Управляемое устройство для регулируемого заряда емкостной нагрузки
CONTROLLED APPARATUS FOR REGULATED CHARGING OF CAPACITIVE LOAD

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в устройствах заряда емкостных накопителей энергии.
Известны многие устройства для заряда емкостной нагрузки, не содержащие индуктивного накопителя энергии. Например, устройство [1], содержащее индуктивно-емкостный преобразователь, повышающие трансформаторы и выпрямители. Также известен способ заряда емкостного накопителя при помощи пар токоограничивающе-дозирующих конденсаторов [2]. Одним из первых упоминаемых устройств для заряда емкостной нагрузки с помощью индуктивности является устройство, содержащее бестрансформаторный источник питания, индуктивность, электронную лампу, искусственную формирующую линию, выпрямитель и коммутирующее устройство [3]. Недостатком данного устройства является его низкий КПД, обусловленный использованием электронных ламп.
Известно также устройство для регулирования напряжения заряда емкостного накопителя [4], содержащее зарядный дроссель, емкостной накопитель, узел емкостной искусственной коммутации, в котором с целью повышения КПД устройства параллельно зарядному дросселю присоединена цепь из вспомогательных тиристоров.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для заряда емкостной нагрузки, содержащее источники питания, индуктивный накопитель энергии, зарядные и разрядные ключевые элементы, формирующие искусственные линии, генератор тактовых импульсов, в котором повышение КПД достигается за счет применения полупроводниковых диодов и тиристоров [5].
Во всех приведенных устройствах, содержащих индуктивный накопитель энергии, при нарастании тока в индуктивности фазы питающей сети нагружаются неравномерно, что вызывает появление постоянной составляющей в потребляемом от сети токе, а также высших по отношению к питающей частоте гармоник кратных трем. Эти эффекты приводят к намагничиванию сетевого трансформатора и к паразитным потерям в нем. Целью изобретения была разработка устройства для заряда емкостной нагрузки, лишенного особенностей, приводящих к описанным выше осложнениям в работе сети электроснабжения.
Авторами предлагается управляемое устройство для заряда емкостной нагрузки, работающее непосредственно от сети переменного тока без применения промежуточного трансформатора, содержащее мостовой выпрямитель, индуктивный накопитель энергии и управляемое коммутационное устройство, позволяющее осуществлять определенный во времени процесс заряда емкости. На Фиг. 1 приведена упрощенная схема данного устройства, запитанного от трехфазной сети переменного тока, индуктивность рассеяния сетевого трансформатора принимается равной нулю. Неуправляемый трехфазный двухполупериодный выпрямитель (схема Ларионова) питает цепь выпрямленным напряжением.
При замыкании полностью управляемого полупроводникового ключа К1 в индуктивности L начинается накопление энергии (время накопления Тнак на фиг. 4). При включении управляемых тиристорных ключей К2 ключ К1 размыкается, при этом накопление прекращается, и вся энергия, запасенная в индуктивности L, резонансно перебрасывается в емкость С (время заряда Тзар на фиг. 4). Зарядка емкости происходит до напряжения, определяемого величиной накопленной энергии, напряжение на емкости определяется только величиной времени накопления. После прекращения заряда емкости срабатывает управляемый тиристор К3, и емкость разряжается на нагрузку Rн (разряд происходит практически мгновенно). Время накопления энергии и заряда емкости определяет частоту, с которой работает устройство, а также величины токов и напряжений для выбора элементов приведенной схемы.
В устройствах [3, 4, 5] заряд емкости осуществляется одним импульсом накопления в течение периода сети питания (2π). Рассмотрим проблемы, возникающие в работе заявленного устройства при таком способе заряда емкости. На фиг 2 (Графики токов питающей сети по трем фазам:)  а - показаны токи в фазах сети питания, видно, что при таком способе заряда емкости во всех фазах появляется значительная несимметричность формы тока за период сети. Например, по фазе С отрицательный ток в разы превышает положительный и, следовательно, появляется постоянная составляющая тока, что может привести к намагничиванию питающего трансформатора. Также не равны эффективные токи в фазах. Фиг 2. Графики токов питающей сети по трем фазам: а - заряд емкости за период сети одним импульсом тока, б - заряд емкости за период сети двумя импульсами тока. Для устранения этих нежелательных эффектов авторы предлагают два способа заряда емкостной нагрузки при помощи заявленного устройства.
Первый способ заключается в осуществлении, посредством коммутационного устройства, заряда емкостной нагрузки двумя импульсами накопления за один период сети. При питании от сети двумя одинаковыми по форме и величине импульсами тока полярность всех фаз источника меняется через 180 градусов на противоположную, и естественно нагрузочный ток изменит полярность, не изменив амплитуды (см. фиг 2б). Поэтому в таком случае отрицательный и положительный токи в каждой из фаз одинаковы по форме, при этом исчезает постоянная составляющая тока. Такой способ заряда емкостной нагрузки идеально подходит для однофазных сетей переменного тока. Однако, в случае питания устройства от трехфазной сети переменного тока, при симметричности формы токов в каждой из фаз сохраняется некоторое отличие токов фаз друг относительно друга по эффективным величинам. Это может приводить к появлению в фазах сети питания высших по отношению к питающей частоте гармоник кратных трем.
НАК
ЗАР
Для решения этой проблемы лучше всего подходит второй способ заряда емкостной нагрузки, заключающийся в осуществлении, посредством коммутационного устройства, тройной зарядки емкости за период трехфазной сети. В трехфазных цепях смена фаз и начальных условий в каждой из них происходит через 120 градусов (см. фиг. 3). В точках 2π/3, 4π/3 и 2π можно видеть чередование одинаковых начальных условий. Следовательно, каждую треть периода при чередовании фаз повторяются начальные условия, что приводит при линейных нагрузках к равенству токов в каждой из фаз, питающих выпрямитель. Происходит симметрирование токов фаз по форме и эффективным значениям. Фиг. 3 - Распределения токов по фазам сети при заряде емкости тремя импульсами тока. В многофазных симметричных системах мгновенная мощность есть величина постоянная и не зависит от времени, поэтому выбор начального времени включения не важен. Принципиальным является только период чередования импульсов тока накопления. Рассмотрим более подробно работу предлагаемого устройства для заряда емкостной нагрузки для случая с тремя импульсами тока накопления за один период сети. На фиг. 4 показаны результаты моделирования потребления тока по фазам при заряде нагрузочной емкости в течение одного периода питающей трехфазной сети тремя импульсами тока одинаковыми по форме и величине. На верхнем графике приведены напряжения фаз А, В и С. Здесь можно заметить чередование начальных условий каждой из фаз через треть периода сети (2π/3). Ниже приведены графики нарастания тока в индуктивности L за время Т, а также последующего заряда емкости С за время Т, после которого емкость разряжается, и цикл накопления тока и заряда емкости повторяется.
A
B
C
На третьем графике показаны токи в фазах i, i и i до выпрямителя. Видно, что токовая нагрузка по всем трем фазам полностью симметрична, что приводит к исчезновению постоянной составляющей тока, а также к равенству эффективных значений токов по фазам и, как следствие, к отсутствию в фазах сети гармоник кратных трем. Последний график для наглядности иллюстрирует средние токи по трем фазам, видно, что в сумме все средние токи дают нулевую величину.
Таким образом, для регулируемого заряда емкостной нагрузки от стандартной сети переменного тока авторами предлагается устройство, содержащее мостовой выпрямитель, индуктивный накопитель энергии и управляемое коммутационное устройство, посредством которого емкостная нагрузка заряжается за один период сети питания двумя способами. Первый способ заряда емкостной нагрузки двумя одинаковыми по форме и величине зарядными импульсами за один период сети питания обеспечивает отсутствие только постоянных составляющих по фазам питающей сети.
Второй способ заряда емкостной нагрузки тремя одинаковыми по форме и величине зарядными импульсами за один период сети питания обеспечивает равенство как средних, так и эффективных токов в каждой из фаз сети, питающих выпрямитель, что исключает возникновение постоянной составляющей в потребляемом от сети токе, а также высших по отношению к питающей частоте гармоник, кратных трем.
Список литературы
1. Патент RU 45873 U1. Устройство для заряда высоковольтного накопителя, 2005 г.
2. Патент RU 2218654 C2. Способ заряда емкостного накопителя электрической энергии и устройства для его осуществления (варианты), 2003 г.
3. Патент Великобритании №1033565. Improvements relating to electrical pulse generating circuits, кл. НЗР 1962 г.
4. Описание изобретения к авторскому свидетельству №744931. Регулятор напряжения заряда емкостного накопителя. Опубликовано 30.06.1980 г.
5. Ауслендер А.А. и др. Импульсный модулятор. ПТЭ, 1982 г., №2, с. 103-105.