondente alla diminuzione della tensione Ve fornita dal modulo capacitivo MC stesso, causata dell'erogazione di energia da parte di quest'ultimo.
The Chopper CH allows regulation of the value of the voltage Ve supplied by the capacitive module MC applying at the terminals of the load LR a constant voltage Vc, obtaining this result by varying the intermittence factor (referred to as duty cycle) inversely corresponding to the reduction of the voltage Ve supplied by the capacitive module MC, caused by the dispensing of energy by the latter.
In dettaglio, il Chopper CH a due quadranti comprende due interruttori a semiconduttori S1, S2 e due diodi D1, D2 collegati alternativamente in serie tra i terminali del carico LR e quelli del modulo di alimentazione 1.
More in detail, the Chopper CH with two quadrants comprises two semiconductor switches S1, S2 and two diodes D1, D2 connected alternately in series between the terminals of the load LR and those of the power supply module 1.
Il funzionamento del generatore avviene come nel seguito illustrato.
The operation of the generator is performed as illustrated below.
Abilitando i due interruttori a semiconduttori S1 ed S2, il condensatore C1, precedentemente caricato dal primo generatore G1, trasferisce la sua energia all'induttore L (a meno delle perdite dissipative), scaricandosi.
By enabling the two semiconductor switches S1 and S2, the capacitor C1, previously charged by the first generator G1, transfers its energy to the inductor L (except for the dissipative losses), which are discharged.
Come già detto in precedenza, l'impulso di tensione provoca una corrente I con un fronte di salita ripidissimo, che raggiunge un predeterminato valore nel tempo richiesto e lo mantiene per pochi millisecondi.
As already mentioned, the voltage pulse causes a current I with an extremely steep rise, which reaches a predetermined value in the time required and holds it for a few milliseconds.
Quando la corrente nel carico raggiunge il valore desiderato, al termine dell'intervallo di tempo di durata ∆t, la tensione su C1 è ormai prossima al valore di Ve, e tenderebbe a zero, ed anche ad invertirsi per effetto del riflusso della corrente dovuta all'energia immagazzinata nel circuito induttivo del carico.
When the current in the load reaches the desired value, at the end of the interval time of duration Δt, the voltage on C1 is now close to the value of Ve, and it would tend to zero, and also reverse due to the effect of the reflow of the current due to the energy stored in the inductive circuit of the load.
Il diodo DS a questo punto entra in conduzione e, agganciando la tensione ai capi di C1 a quella Ve dei supercondensatori SC1, di fatto blocca il deflusso della corrente I da C1 verso il carico..
The diode DS at this point enters into conduction and, coupling the voltage at the terminals of C1 to Ve of the supercapacitors SC1, in effect locks the outflow of the current I from C1 towards the load.
Invece, la corrente del carico proveniente da C1 viene quasi totalmente trasferita ai supercondensatori SC1.
On the other hand, the current of the load coming from C1 is almost completely transferred to the supercapacitors SC1.
Come spiegato in precedenza, i tempi di attivazione dei due interruttori a semiconduttore S1 ed S2 viene controllato in modo da determinare il frazionamento della tensione Ve, e la tensione ai capi del carico LR viene mantenuta costante, come pure la corrente I che lo attraversa.
As explained above, the activation times of the two semiconductor switches S1 and S2 is controlled in such a way as to determine the splitting of the voltage Ve, and the voltage at the terminals of the load LR is kept constant, as well as the current I passing through it.
In pratica, il valore della corrente I viene regolato al valore richiesto variando il fattore di intermittenza dei due interruttori a semiconduttore S1 ed S2 e variando di conseguenza il valore medio della tensione Vc applicato al carico LR.
In practice, the value of the current I is adjusted to the requested value by varying the intermittence factor of the two semiconductor switches S1 and S2 and varying, consequently, the average value of the voltage Vc applied to the load LR.
Al termine dell'impulso i due interruttori S1 ed S2 vengono disabilitati.
At the end of the pulse the two switches S1 and S2 are disabled.
La corrente nel carico non può che rifluire verso il condensatore primario C1 attraverso i diodi D1 e D2, i quali consentono il riflusso della corrente I verso il condensatore C1, recuperando in tal modo parte dell'energia precedentemente fornita al carico LR.
The current in the load must flow towards the primary capacitor C1 through the diodes D1 and D2, which allow the reflow of the current I towards the capacitor C1, recovering in this way part of the energy previously supplied to the load LR.
L'energia magnetica nell'induttanza L viene in tal modo recuperata nel condensatore primario C1, la cui tensione risale a valori prossimi a quelli iniziali (cioè a V1).
The magnetic energy in the inductance L is thus recovered in the primary capacitor C1, the voltage of which increases to values close to the initial values (that is to say, to V1).
Gli interruttori a semiconduttore del Chopper S1, S2 hanno una tensione di interdizione VDRM sempre > di V1, come pure i diodi D1, D2.
The semiconductor switches of the Chopper S1, S2 have an inhibiting voltage VDRM always > V1, as well as the diodes D1, D2 and DS.
Entrambi i generatori primo G1 e secondo G2 sono disaccoppiati dal condensatore primario C1 e dai supercondensatori SC1 mediante resistenze R1, R2 o tramite altri componenti.
Both the first G1 and second G2 generators are uncoupled from the capacitor C1 and from the supercapacitors SC1 by resistors R1, R2 or by other components.
Nel tempo di interdizione degli interruttori a semiconduttore S1, S2, il secondo generatore G2 effettua la ricarica dei supercondensatori SC1.
During the time of inhibiting the semiconductor switches S1, S2, the second generator G2 performs the recharging of supercapacitors SC1.
Inoltre, poiché tra un impulso e l'altro intercorrono in generale diversi minuti, la potenza richiesta ai generatori primo G1 e secondo G2 per ricaricare il condensatore primario C1 e i supercondensatori SC1 è generalmente molto limitata.
Moreover, since between one pulse and the other there is in general several minutes, the power requested from the first G1 and second G2 generators to recharge the primary capacitor C1 and the supercapacitors SC1 is generally very limited.
Tale interfaccia utente 16 comprende un corpo scatolare 17 sul quale è ricavato un monitor 18, ad esempio un monitor 18 di tipo touchscreen, mediante il quale si potranno inserire e visualizzare dati relativi alla raccolta di fluido ematico ed in generale relativi al funzionamento dell’apparato 10.
The user interface 16comprises a box-like body 17on which a monitor 18is made, for example a touchscreen monitor 18, by means of which it is possible to insert and display data relating to the collection of hematic fluid and in general relating to the functioning of the apparatus 10.
In alternativa al monitor 18 di tipo touchscreen, è possibile prevedere un’interfaccia utente 16 provvista di elementi di visualizzazione e di inserimento dati distinti, ad esempio un display ed una serie di tasti.
As an alternative to the touchscreen monitor 18, a user interface 16can be provided with separate data display and input elements such as a display and a series of keys.
Tale interfaccia utente 16 alloggerà al proprio interno una scheda di controllo.
The user interface 16will accommodate a control board inside it.
L’interfaccia utente 16 può inoltre essere provvista di una porta USB 19 o simili, per il collegamento con altri dispositivi, ad esempio dispositivi di memorizzazione dati, unità di elaborazione dati o altro.
The user interface 16can also be provided with a USB port 19or suchlike, for connection to other devices, for example data storage devices, data processors, or suchlike.
Tale porta USB 19, o simili, potrà essere disposta anche in una qualunque altra posizione dell’apparato 10, ad esempio sul corpo principale 13.
The USB port 19, or suchlike, can also be disposed in any other position of the apparatus 10, for example on the main body 13.
Inoltre potrebbero essere previste anche una pluralità di porte USB 19, o simili.
Also, a plurality of USB ports 19or suchlike could be provided.
Nel corpo scatolare 17 dell’ interfaccia utente 16 è ricavato un foro passante 20.
A through hole 20is made in the box-like body 17of the user interface 16.
Il corpo scatolare 17 dell’interfaccia utente 16 è atto ad essere inserito, in modo amovibile e mediante tale foro passante 20, su un gruppo di supporto 2 1.
The box-like body 17of the user interface 16is able to be inserted, removably and through the through hole 20, on a support unit 21.
Sul corpo scatolare 17 può essere posizionato un indicatore luminoso atto a segnalare con colori e lampeggio lo stato operativo dell’apparato, ovvero se l’apparato è pronto per la raccolta, se il tubo è correttamente inserito, se la raccolta è in corso o è terminata, se vi sono anomalie, o altro.
A luminous indicator can be positioned on the box-like body 17able to indicate with colors and flashing lights the operating state of the apparatus, that is, if the apparatus is ready for collection, if the tube is correctly inserted, whether the collection is in progress or has ended, if there are anomalies, or other.
Tale indicatore luminoso può anche segnalare l’avvenuto corretto inserimento di tale interfaccia utente 16 nel gruppo di supporto 21.
The luminous indicator can also indicate if the user interface 16has been correctly inserted into the support unit 21.
Tale gruppo di supporto 21 è solidale al corpo principale 13 dell’apparato 10 e comprende un morsetto, o pinza di chiusura, 22, atto ad arrestare selettivamente il flusso di fluido ematico nel tubo di trasferimento.
The support unit 21is integral with the main body 13of the apparatus 10and comprises a clamp or closing gripper 22, which is able to selectively stop the flow of hematic fluid into the transfer tube.