ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО НАКОПИТЕЛЬНОГО КОНДЕНСАТОРА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в электрофизических установках с высоковольтными емкостными накопителями энергии.
Известно зарядное устройство [1], содержащее группу с двумя последовательно соединенными дозирующими конденсаторами, каждый из которых зашунтирован обратным диодом, транзисторный модуль, состоящий из двух последовательно соединенных транзисторов, каждый из которых зашунтирован обратным диодом, высоковольтный трансформатор, первичная обхотка которого через токоограничивающий дроссель включена между точками соединения дозирующих конденсаторов и транзисторов модуля, а вторичная обмотка через выпрямительный мост присоединена к накопительному конденсатору.
Недостатком известного устройства является сложность конструкции высоковольтного трансформатора и высоковольтного выпрямителя, большие емкостные токи во вторичной обмотке, снижающие выходное напряжение и КПД трансформатора [2], значительная индуктивность рассеяния, снижающая рабочую частоту зарядного устройства, что увеличивает его массу и габариты.
В качестве прототипа выбрано известное зарядное устройство накопительного конденсатора [3], содержащее группу с двумя последовательно соединенными дозирующими конденсаторами, каждый из которых зашунтирован обратным диодом, транзисторный модуль, состоящий из двух последовательно соединенных транзисторов, каждый из которых зашунтирован обратным диодом, высоковольтные трансформаторы, первичные обмотки которых через токоограничивающие дроссели включены между точками соединения дозирующих конденсаторов и транзисторов модуля, а вторичные обмотки подключены к входным клеммам выпрямителей, выходы которых соединены последовательно и подключены к накопительному конденсатору.
Недостатком прототипа является невысокая надежность вследствие увеличения выходного напряжения высоковольтных трансформаторов при коротком замыкании в цепи вторичной обмотки одного из них.
Предлагаемой полезной моделью решается задача совершенствования зарядных устройств накопительных конденсаторов, повышения их надежности.
Технический результат от использования полезной модели состоит в сохранении режима работы дозирующих конденсаторов при коротком замыкании в цепи вторичной обмотки одного из трансформаторов.
Этот технический результат достигается тем, что в зарядное устройство накопительного конденсатора, содержащего группу с двумя последовательно соединенными дозирующими конденсаторами, каждый из которых зашунтирован обратным диодом, транзисторный модуль, состоящий из двух последовательно соединенных транзисторов, каждый из которых зашунтирован обратным диодом, высоковольтные трансформаторы, первичные обмотки которых через токоограничивающие дроссели включены между точками соединения дозирующих конденсаторов и транзисторов модуля, а вторичные обмотки подключены к входным клеммам выпрямителей, выходы которых соединены последовательно и подключены к накопительному конденсатору, дополнительно введены группы дозирующих конденсаторов одинаковой емкости, так что общее число их равно числу высоковольтных трансформаторов, одни из выводов первичных обмоток которых подключены к точке соединения транзисторов модуля, а другие - через токоограничивающие дроссели - к точкам соединения дозирующих конденсаторов в каждой группе.
Введение дополнительных групп дозирующих конденсаторов одинаковой емкости при возникновении короткого замыкания в цепи вторичной обмотки одного из трансформаторов позволяет сохранить неизменным режим работы дозирующих конденсаторов других групп .В результате наибольшая амплитуда выходных напряжений трансформаторов с исправными цепями вторичных обмоток остается неизменной. Это позволяет, по сравнению с прототипом, повысить надежность работы зарядного устройства.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема зарядного устройства с двумя группами дозирующих конденсаторов, где 1, 2 - дозирующие конденсаторы первой группы, 3, 4 - дозирующие конденсаторы дополнительной группы, 5, 6, 7, 8 - обратные диоды дозирующих конденсаторов 1, 2, 3, 4, 9, 10 - транзисторы модуля, 11, 12 - обратные диоды транзисторов модуля, 13, 14 - высоковольтные трансформаторы, 15, 16 - токоограничивающие дроссели, 17, 18 - выпрямители, 19 - накопительный конденсатор.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
На фиг.2 приведены диаграммы работы зарядного устройства в начале зарядки накопительного конденсатора, а на фиг.3 - в конце зарядки. На диаграммах буквами обозначены: a, a - сигналы управления транзистором 9; б, б - сигналы управления транзистором 10; в, в - напряжения на дозирующих конденсаторах 1, 3; г, г - напряжения на дозирующих конденсаторах 2, 4; д, д - токи первичных обмоток трансформаторов 13, 14; е, е - токи коллектора транзистора 9.
Устройство содержит первую группу с двумя последовательно соединенными дозирующими конденсаторами 1, 2 и дополнительную группу последовательно соединенных дозирующих конденсаторов одинаковой емкости 3, 4, каждый из которых зашунтирован обратным диодом 5, 6 и 7, 8, транзисторный модуль, состоящий из двух последовательно соединенных транзисторов 9 и 10, каждый из которых зашунтирован обратным диодом 11, 12, два высоковольтных трансформатора 13 и 14, одни из выводов первичных обмоток которых подключены к точке соединения транзисторов модуля, а другие - через токоограничивающие дроссели 15 и 16 - к точкам соединения дозирующих конденсаторов 1, 2 и 3, 4. Вторичные обмотки трансформаторов 13 и 14 подключены к входным клеммам выпрямителей 17 и 18, выходы которых соединены последовательно и подключены к накопительному конденсатору 19.
Принцип работы предлагаемого устройства поясняется диаграммами, приведенными: на фиг.2-3 и заключается в следующем.
В каждом полупериоде работы предлагаемого устройства на начальном этапе зарядки накопительного конденсатора можно выделить четыре характерных интервала.
1
2
ист
На интервале t-t (фиг.2), который начинается с момента подачи сигнала управления на транзистор 9, происходит разряд дозирующих конденсаторов 1, 3, заряженных до напряжения U на накопительный конденсатор 19 через открытый транзистор 9, дроссели 15, 16, трансформаторы 13, 14 и диоды выпрямителей 17, 18.
1
При этом ток в первичных обмотках повышающих трансформаторов 13, 14 имеет колебательный характер и определяется параметрами последовательного L-С контура, обладающего результирующей индуктивностью L параллельно включенных дросселей 15, 16 и суммарной емкостью дозирующих конденсаторов 1, 2, 3, 4, так как обычно емкость накопительного конденсатора 19, приведенная к первичным обмоткам, во много раз больше суммарной емкости дозирующих конденсаторов.
1
ист
2
Начиная с момента t токи в первичных обмотках трансформаторов 13, 14, а также коллекторный ток транзистора 9 плавно возрастают с нулевого значения. Одновременно происходит разряд дозирующих конденсаторов 1, 3. При снижении их напряжений от значения U в момент времени t отпираются диоды 5 и 7.
2
3
На интервале t-t (фиг.2) токи первичных обмоток трансформаторов 13, 14 протекают через диоды 5 и 7, транзистор 9 и энергия, накопленная в дросселях 15 и 16, через трансформаторы 13, 14 и выпрямители 17 и 18 передается в накопительный конденсатор 19. На этом интервале собственная частота колебаний силовых L-C контуров, определяемая индуктивностью дросселей 15, 16 и приведенной к первичной обмотке емкостью накопительного конденсатора 19, во много раз ниже частоты коммутации транзисторов 9, 10. Поэтому можно считать, что токи первичных обмоток трансформаторов 13, 14 в течение рассматриваемого интервала в общем случае изменяется по линейному закону со скоростью
1
2
нк
где w, w - соответственно, числа витков первичной и вторичной обмоток высоковольтных трансформаторов, U - напряжение накопительного конденсатора 19, N - число высоковольтных трансформаторов, L - индуктивность дросселей в цепях первичных обмоток трансформаторов. (В рассматриваемом случае N=2.)
В начальной стадии процесса зарядки конденсатора 19, пока его напряжение невелико, незначительна и доля энергии, отдаваемой дросселями. Это, в свою очередь, определяет незначительное изменение токов первичных обмоток трансформаторов 13, 14 и транзистора 9 в течение рассматриваемого интервала.
3
3
4
ист
В момент времени t сигнал управления транзистором 9 становится равным нулю и транзистор запирается. При этом в дросселях 15, 16 наводится ЭДС самоиндукции, за счет которой отпираются шунтирующий диод 12 транзистора 10. В результате, на интервале t-t токи первичных обмоток трансформаторов 13, 14, сохраняя свое направление, начинают протекать через упомянутый диод и диоды 5, 7 встречно напряжению источника питания U зарядного устройства. Это вызывает быстрое снижение их до нуля со скоростью
нк
3
По мере зарядки конденсатора 19 и увеличения напряжения U скорость изменения токов возрастает и в конечной стадии процесса зарядки накопительного конденсатора 19 к моменту времени t в цепях достигают нуля (фиг.3).
4
5
На интервале t-t токи в цепях зарядного устройства не протекают, а напряжения конденсаторов 1, 2, 3, 4 сохраняются неизменными до момента подачи управляющего сигнала на транзистор 10.
ист
5
6
Зарядка дозирующих конденсаторов 1, 3 до напряжения U происходит на интервале t-t разрядки конденсаторов 2, 4 (фиг.2).
В нормальном режиме работы зарядного устройства с дозирующими конденсаторами при достижении амплитудой напряжения вторичных обмоток высоковольтных трансформаторов значения
2
2
ист
дозирующие конденсаторы начинают заряжаться и разряжаться не полностью [4] (кривые в и г на фиг.3). При этом амплитуды напряжений дозирующих конденсаторов и напряжений первичных обмоток трансформаторов стремятся к значению 0,5U ток в цепи стремится к нулю, и процесс зарядки заканчивается.
В аномальном режиме работы предлагаемого устройства, при коротком замыкании цепи вторичной обмотки одного из высоковольтных трансформаторов вследствие витковых замыканий в ней или пробоя вентилей выходного выпрямителя, режим работы дозирующих конденсаторов, к которым присоединены высоковольтные трансформаторы с исправными цепями вторичных обмоток, остаются неизменными. Поэтому наибольшая амплитуда напряжения вторичной обмотки высоковольтного трансформатора и напряжение на диодах выходного выпрямителя также неизменна и равна
ист
В прототипе при этих же условиях, режим работы дозирующих конденсаторов изменяется. В нем происходит непрерывный обмен энергией между дросселем, включенным последовательно с трансформатором с закороченной цепью вторичной обмотки и дозирующими конденсаторами. В результате этого, на каждом полупериоде работы зарядного устройства независимо от уровня зарядки накопительного конденсатора напряжения дозирующих конденсаторов изменяются между значениями равными нулю и U.
ист
Так как по мере зарядки накопительного конденсатора токи первичных обмоток высоковольтных трансформаторов с исправными цепями вторичных обмоток и падения напряжения на дросселях уменьшаются, то амплитуды напряжений первичных обмоток этих трансформаторов растут, стремясь в пределе к значению U, что вдвое больше, чем в нормальном режиме. При этом также в два раза возрастает напряжение на вторичных обмотках и вентилях выходных выпрямителей, достигая значений
что снижает надежность работы известного устройства.
В предлагаемом зарядном устройстве при коротком замыкании цепи вторичной обмотки одного из высоковольтных трансформаторов наибольшая амплитуда напряжения вторичной обмотки высоковольтного трансформатора с исправными цепями вторичных обмоток и напряжение на диодах выходного выпрямителя остается неизменной и в два раза меньше, чем в прототипе. Это позволяет по сравнению с прототипом уменьшить величину расчетного напряжения диодов выходных выпрямителей и повысить надежность работы устройства.
Источники информации:
1. Кириенко В.П., Ваняев В.В., Копелович Е.А., Ваняев С.В. Моделирование тепловых процессов в зарядных устройствах импульсных источников электропитания. Труды НГТУ. Электрооборудование промышленных установок. Том 59, Н.Новгород, 2006.
2. Драбович Ю.И., Криштафович И.А., Пономарев И.Г. Малогабаритные источники высокого постоянного напряжения. - Киев: Институт электродинамики АН УССР, 1983. - 39 с.
3. Копелович Е.А. Высоковольтные источники питания для технологических СВЧ комплексов. Труды Международной научно-технической конференции "Успехи современной электротехнологии". Саратов, 20-25 октября 2009 г. С.179-183.
4. Кныш В.А. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов. - Л.: Энергоиздат, 1981. - 160 с.