ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО НАКОПИТЕЛЬНОГО КОНДЕНСАТОРА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в электрофизических установках с емкостными накопителями энергии.
Известно зарядное устройство [1], содержащее инвертор с дозирующими конденсаторами, к выходу которого подключен повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого присоединена к входу выпрямительного моста, а выход выпрямительного моста через токоограничивающий дроссель подключен к накопительному конденсатору.
Недостатком известного устройства является удвоенное значение напряжения выпрямительного моста по сравнению с напряжением накопительного конденсатора.
В качестве прототипа выбрано известное зарядное устройство накопительного конденсатора [2], содержащее транзисторный инвертор с дозирующими конденсаторами, зашунтированными обратными диодами, повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого через выпрямительный мост присоединена к накопительному конденсатору, а первичная обмотка подключена к выходу инвертора через токоограничивающий дроссель.
Недостатком прототипа является невысокая надежность, вследствие динамических потерь в транзисторах инвертора на начальной стадии зарядки накопительного конденсатора.
Предлагаемой полезной моделью решается задача совершенствования зарядных устройств накопительных конденсаторов.
Технический результат от использования полезной модели состоит в повышении надежности зарядных устройств накопительных конденсаторов.
Указанный технический результат достигается с помощью зарядного устройства накопительного конденсатора, содержащего транзисторный
инвертор с дозирующими конденсаторами, зашунтированными обратными диодами, повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого через выпрямительный мост присоединена к накопительному конденсатору, а первичная обмотка подключена к выходу инвертора через токоограничивающий дроссель, последовательно с которым включен разделительный конденсатор.
Введение разделительного конденсатора делает колебательным характер выходного тока инвертора и токов транзисторов на интервалах проводимости, в результате чего включение и выключение их всегда происходит при нулевых значениях тока коллектора. В результате этого исключаются динамические потери в транзисторах, снижается нагрев их структуры, особенно в начальной стадии зарядки накопительного конденсатора, когда токи в элементах зарядного устройства имеют наибольшие значения. Это позволяет, по сравнению с прототипом, повысить надежность работы транзисторов и зарядного устройства в целом.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема зарядного устройства, где 1 - транзисторный инвертор, 2, 3 - дозирующие конденсаторы, 4, 5 - обратные диоды, 6, 7 - транзисторы инвертора, 8 - повышающий трансформатор, 9 - выпрямительный мост, 10 - накопительный конденсатор, 11 - токоограничивающий дроссель, 12 - разделительный конденсатор.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
На фиг.2 приведены диаграммы работы зарядного устройства при использовании транзисторов с интегрированными обратными диодами; на фиг.3 - при использовании транзисторов, способных блокировать обратные по знаку напряжения коллектор-эмиттер [3]. На фиг.4 - представлены диаграммы работы прототипа. На диаграммах буквами обозначены: а, а, а - сигналы управления транзистором 6; б, б, б - сигналы управления транзистором 7; в, в, в - напряжения на дозирующем конденсаторе 2; г, г, г - напряжения на дозирующем конденсаторе 3; д, д, д - токи первичной обмотки трансформатора 8; e, е - напряжения на разделительном
1
2
3
1
2
3
конденсаторе 12; ж, ж, ж - токи коллектора транзистора 6; з, з, з - напряжения коллектор-эмиттер транзистора 6.
Устройство содержит транзисторный инвертор 1, включающий в себя дозирующие конденсаторы 2 и 3, обкладки которых зашунтированы обратными диодами 4 и 5, и транзисторы 6, 7. Вторичная обмотка повышающего трансформатора 8 присоединена к входу выпрямительного моста 9, выход которого подключен к накопительному конденсатору 10. Первичная обмотка трансформатора 8 через последовательно соединенные дроссель 11 и разделительный конденсатор 12 подключена к выходу инвертора.
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
На интервале t-t (фиг.2), который начинается с момента подачи
сигнала управления на транзистор 6 инвертора 1, происходит разряд дозирующего конденсатора 2 на накопительный конденсатор 10 через открытый транзистор 6, дроссель 11, разделительный конденсатор 12, трансформатор 8 и диоды выпрямительного моста 9.
При этом ток в первичной обмотке повышающего трансформатора 8 имеет колебательный характер и определяется параметрами последовательного L-С контура, обладающего индуктивностью дросселя 11 и емкостью, определяемой, в основном, последовательно соединенными конденсаторами 2 и 12, так как обычно емкость накопительного конденсатора 10, приведенная к первичной обмотке, во много раз больше емкостей конденсаторов 2 и 12.
1
Начиная с момента t ток первичной обмотки трансформатора 8, а также коллекторный ток транзистора 6 плавно возрастают с нулевого значения.
Одновременно происходит разряд дозирующего конденсатора 2 и при снижении его напряжения до нуля в момент времени ^ отпирается диод 4.
2
3
3
На интервале t-t ток первичной обмотки трансформатора протекает через диод 4 и энергия, накопленная в дросселе 11, через трансформатор 8 и выпрямительный мост 9 передается в накопительный конденсатор 10. Одновременно происходит зарядка конденсатора 12. На этом интервале ток в первичной обмотке трансформатора 8, транзисторе 6 также имеет колебательный характер и определяется индуктивностью дросселя 11 и, практически, только емкостью разделительного конденсатора 12. В момент времени t ток первичной обмотки достигает нулевого значения.
3
4
4
12
1
2
1
2
12
На интервале t-t, ток первичной обмотки меняет полярность и протекает через обратный диод транзистора 6 за счет энергии, накопленной в конденсаторе 12. При этом напряжение конденсатора 12 несколько снижается за счет того, что часть его энергии передается в конденсаторы 2 и 10. Конденсатор 2 заряжается в прямой полярности. В момент времени t ток становится равным нулю и обратный диод запирается. Так как величина емкости С разделительного конденсатора 12 выбирается значительно большей емкостей C и С (С=С=0,04...0,07C) дозирующих конденсаторов, то к этому моменту напряжение конденсатора 2 больше напряжения конденсатора 12 и к транзистору прикладывается прямое напряжение равное разности напряжений конденсаторов 2 и 12.
4
5
На интервале t-t токи в цепях зарядного устройства не протекают, а напряжения конденсаторов сохраняются неизменными до момента подачи управляющего сигнала на транзистор 7.
3
4
2
3
Если в зарядном устройстве использованы транзисторы, блокирующие обратные напряжения коллектор-эмиттер, то интервал t-t частичной разрядки конденсатора 12 отсутствует и по окончании второго интервала t-t ток в цепи прекращается, а к транзистору 6 прикладывается в обратном направлении напряжение конденсатора 12 (фиг.3).
Из приведенного описания и диаграмм работы предлагаемого зарядного устройства следует, что переход транзисторов инвертора из выключенного состояния во включенное и обратно происходит при нулевых значениях тока коллектора и, следовательно, не сопровождается потерями мощности.
2
3
11
10
В силовой схеме прототипа на интервале t-t (фиг.4) ток первичной обмотки трансформатора протекает через диод 4, транзистор 6 и энергия, накопленная в дросселе 11, через трансформатор 8 и выпрямительный мост 9 передается в накопительный конденсатор 10. На этом интервале собственная частота, колебаний силового L-С контура прототипа, определяемая индуктивностью L дросселя 11 и емкостью накопительного конденсатора 10, во много раз ниже частоты коммутации транзисторов 6, 7. Поэтому можно считать, что ток в контуре в течение рассматриваемого интервала изменяется по линейному закону со скоростью , (U- напряжение конденсатора 10). В начальной стадии процесса зарядки конденсатора 10, пока его напряжение невелико, незначительна и доля энергии, отдаваемой дросселем. Это, в свою очередь, определяет незначительное изменение тока первичной обмотки трансформатора 8 и транзистора 6 в течение рассматриваемого интервала.
3
3
4
ист
3
В момент времени t сигнал управления транзистором 6 становится равным нулю и начинается процесс его запирания, длительность которого определяется параметрами силовой цепи, цепи управления, а также свойствами транзистора. При этом в дросселе 11 наводится ЭДС самоиндукции, за счет которой отпирается шунтирующий диод транзистора 7. В результате, на интервале t-t ток первичной обмотки трансформатора, сохраняя свое направление, начинает протекать через упомянутый диод и диод 4 встречно напряжению источника питания U зарядного устройства. Это вызывает быстрое снижение его до нуля со скоростью . На рассматриваемом интервале, начиная с момента времени t, через открытый
шунтирующий диод транзистора 7 к транзистору 6 прикладывается напряжение источника питания. В результате этого запирание транзистора 6 сопровождается потерями мощности, что увеличивает нагрев его структуры.
В предлагаемом зарядном устройстве с разделительным конденсатором переключение транзисторов инвертора происходит при нулевых токах коллекторов. Это позволяет, по сравнению с прототипом, уменьшить потери в транзисторах на начальной стадии зарядки накопительного конденсатора, повысить надежность их работы и зарядного устройства в целом, а также увеличить рабочую частоту преобразователя и за счет этого улучшить его массогабаритные показатели.
Источники информации:
1. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии / О.Г.Булатов, B.C.Иванов, Д.И.Панфилов. - М.: Радио и связь, 1986. - 160 с.
2. 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.
3. Флоренцев С.Современное состояние и прогноз развития приборов силовой электроники. Современные технологии автоматизации №2, 2004. - с.20-30.