УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА НАКОПИТЕЛЬНОГО КОНДЕНСАТОРА (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR CHARGING STORAGE CAPACITOR (VERSIONS)

Изобретение относится к электротехнике, касается вопросов «медленного» заряда емкостных накопителей электрической энергии от источника переменного тока (ИПТ) ограниченной мощности за много периодов изменения его напряжения. Эти накопители энергии широко используются для питания импульсных потребителей энергии: электрореактивных двигателей, ламп накачки оптических квантовых генераторов и других мощных потребителей энергии.
-3
-6
6
6
9
15
Во многих областях современной техники требуются мощные импульсы длительностью 10÷10 с с энергией в импульсе порядка 10 Дж и напряжением до 10 В, т.е. мощность такого импульса будет находиться в диапазоне 10÷10 Вт. Получение импульсов с такими характеристиками от источников ограниченной мощности возможно только путем накопления энергии в течении определенного отрезка времени (более длительного, чем сам импульс). Для этой цели используются емкостные накопители энергии.
Электрические схемы предлагаемых устройств изображены на фиг.1-5.
Известно устройство для заряда емкостного накопителя электрической энергии от источника постоянного напряжения через токоограничивающий резистор, включенный с ним последовательно в цепь заряда между источником и накопителем по схеме фиг.6 [1, 60 с].
Недостатками такого устройства являются крайне низкий коэффициент полезного действия (кпд), не превышающий 0,5, и низкие удельные энергетические показатели. Это вызвано тем, что избыточная энергия источника питания гасится на балластном сопротивлении токоограничивающего резистора, что существенно ухудшает удельные энергетические характеристики. Кроме того, напряжение, до которого в таких устройствах заряжается накопительный конденсатор (НК), не превышает напряжение источника постоянного тока, а получение напряжения указанного уровня представляет большую проблему.
2
При использовании для заряда НК источника переменного тока повышение напряжения можно осуществить с помощью трансформатора. Однако трансформатор, повышая напряжение в n раз (где n - коэффициент трансформации, определяемый отношением числа витков трансформатора), одновременно в n раз увеличивает внутреннее сопротивление источника, а масса трансформатора обычно соизмерима с массой ИПТ той же мощности [2, с.231].
При этом, если заряд НК осуществляется в течение одного полупериода изменения питающего напряжения, то для заряда энергоемкого накопителя потребуется ИПТ весьма большой мощности. Поэтому используются устройства так называемого «медленного» заряда НК от ИПТ - за много периодов изменения тока источника - с выпрямлением тока, ограничение тока в котором осуществляют в цепи переменного тока за счет включенного реактивного сопротивления (фиг.7) [1, 58 с].
Использование для заряда НК переменного тока с последующим его выпрямлением и включением между источником переменного тока и выпрямителем реактивного токоограничивающего сопротивления в виде дросселя или конденсатора существенно повышает не только кпд, но и коэффициент использования мощности источника. При ограничении зарядного тока реактивными двухполюсниками последние, запасая избыточную энергию источника в одном такте заряда НК, в последующем канализируют ее через источник для заряда НК. При этом потери энергии в двухполюснике сокращаются, так как они обратно пропорциональны их добротности. Добротность силовых дросселей не превышает 8÷15, а добротность конденсаторов на порядок больше, поэтому использование конденсаторов в цепях заряда НК является наиболее целесообразным. В случае ограничения тока заряда НК дозирующими конденсаторами (ДК) кпд зарядного устройства (ЗУ) возрастает до значений, близких к единице [3, 89 с].
ДК, используемые для ограничения тока заряда, одновременно могут осуществлять увеличение зарядного напряжения, т.е. умножать напряжение первичного ИПТ.
3
2
s
s
В [4, с.308-309] отмечается: «умножители напряжения не только позволяют получить ряд выходных напряжений, отличающихся друг от друга почти в целое число раз, при наличии одного ИПТ, но и позволяют сделать это при использовании малогабаритных и недорогих деталей с низкими номинальными напряжениями… Поскольку выходное сопротивление умножителя пропорционально n, увеличение напряжения источника даже в 2 раза, а затем умножение его до требуемого уровня приведет к уменьшению выходного сопротивления почти в 8 раз». В качестве примера вентильно-конденсаторного выпрямителя-умножителя напряжения (ВКВУН) автор рассматривает каскадный умножитель напряжения по схеме Кокрофта-Уолтона, образованный 4 конденсаторами и 4 диодами, обеспечивающим повышение зарядного напряжения практически в 4 раза. Там же отмечается, что учетверитель напряжения по схеме Кокрофта-Уолтона широко применяется в устройствах электроники, в том числе для получения мощности 40 Вт при напряжении 200 кВ. Емкость конденсаторов ВКВУН в ступенях умножения напряжения выбирают С1>С2>С3>…>C и часто определяют исходя из соотношения CS=const, где s - номер ступени, что обеспечивает одинаковую энергию в ступенях умножения [5, 61 с]. Так, при упятирении напряжения емкости ВКВУН С1:С2:С3:С4:С5=25:6,25:2,78:1,56:1. Число ступеней умножения напряжения обычно не превышает двух-четырех. Именно такие ВКВУН широко используют и для заряда НК.
Технически решения выполнения ВКВУН для заряда НК охвачены единством изобретательского замысла, связанного с обеспечением их работы как от однофазных, так и различных вариантов трехфазных ИПТ. Технические решения по пп.1-2 формулы изобретения рассматривают ВКВУН при их питании от однофазного, а по пп.3-5 - различных вариантов трехфазных ИПТ.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению по п.1 и 2 является устройство для заряда накопительного конденсатора (схема на фиг.8) [1, 60 с], содержащее два входных вывода (1 и 2) для подключения источника переменного тока, положительный (3) и отрицательный (4) выходные выводы для подключения заряжаемого накопительного конденсатора (5), а также вентильно-конденсаторный выпрямитель-учетверитель напряжения (6), образованный тремя дозирующими конденсаторами (7, 8, 9) и цепочкой из четырех соединенных последовательно-согласно вентилей (10, 11, 12, 13), катод первого вентиля (10) которой образует положительный (3), анод четвертого вентиля (13) - отрицательный выходной (4) выводы, первый дозирующий конденсатор (7) одной обкладкой подключен к точке соединения первого (10) и второго (11) вентилей, а его вторая обкладка подключена к точке соединения третьего (12) и четвертого (13) вентилей, второй дозирующий конденсатор (8) одной обкладкой подключен к точке соединения второго (11) и третьего (12) вентилей непосредственно и через третий дозирующий конденсатор (9) - к отрицательному выходному выводу (4) [1, 60 с].
Существенным недостатком этого класса ВКВУН является большое ограничение начального тока заряда НК (при подключении его к ИПТ полностью разряженным) двумя конденсаторами (14 и 7). Это, увеличивая вдвое сопротивление зарядной цепи, вдвое же уменьшает ток заряда, соответственно уменьшая скорость заряда НК. Такие ЗУ имеют линейно-падающую вольтамперную характеристику, что указывает на недостаточно полное использование мощности источника, в результате чего масса и габариты последнего более чем в два раза превышают среднезарядную мощность накопителя. Кроме того, количество ДК в этой схеме несколько завышено.
m
m
Электрическая схема этого устройства, т.е. схема Кокрофта-Уолтона, образованная четырьмя ДК и четырьмя вентилями, принадлежит к классу каскадных схем, в которых осуществляется последовательный заряд ДК. При этом НК подключается параллельно всем ДК, соединенным последовательно и образующим нижнюю или верхнюю ветви каскадной схемы. В данном случае конденсаторами 8 и 9, заряжаемыми до напряжения 2U (U - амплитудное значение напряжения ИПТ). Последовательное соединение ДК 8 и 9 вдвое увеличивает сопротивление зарядной цепи, т.е. вдвое уменьшает ток заряда и скорость заряда НК. Емкость ДК в ступенях умножения выбирают из условия обеспечения одинаковой энергии, передаваемой из одной ступени в другую. При этом для того, чтобы зарядить ДК последней ступени, поступающая в него энергия трижды проходит через источник, что также снижает кпд устройства. Кроме того, количество ДК в этой схеме соответствует значению коэффициента умножения. Все это ухудшает удельные энергетические и массогабаритные показатели устройства в целом.
Целью изобретения по п.1 и 2 формулы изобретения является улучшение технико-экономических показателей, т.е. улучшение их удельных энергетических показателей путем увеличения скорости передачи энергии из источника в накопитель и сокращение массы устройства.
Поставленная цель по пункту 1 формулы изобретения (схема на фиг.1) достигается тем, что устройство содержит два входных вывода (1 и 2) для подключения источника переменного тока, положительный (3) и отрицательный (4) выходные выводы для подключения заряжаемого накопительного конденсатора (5), а также вентильно-конденсаторный выпрямитель-учетверитель напряжения (6), образованный тремя дозирующими конденсаторами (7, 8, 9) и цепочкой из четырех соединенных последовательно-согласно вентилей (10, 11, 12, 13), катод первого вентиля (10) которой образует положительный (3), анод четвертого вентиля (13) - отрицательный (4) выходной выводы, первый дозирующий конденсатор (7) одной обкладкой подключен к точке соединения первого (10) и второго (11) вентилей, а его вторая обкладка подключена к точке соединения третьего (12) и четвертого (13) вентилей, второй дозирующий конденсатор (8) одной обкладкой подключен к точке соединения второго (11) и третьего (12) вентилей непосредственно и через третий дозирующий конденсатор (9) - к отрицательному выходному выводу (4), точка соединения третьего (12) и четвертого (13) вентилей образует первый входной вывод (1), при этом вывод другой обкладки второго дозирующего конденсатора (8) образует второй входной вывод (2) устройства.
Поставленная цель по пункту 2 формулы изобретения (схема на фиг.2) достигается тем, что устройство для заряда НК содержит два входных вывода (1 и 2) для подключения источника переменного тока, положительный (3) и отрицательный (4) выходные выводы для подключения заряжаемого накопительного конденсатора (5), а также вентильно-конденсаторный выпрямитель-учетверитель напряжения (6), образованный тремя дозирующими конденсаторами (7, 8, 9) и цепочкой из четырех соединенных последовательно-согласно вентилей (10, 11, 12 и 13), катод первого вентиля (10) которой образует положительный (3), анод четвертого вентиля (13) - отрицательный (4) выходной выводы, первый дозирующий конденсатор (7) одной обкладкой подключен к точке соединения первого (10) и второго (11) вентилей, а его вторая обкладка подключена к точке соединения третьего (12) и четвертого (13) вентилей, второй дозирующий конденсатор (8) одной обкладкой подключен к точке соединения второго (11) и третьего (12) вентилей непосредственно, третий дозирующий конденсатор (9) одной обкладкой подключен к отрицательному выходному выводу (4), при этом точка соединения третьего (12) и четвертого (13) вентилей образует первый входной вывод (1), а вывод другой обкладки второго дозирующего конденсатора (8) образует второй входной вывод (2) устройства, к которому подключена вторая обкладка третьего дозирующего конденсатора (9).
Генерирование, передача, распределение и потребление электрической энергии в промышленности осуществляется от трехфазного ИПТ (ТИПТ). Так как силовые потребители, питающиеся от одной фазы ТИПТ, создают перекос токов/напряжений в трехфазной сети, заряд НК, питающего мощную импульсную нагрузку, целесообразно производить от всех трех фаз.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению по пп.3-5 формулы изобретения является устройство для заряда НК (схема на фиг.8) [1, 60 с], содержащее два входных вывода (1 и 2) для подключения ИПТ, положительный (3) и отрицательный (4) выходные выводы для подключения заряжаемого НК (5), а также вентильно-конденсаторный выпрямитель-учетверитель напряжения (6), образованный четырьмя токоограничивающими дозирующими конденсаторами (7, 8, 9, 14) и цепочкой из четырех соединенных последовательно-согласно вентилей (10, 11, 12, 13), катод первого вентиля (10) которой образует положительный (3) выходной вывод, первый дозирующий конденсатор (7) подключен одной обкладкой к точке соединения первого (10) и второго (11) вентилей, а другой обкладкой - к точке соединения третьего (12) и четвертого (13) вентилей, второй дозирующий конденсатор (8) подключен одной обкладкой к точке соединения второго (11) и третьего (12) вентилей, третий дозирующий конденсатор (9) одной обкладкой подключен к катоду третьего (12) вентиля, а его вторая обкладка - к аноду четвертого (13) вентиля.
Существенным недостатком таких ВКВУН является большое ограничение начального зарядного тока НК (при подключении его полностью разряженным) двумя конденсаторами (7 и 14), что уменьшает ток заряда, а следовательно, и скорость заряда. Кроме того, питание такого устройства осуществляется от одной фазы ТИПТ, что создает перекос токов и напряжений в трехфазной сети и ухудшает качество электрической энергии у других потребителей, ограничивая их работоспособность.
Целью изобретения по пп.3-5 формулы изобретения является улучшение технико-экономических показателей ЗУ, т.е. улучшение их удельных энергетических показателей путем увеличения скорости передачи энергии от трехфазного источника переменного тока с различными вариантами соединения его фазных обмоток и различным числом выводов этих обмоток, а также сокращения массы устройства в целом и обеспечение одинакового отбора энергии от фаз источника.
Поставленная цель по пункту 3 формулы изобретения (схема на фиг.3) достигается тем, что устройство для заряда накопительного конденсатора генератора мощных импульсов содержит два входных вывода (1 и 2) для подключения источника переменного тока, положительный (3) и отрицательный (4) выходные выводы для подключения заряжаемого накопительного конденсатора (5), а также вентильно-конденсаторный выпрямитель-учетверитель напряжения (6), образованный четырьмя дозирующими конденсаторами (7, 8, 9, 14) и цепочкой из четырех соединенных последовательно-согласно вентилей (10, 11, 12, 13), катод первого вентиля (10) которой образует положительный (3) выходной вывод, первый дозирующий конденсатор (7) подключен одной обкладкой к точке соединения первого (10) и второго (11) вентилей, а другой обкладкой - к точке соединения третьего (12) и четвертого (13) вентилей, второй дозирующий конденсатор (8) подключен одной обкладкой к точке соединения второго (11) и третьего (12) вентилей, третий дозирующий конденсатор (9) одной обкладкой подключен к катоду третьего (12) вентиля, а его вторая обкладка - к аноду четвертого (13) вентиля, при этом при заряде от трехфазного источника переменного тока, обмотки которого разобщены, т.е. имеют шесть выводов, оно дополнительно снабжено третьим (1-2), четвертым (2-2), пятым (1-3) и шестым (2-3) входными выводами для подключения двух других фаз трехфазного источника переменного тока, пятью дозирующими конденсаторами (15, 16, 17, 18, 19) и цепочкой из соединенных последовательно - согласно пятым (20), шестым (21), седьмым (22), восьмым (23), девятым (24) и десятым (25) вентилями, катод пятого вентиля (20) которой соединен с анодом четвертого (13) вентиля, а анод десятого (25) вентиля образует отрицательный выходной (4) вывод устройства, при этом первый входной (1) вывод образует точка соединения второй обкладки первого (7) дозирующего конденсатора с катодом четвертого (13) вентиля, второй входной (2) вывод образует вывод второй обкладки второго (8) дозирующего конденсатора, одна обкладка четвертого (14) дозирующего конденсатора подключена к аноду четвертого (13) вентиля, третий входной (1-2) вывод образует точка соединения второй обкладки четвертого (14) дозирующего конденсатора с анодом шестого (21) вентиля, четвертый входной (2-2) вывод через пятый (15) дозирующий конденсатор подключен к аноду пятого (20) вентиля, шестой (16) дозирующий конденсатор шунтирует шестой (21) и седьмой (22) вентили, пятый входной (1-3) вывод подключен к аноду седьмого (22) вентиля через седьмой (17) дозирующий конденсатор, который подключен к аноду седьмого (22) вентиля и к катоду десятого (25) вентиля непосредственно, шестой входной (2-3) вывод через восьмой (18) дозирующий конденсатор подключен к аноду восьмого (23) вентиля и к одной из обкладок девятого (19) дозирующего конденсатора, вторая обкладка которого соединена с анодом десятого (25) вентиля.
Поставленная цель по пункту 4 формулы изобретения (схема на фиг.4) достигается тем, что устройство для заряда накопительного конденсатора генератора мощных импульсов, содержащее два входных вывода (1 и 2) для подключения источника переменного тока, положительный (3) и отрицательный (4) выходные выводы для подключения заряжаемого накопительного конденсатора (5), а также вентильно-конденсаторный выпрямитель-учетверитель напряжения (6), образованный тремя дозирующими конденсаторами (7, 8, 9) и цепочкой из четырех соединенных последовательно-согласно вентилей (10, 11, 12, 13), катод первого вентиля (10) которой образует положительный (3), а анод четвертого вентиля (13) - отрицательный (4) выходной выводы, первый дозирующий конденсатор (7) подключен одной обкладкой к точке соединения первого (10) и второго (11) вентилей, а другой обкладкой - к точке соединения третьего (12) и четвертого (13) вентилей, второй дозирующий конденсатор (8) подключен одной обкладкой к точке соединения второго (11) и третьего (12) вентилей непосредственно и через третий дозирующий конденсатор (9) - к отрицательному выходному выводу (4), для обеспечения заряда от трехфазного четырехпроводного ИПТ с выводом нейтрали «звезды», оно дополнительно снабжено третьим (2-2) и четвертым (2-3) входными выводами для подключения двух других фаз ТИПТ, четырьмя дозирующими конденсаторами (14, 15, 16,17) и двумя дополнительными вентильными цепочками из соединенных последовательно-согласно соответственно пятого и шестого (18, 19), седьмого и восьмого (20, 21) вентилей, катод пятого (18) вентиля первой дополнительной цепочки соединен катодом второго (11) вентиля, анод шестого вентиля (19) соединен с катодом четвертого вентиля (13) и образует первый входной (1) вывод, к которому подключен вывод нейтрали ТИПТ, второй дозирующий конденсатор (8) второй обкладкой образует второй входной (2) вывод, четвертый дозирующий конденсатор (14), одной обкладкой образующий третий входной вывод (2-2), другой обкладкой подключен к катоду шестого вентиля (19) и через пятый дозирующий конденсатор (15) соединен с анодом четвертого вентиля (13), катод седьмого вентиля (20) второй дополнительной вентильной цепочки подключен к аноду первого вентиля (10), анод восьмого вентиля (21) - к первому входному выводу (1), шестой дозирующий конденсатор (16), одной обкладкой образующий четвертый входной вывод (2-3), другой обкладкой подключен к катоду восьмого вентиля (21) и через седьмой дозирующий конденсатор (17) соединен с анодом четвертого вентиля (13).
Поставленная цель по пункту 5 формулы изобретения (схема на фиг.5) достигается тем, что устройство для заряда накопительного конденсатора генератора мощных импульсов, содержащее два входных вывода (1 и 2) для подключения двух выводов источника переменного тока, положительный (3) и отрицательный (4) выходные выводы для подключения заряжаемого накопительного конденсатора (5), а также вентильно-конденсаторный выпрямитель-учетверитель напряжения (6), образованный тремя дозирующими конденсаторами (7, 8, 9) и цепочкой из четырех соединенных последовательно-согласно вентилей (10, 11, 12, 13), катод первого вентиля (10) которой образует положительный (3), а анод четвертого (13) вентиля - отрицательный (4) выходной выводы, первый дозирующий конденсатор (7) подключен одной обкладкой к точке соединения первого (10) и второго (11) вентилей, а другой обкладкой - к точке соединения третьего (12) и четвертого (13) вентилей, второй дозирующий конденсатор (8) подключен одной обкладкой к точке соединения второго (11) и третьего (12) вентилей непосредственно и через третий дозирующий конденсатор (9) - к отрицательному (4) выходному выводу, при этом при заряде от трехфазного трехпроводного ТИПТ, обмотки которого соединены в треугольник или «звездой» с изолированной нейтралью, оно дополнительно снабжено третьим (2-2) входным выводом для подключения третьего вывода упомянутого источника, двумя дозирующими конденсаторами (14 и 15) и цепочкой из соединенных последовательно-согласно пятым (16) и шестым (17) вентилями, катод пятого (16) вентиля которой соединен с анодом первого (10) вентиля, анод шестого (17) вентиля - с катодом четвертого (13) вентиля и образуют первый входной вывод (1), другая обкладка второго дозирующего конденсатора (8) образует второй входной вывод (2), при этом анод пятого вентиля (16) через четвертый дозирующий конденсатор (14) подключен к третьему входному выводу (2-2) и через пятый дозирующий конденсатор (15) - к отрицательному выходному выводу (4) устройства непосредственно.
В литературе, посвященной исследованию процессов заряда НК [1, 12 с.], отмечается: «Пиковое значение мощности при зарядке неизменным током в 2 раза, а при зарядке от источника неизменного напряжения через резистор в 4,88 раза больше, чем при зарядке от источника постоянной мощности».
В системах электроснабжения импульсных нагрузок с НК (при одной и той же массе НК) основную составляющую массы системы определяет масса источника электрической энергии. Масса же самого ЗУ НК значительно меньше массы источника. Масса источника электрической энергии определяется величиной его выходной (так называемой расчетной -«габаритной») мощности. Поэтому ЗУ НК, входящие в состав системы электроснабжения, должны не только ограничивать величину зарядной мощности, но и передавать энергию источника с практически постоянной скоростью, т.е. стабилизировать ее значение. Это условие автоматически требует применения ЗУ НК, выходная вольтамперная характеристика которых имеет практически гиперболический характер. При линейной вольтамперной характеристике «габаритная» мощность ИПТ практически в пять раз будет превышать среднезарядную мощность НК.
Кроме того, в [1, 13 с] отмечается, что улучшение характеристик ЗУ возможно за счет использования «специальных систем с промежуточными накопителями энергии». В ВКВУН дозирующие конденсаторы, дозируя энергию путем отбора постоянной мощности (из-за заряда их до постоянного значения напряжения), деформируют внешнюю статическую вольтамперную характеристику, приближая ее к гиперболической. При этом типовая (габаритная) мощность самого источника существенно уменьшается.
m
m
m
m
m
m
Работа ЗУ по п.1 формулы изобретения, электрическая схема которого приведена на фиг.1, происходит следующим образом. Когда на выводе 1 будет положительный потенциал, а на выводе 2 - отрицательный, будет происходить заряд ДК8 от ИПТ непосредственно - через вентиль 12. В следующем полупериоде изменения напряжения ИПТ, когда потенциал вывода 2 будет положительным, а вывода 1 отрицательным, будет происходить заряд ДК7 и ДК9 по цепям: 2-8-11-7-1-2 и 2-8-9-13-1-2. Максимальная величина напряжения, до которого могут заряжаться эти ДК, будет складываться из амплитудного значения ИПТ и ДК8, т.е. она будет равна 2U (где U - амплитудное значение напряжения ИПТ). Одновременно будет происходить заряд НК5 по цепи: 2-8-11-10-3-5-4-13-1-2. Этот процесс будет происходить, пока напряжение на НК не достигнет 2U. Кроме заряда ДК8 по цепи 1-12-8-2 будет происходить заряд НК5 по цепи 1-7-10-3-5-4-9-8-2. Далее все процессы повторяются и в конце цикла заряда, когда НК5 будет заряжен до напряжения, близкого к 4U, за период будет формироваться один зарядный импульс по цепи: 1-7-10-3-5-4-9-8-2. Таким образом, в процессе заряда НК происходит многократная реконфигурация зарядных цепей и зарядные цепи, в которых суммарное напряжение достигает в начале U, а затем 2U, перестают функционировать. В результате этого статическая вольтамперная характеристика ЗУ будет иметь характер, близкий к гиперболическому, т.е. в процессе заряда оно будет потреблять от ИПТ постоянную мощность. Это приводит к уменьшению установленной мощности ИПТ и его массогабаритных показателей. Кроме того, эти показатели улучшаются за счет того, что оно содержит не четыре, а три ДК.
m
m
m
Работа ЗУ по п.2 формулы изобретения, электрическая схема которого приведена на фиг.2, происходит следующим образом. Когда на выводе 1 будет положительный потенциал, а на выводе 2 - отрицательный, в течение первого полупериода изменения напряжения источника происходит заряд ДК8 до напряжения U по цепи: 1-12-8-2, кроме того, по цепям 1-12-11-10-3-5-4-9-2 и 1-7-10-3-5-4-9-2 будет осуществляться заряд НК. В течение второго полупериода происходит заряд ДК7 до напряжения 2U по цепи: 2-8-11-7-1 за счет суммирования напряжения ИПТ и ДК8. Кроме того, по цепи 2-8-11-10-3-5-4-13-1 будет осуществляться заряд НК. Начиная со следующего периода, изменение напряжения ИПТ по цепи 1-7-10-3-5-4-9-2 будет формироваться зарядный импульс под действием суммарного напряжения ИПТ и дозирующих конденсаторов ДК7 и 9. Максимальная величина напряжения этого зарядного импульса будет равна 4U. Промежуточные дозирующие конденсаторы 8 и 9 отбирают энергию от ИПТ со сдвигом по фазе на 180 эл. град. Это обеспечивает более равномерный отбор мощности от ИПТ.
При рассмотрении работы ЗУ по п.3 формулы изобретения, электрическая схема которого приведена на фиг.3, будем считать, что каждая фаза ИПТ, т.е. выводы (1 и 2); (1-2 и 2-2); (1-3 и 2-3) питают ячейку, состоящую из трех последовательно-согласно соединенных вентилей и трех ДК. Эти ячейки, получая напряжение от соответствующих выводов ИПТ, работают со сдвигом по фазе относительно друг друга в 120 эл. град.
mф
mф
m
mф
mф
mф
mф
mф
mф
В течение первого полупериода изменения питающего напряжения фаз ТИПТ происходит заряд ДК. При этом ДК каждой из ячеек 8, 15, 18 заряжаются до напряжения U (где U - амплитуда фазного напряжения ТИПТ), а в течение второго полупериода ДК 7 и 9, 14 и 16, 17 и 19 заряжаются до напряжения 2U. Полярность напряжения показана на фиг.3. На следующих периодах изменение питающего напряжения при очередной реконфигурации электрических цепей происходит суммирование напряжения конденсаторов, которые образуют две параллельные цепочки, каждая из которых состоит из трех последовательно-согласно соединенных конденсаторов (9, 16, 19) и (7, 14, 17). Максимальная величина напряжения в этих цепочках достигает величины 6 U. Кроме того, зарядный импульс формируется за счет суммирования фазных напряжений ТИПТ и суммы напряжений, до которых заряжаются ДК. Когда напряжение на НК достигнет 6 U, работа этих цепочек прекратится, но зарядный импульс будет формироваться в цепи, включающей фазные напряжения ТИПТ, т.е. по цепи: 19-18-(2-3)-(1-3)-17-16-15-(2-2)-(1-2)-14-9-8-2-1-7-10-3-5-4. При этом ДК 8, 15, 18 за счет разряда на конденсаторы, заряжающиеся до напряжения 2 U, перезаряжаются и поменяют свою полярность, а их напряжение будет суммироваться с напряжением других конденсаторов. Так как процессы в этих конденсаторах сдвинуты по фазе, максимальная величина их напряжения будет составлять 2 U. Кроме того, геометрическая сумма фазных напряжений также будет равна 2 U. Следовательно, НК будет заряжен до напряжения, равного 11 U.
mф
mф
Таким образом, дополнительное введение в электрическую схему прототипа пяти ДК и шести вентилей и их включение по схеме на фиг.3 позволяют осуществить заряд НК от трехфазного ИПТ с разобщенными фазными обмотками, что обеспечивает симметричную нагрузку фаз ТИПТ и исключает перекос фазных напряжений. Величина напряжения, до которого заряжается НК, будет достигать 11 U, т.е. напряжение на НК возрастает на 275%, а энергия, запасаемая в НК, на 760%. При этом расчетное напряжение на ДК не будет превосходить 2 U.
mф
mф
mф
mф
mф
mф
Работа ЗУ по п.4 формулы изобретения, электрическая схема которого приведена на фиг.4, происходит следующим образом. В течение первого полупериода изменения питающего напряжения ТИПТ происходит заряд ДК. При этом заряд ДК 8, 14, 16 происходит от соответствующего фазного напряжения ТИПТ, когда потенциал вывода 1 выше потенциалов выводов 2, 2-2, 2-3 соответственно. Когда напряжение соответствующих фаз поменяет свой знак, будет происходить суммирование напряжений фаз и соответствующих конденсаторов (8, 14 или 16), подключенных к ним, и на ДК 7, 9, 15 и 17 будут поступать зарядные импульсы со сдвигом по фазе 120 град и максимальным значением амплитуды, равным 2 U. Таким образом ДК 7, 9, 15 и 17 будут заряжены до напряжения, равного 2 U, полярность напряжения этих конденсаторов показана на фиг.4. В последующие моменты времени будут формироваться зарядные импульсы НК под действием суммы напряжений соответствующих фазных выводов ТИПТ и напряжения ДК 7 и ДК, связанных с этими фазами, т.е. по цепям 9-8-2-1-7-10-3-5-4; 15-14-(2-2)-1-7-10-3-5-4 и 17-16-(2-3)-1-7-10-3-5-4. Амплитуда напряжения этих импульсов будет зависеть от соотношения емкостей конденсаторов. Если ДК 8, 14, 16 в процессе заряда соответствующих конденсаторов 7 и 9, 7 и 15, 7 и 17 будут разряжаться до нуля, то напряжение зарядных импульсов будет составлять 5 U, если будут перезаряжаться, то больше чем 5 U. Таким образом, дополнительное введение в электрическую схему прототипа четырех дозирующих конденсаторов и четырех вентилей и их включение по схеме на фиг.4 позволяет осуществлять заряд НК от трехфазного четырехпроводного ИПТ, что обеспечивает симметричную нагрузку фаз источника и исключает перекос фаз. Величина напряжения, до которого заряжается НК, может достигать 5 U и выше, т.е. напряжение на НК возрастает на 25%, а энергия, запасаемая в НК, на 62%, при этом расчетное напряжение ДК не превосходит 2 U.
mл
mл
Работа ЗУ по п.5 формулы изобретения, электрическая схема которого приведена на фиг.5, происходит следующим образом. В течение первого полупериода изменения питающего напряжения ИПТ происходит заряд ДК 8 и 14 до амплитудного значения линейного напряжения ИПТ. Заряд происходит со сдвигом по фазе, когда потенциал ввода 1 выше, чем потенциал ввода 2 или (2-2) по цепям 1-12-8-2 и 17-14-(2-2). Когда потенциал ввода 2 будет выше потенциала ввода 1, будет происходить заряд ДК 7 и 9 до напряжения, равного 2 U, по цепям 2-8-11-7-1 и 2-8-9-13-1. Когда потенциал ввода (2-2) будет выше потенциала ввода 1, будет происходить заряд ДК 7 и 15 до напряжения 2 U по цепям (2-2)-14-16-7-1 и (2-2)-14-15-13-1. В дальнейшем эти процессы будут повторяться, но одновременно с этим будут формироваться со сдвигом по фазе два зарядных импульса тока НК по цепям 1-7-10-3-5-4-9-8-2, 1-7-10-3-5-4-15-14-(2-2). Если ДК 8 и 14 разряжаются до нуля, то максимальная величина напряжения этих импульсов будет достигать 5U. Кроме того, на начальном этапе заряда НК (до напряжения 2U) заряд НК может осуществляться непосредственно от ДК 7, 9, 15, минуя источник.
mл
mл
mл
Таким образом, дополнительное введение в электрическую схему прототипа двух дозирующих конденсаторов и двух вентилей и их включение по схеме на фиг.5 позволяет осуществлять заряд НК от трехфазного трехпроводного ИПТ. Это обеспечивает симметричную нагрузку фаз источника. Величина напряжения, до которого заряжается НК, может достигать 5 U (где U - амплитуда линейного напряжения ИПТ), т.е. 8,5 U. Максимальная величина напряжения на НК по сравнению с прототипом возрастает на 210%, а запасаемая энергия - на 440%.
mф
Рассмотренные схемотехнические решения УЗ НК позволяют осуществить бестрансформаторное повышение зарядного напряжения до 4; 5; 8,5 и 11 U. Это, снижая требования к изоляции ИПТ, обеспечивает уменьшение массы самого источника, а также снижает требования по напряжению к дозирующим конденсаторам, что уменьшает массогабаритные показатели ЗУ. Кроме того, предложенные устройства имеют вольтамперную характеристику, близкую к гиперболической, что позволяет существенно уменьшить типовую (габаритную) мощность самого источника.
Новизна предложения не следует явным образом из известного уровня техники, обеспечивает изобретательский уровень данных изобретений, которые могут быть использованы, как отмечено выше, для «медленного» заряда НК генераторов мощных импульсов, применяемых для питания оптических квантовых генераторов, импульсных электрореактивных двигателей, устройств экспериментальной физики и т.п.
mф
mф
mф
mф
Таким образом, схемотехнические решения выполнения ВКВУН для заряда НК охвачены единством изобретательского замысла, связанного с обеспечением работы ЗУ как от однофазного, так и различных вариантов трехфазных ИПТ, повышения бестрансформаторным путем зарядного напряжения НК до 4 U, 5 U, 8,5 U и 11 U, т.е. увеличения энергии, запасаемой в НК от источника ограниченной мощности на 62, 440, 760%, а также увеличение скорости передачи ее в накопитель при снижении удельных массогабаритных показателей.
Экспериментальные исследования макетов устройств для заряда НК, проведенные в лаборатории электроснабжения, подтвердили их хорошую работоспособность и реальность достижения цели изобретений.
Источники информации
1. И.В.Пентегов. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии. Киев: Наукова думка, 1982 г., 420 с.
2. Основы теории цепей. Учебник, изд. 4, Москва: Энергия, 1975 г., 752 с., ил.
3. Сенилов Г.Н. и др. Расчет и эксплуатация светотехнических импульсных установок и источников питания. Москва: Энергоатомиздат, 1989 г., 192 с., ил.
4. Справочник по полупроводниковой электронике. Под ред. Л.П.Хантера. Сокр. перевод с англ. под ред. д.т.н. С.Я.Шаца и к.т.н. И.И.Литвинова. М.: Машиностроение, 1975 г., 508 с., ил.
5. Векслер Г.Н. Электропитание спецаппаратуры, Киев: Виша школа, 1975 г., 376 с., ил.