Способ зарядки накопительного конденсатора от источника постоянного тока
METHOD FOR CHARGING A STORAGE CAPACITOR FROM A DIRECT CURRENT SOURCE

Область техники
Изобретение относится к электротехнике и, в частности, к технике преобразования энергии постоянного тока в энергию требуемого вида с использованием звена постоянного тока в виде емкостного накопителя.
Уровень техники
При подаче первичного питания на источник постоянного тока (например, выпрямитель), питающий преобразовательные устройства, использующие в качестве звена постоянного тока накопительный конденсатор большой емкости, или в момент подключения таких устройств к указанному источнику, через накопительный конденсатор кратковременно протекает мощный бросок зарядного тока, отрицательно влияющий на показатели эксплуатационной надежности. Для предотвращения опасных бросков зарядного тока применяют различные способы зарядки накопительного конденсатора, основанные на его предварительной подзарядке.
Известны способы «плавной» зарядки конденсатора от источника постоянного тока, заключающийся в том, что конденсатор заряжают путем его подключения к указанному источнику через токоограничивающую цепь из силового резистора или дросселя, которую шунтируют после зарядки конденсатора до заданного уровня [RU 2187193, RU 125407].
Недостаток таких способов - необходимость использования в токоограничивающей цепи габаритного силового резистора или реактора, рассчитанного на максимальный ток зарядки накопительного конденсатора.
Известен способ зарядки накопительного конденсатора двухзвенного преобразователя частоты, осуществляемый с использованием дополнительного трехфазного выпрямителя и токоограничивающего резистора, подключаемых контактором на время предварительной подзарядки накопительного конденсатора [RU2591055].
Недостаток этого способа - ограниченность области применения из-за необходимости доступа к сети переменного тока, существенный объем дополнительного оборудования и отсутствие универсальности в отношении основного выпрямителя в составе преобразователя (он должен быть управляемым).
В качестве прототипа заявляемого способа принят способ зарядки накопительного конденсатора от источника постоянного тока, заключающийся в том, что накопительный конденсатор предварительно подзаряжают путем периодического (импульсного) подключения первым ключом к источнику постоянного тока через токоограничивающую цепь [RU 2564137].
В качестве токоограничивающей цепи прототип использует реактор, который в паузах между замыканиями ключа заряжает конденсатор током самоиндукции, протекающим через обратный диод.
Недостаток прототипа состоит в том, что для ограничения тока подзарядки используется реактор, который после завершения подзарядки остается в силовой цепи, питающей нагрузку. Одновременное выполнение требований достаточно большой индуктивности реактора в процессе подзарядки и малых потерь на реакторе в рабочем режиме приводит к увеличению габаритов устройства, реализующего способ.
Другой недостаток прототипа состоит в том, что в нем напряжение источника постоянного тока контролируется по величине падения напряжения на ключе, с помощью которого подзаряжают накопительный конденсатор. Это снижает точность контроля напряжения и ограничивает выбор вида ключа полевыми транзисторами, обладающими нормированным омическим сопротивлением во включенном состоянии.
Раскрытие существа изобретения
Технический результат изобретения - уменьшение габаритов устройства, реализующего способ.
При использовании заявляемого способа ограничение тока зарядки накопительного конденсатора осуществляется без применения крупногабаритных резисторов или реакторов, обеспечивается универсальность применения способа в отношении источника зарядного тока, и выходного преобразовательного звена, отсутствует необходимость в дополнительных контактных или бесконтактных коммутаторах для перехода из режима предварительной зарядки накопительного конденсатора в рабочий режим.
Предметом изобретения является способ зарядки накопительного конденсатора от источника постоянного тока, заключающийся в том, что накопительный конденсатор предварительно подзаряжают путем периодического подключения первым ключом к указанному источнику через токоограничивающую цепь, отличающийся тем, что в качестве токоограничивающей цепи используют первую последовательную RC-цепь, которую разряжают вторым ключом в интервале выключенного состояния первого ключа и по завершении процесса подзарядки накопительного конденсатора присоединяют его к источнику постоянного тока через включенные первый и второй ключи.
Это позволяет получить вышеуказанный технический результат.
Первое развитие изобретения состоит в том, что в интервале разрядки первой последовательной RC-цепи подзаряжают накопительный конденсатор через вторую последовательную RC-цепь, подсоединенную параллельно первому ключу.
Это позволяет сократить время подзарядки накопительного конденсатора.
Второе развитие состоит в том, что устанавливают одинаковыми постоянные времени первой и второй последовательных RC-цепей и равными интервалы включенного и выключенного состояний первого и второго ключей.
Это позволяет дополнительно ускорить подзарядку накопительного конденсатора.
Третье развитие состоит в том, что в процессе подзарядки сравнивают напряжение источника постоянного тока с напряжением на накопительном конденсаторе и завершают процесс подзарядки при уменьшении разницы сравниваемых напряжений до заданной величины.
Это позволяет более точно определять необходимую длительность процесса предварительной подзарядки накопительного конденсатора.
Четвертое развитие состоит в том, что сравнивают напряжение источника постоянного тока с заданной максимальной величиной и при ее превышении фиксируют в выключенном состоянии первый и второй ключи, а по окончании указанного превышения запускают процесс подзарядки накопительного конденсатора, если напряжение на нем меньше напряжения указанного источника на заданную минимальную величину.
Это позволяет без применения защитных LC-фильтров избежать опасных бросков зарядного тока накопительного конденсатора при скачках напряжения источника постоянного тока, а также ограничить допустимыми пределами напряжение на накопительном конденсаторе и подключенных к нему электрических цепях (например, входных цепях инвертора напряжения). По сравнению с прототипом это повышает достоверность контроля напряжения источника постоянного тока и расширяет возможности применения различных видов ключей для подзарядки накопительного конденсатора.
Краткое описание фигур На фиг. 1 приведена схема, иллюстрирующая осуществление заявляемого способа с учетом его развитей, на фиг. 2 и 3 - осциллограммы, иллюстрирующие процесс подзарядки накопительного конденсатора через одну и через две RC-цепи соответственно. На фиг. 4 показаны импульсы управления ключами, формируемые блоком управления в процессе подзарядки. Осуществление изобретения с учетом его развитий
На фиг. 1 показаны:
1 - накопительный конденсатор;
2 - первый ключ;
3 - второй ключ;
4 - первая последовательная RC-цепь из резистора 5 и конденсатора 6;
7 - вторая последовательная RC-цепь из резистора 8 и конденсатора 9 (цепь 7 присутствует в описываемой схеме при осуществлении способа с учетом развития);
10 - источник постоянного тока, например входное звено преобразователя частоты (управляемый или неуправляемый выпрямитель) или сеть постоянного тока, генератор постоянного тока, аккумуляторная батарея, суперконденсатор или другой накопитель электроэнергии постоянного тока;
11 - выходное звено, например, инвертор напряжения в составе преобразователя частоты, к входу которого подключен накопительный конденсатор 1, выполняющий функцию звена постоянного тока;
12 - блок управления.
К информационным входам блока 12 могут быть подключены датчики 13 и 14, контролирующие напряжения источника 10 и конденсатора 1 соответственно. Блок 12 может быть снабжен входом 15 внешнего управления.
Заявляемый способ может быть осуществлен с использованием двух токоогранивающих RC-цепей 4 и 7, показанных на фиг. 1, или одной из них, например RC-цепи 4, как это описано ниже.
Способ осуществляют следующим образом.
Пусть, например, в исходном состоянии ключ 3 разомкнут, ключ 2 замкнут, а источник 10 подключен к сети первичного питания. Выходное постоянное напряжение источника 10 распределено между последовательно включенными конденсаторами 6 и 1 обратно пропорционально их емкостям. В дальнейшем предполагается, что емкости конденсаторов 6 и 9 значительно меньше, чем емкость конденсатора 1. В этом случае практически все напряжение источника 10 падает на конденсаторе 6 цепи 4, а конденсатор 1 разряжен.
Для запуска процесса подзарядки конденсатора 1 блок 12 переходит в режим противофазной коммутации ключей 2 и 3 импульсными сигналами управления. Этот процесс может быть инициирован, например, сигналом внешнего управления, поступающим на вход 15 блока 12.
При замкнутом ключе 3 и разомкнутом ключе 2 конденсатор 6 цепи 4 разряжается через резистор 5.
При наличии цепи 7 одновременно с разрядом конденсатора 6 цепи 4 от источника 10 заряжаются конденсаторы 9 и 1 с постоянной времени, близкой к постоянной времени RC-цепи 7, а напряжение источника 10 распределяется между конденсаторами 9 и 1 обратно пропорционально их емкостям.
После разряда цепи 4 (и прекращения зарядного тока через цепь 7 при ее наличии) ключ 3 размыкается, а ключ 2 замыкается (это может быть обеспечено, например, соответствующим выбором длительности импульсных сигналов управления, поступающих на ключи 2 и 3 от блока 12). При наличии цепи 7 конденсатор 9 разряжается через резистор 8 и замкнутый ключ 2. Конденсаторы 1 и 6 заряжаются от источника 10 с постоянной времени, близкой к постоянной времени цепи 4. В результате превышение напряжения источника 10 над напряжением частично заряженного конденсатора 1 распределяется между конденсаторами 1 и 6 обратно пропорционально их емкостям.
Далее блок 12 размыкает ключ 2, замыкает ключ 3 и вышеописанный процесс подзарядки конденсатора 1 через одну цепь 4 (а при наличии цепи 7 поочередно через две цепи 4 и 7) повторяется.
В процессе подзарядки токи, потребляемые от источника 10, ограничены резисторами 5 и 8 и не превышают токов зарядки конденсаторов 6 и 9, емкость которых существенно меньше, чем емкость заряжаемого конденсатора 1. Спадание тока подзарядки накопительного конденсатора 1 по мере зарядки конденсаторов 6 и 9 обеспечивает выполнение ими функции дозирующих конденсаторов и позволяет использовать в качестве ключей 2 и 3 тиристоры, шунтированные обратными диодами.
Процесс подзарядки конденсатора 1 заканчивается, и оба ключа 2 и 3 фиксируются во включенном состоянии (тем самым, конденсатор 1 подключается к источнику 10), когда напряжение на конденсаторе 1 достигает уровня, при котором ток последующей зарядки конденсатора 1 непосредственно от источника 10 не превышает допустимого.
Выполнение этого условия может быть обеспечено без использования результатов контроля напряжений датчиками 13 и 14. Достаточно, например, установить в блоке 12 фиксированную длительность процесса предварительной подзарядки.
C1
C1
Осциллограмма фиг. 2 отражает процесс подзарядки конденсатора 1 в отсутствии цепи 7, а фиг. 3 - при наличии цепи 7. На обеих осциллограммах показаны возрастающее напряжение U конденсатора 1 и спадающие короткие броски зарядного тока I. На осциллограмме фиг. 4 показаны противофазные импульсы управления ключами 2 и 3.
Контроль напряжений источника 10 и конденсатора 1 датчиками 13 и 14 соответственно расширяет функциональные возможности заявляемого способа.
Блок 12 может контролировать разницу показаний датчиков 13 и 14 напряжения. В режиме подзарядки конденсатора 1 блок 12 сравнивает эту разницу с заданной величиной и завершает подзарядку, фиксируя ключи 2 и 3 во включенном состоянии, когда указанная разница становится меньше заданной величины.
Во всех режимах напряжение источника 10, контролируемое датчиком 13, может сравниваться в блоке 12 с заданной максимальной величиной, ограничивающей безопасный режим работы конденсатора 1 и звена 11. При превышении этой величины блок 12 фиксирует в выключенном состоянии оба ключа 2 и 3, тем самым, защищая конденсатор 1 и преобразовательное звено 11 (например, инвертор напряжения) от опасных перенапряжений. По окончании указанного превышения (которое, как правило, носит кратковременный характер) блок 12 сравнивает напряжение на конденсаторе 1, контролируемое датчиком 14, с напряжением источника 10, которое контролирует датчик 13, и запускает вышеописанный процесс подзарядки, если конденсатор 1 разрядился до напряжения, которое меньше напряжения источника 10 на заданную минимальную величину.
В качестве ключей 2 и 3 могут быть использованы, тиристоры, а также транзисторы, например, IGBT или MOSFET, снабженные обратными диодами, предотвращающими появление недопустимой полярности напряжения на ключах, или готовая сборка (сборная микросхема) из двух последовательно включенных таких приборов.
Проведенные расчеты и эксперименты показали, что, например, в стандартном преобразователе частоты (трехфазный выпрямитель - звено постоянного тока в виде накопительного конденсатора с емкостью 2350 мкФ - автономный инвертор напряжения) мощностью 30 кВт при использовании заявляемого способа объемные габариты токоограничивающей цепи из двух последовательных RC-цепей, шунтированных ключами двухтранзисторного модуля типа MIFA-HB12FA-100N, будут примерно в четыре раза меньше, чем габариты аналогичной по назначению токоограничивающей цепи прототипа, включающей силовой дроссель, обратный диод и ключ. Соответственно уменьшаются габариты всего устройства, реализующего заявляемый способ.