Устройство для подключения статического преобразователя к источнику напряжения постоянного тока

Область техники
Полезная модель 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 статические преобразователи, 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 средства предварительной подзарядки накопительного конденсатора через токоограничительные элементы.
Известен преобразователь частоты, в котором подзарядка накопительного конденсатора осуществляется от трехфазной сети переменного тока через дополнительную диодную группу с токоограничивающим резистором, подключаемую на время подзарядки, и выпрямительное звено преобразователя [RU 2591055].
Недостаток этого устройства - ограниченность области применения из-за необходимости использования сети переменного тока и отсутствия универсальности в отношении выпрямительного звена преобразователя (оно, должен быть управляемым), а также существенный объем дополнительного оборудования.
В качестве прототипа выбрано устройство для подключения статического преобразователя к источнику напряжения постоянного тока, содержащее накопительный конденсатор, ключи и блок управления [RU 2377709].
В прототипе накопительный конденсатор предварительно подзаряжается от источника постоянного тока через коммутируемый ключами токоограничивающий реактор и обратные диоды. Для защиты от повышенного напряжения источника постоянного тока прототип оснащен демпфирующей цепью.
Недостаток прототипа - сложность и большие габариты устройства.
Сущность полезной модели
Технический результат полезной модели - уменьшение габаритов устройства.
Предметом полезной модели является устройство для подключения статического преобразователя к источнику напряжения постоянного тока, содержащее накопительный конденсатор, ключи и блок управления, отличающееся тем, что в цепь подключения накопительного конденсатора к указанному источнику введены два последовательных ключа, из которых, по меньшей мере, один шунтирован последовательной RC-цепью, а блок управления выполнен с возможностью их противофазной коммутации при подзарядке накопительного конденсатора и с возможностью фиксации обоих ключей в замкнутом состоянии по завершении подзарядки.
Это позволяет получить вышеуказанный технический результат.
Полезная модель имеет развития, которые являются частными случаями реализации ее существенных признаков, выраженных обобщенными понятиями.
Развития полезной модели состоят в том, что:- блок управления выполнен с возможностью сравнивать напряжение источника и напряжения накопительного конденсатора и завершать подзарядку при уменьшении разницы сравниваемых напряжений до заданной величины.
- блок управления выполнен с возможностью сравнивать напряжение указанного источника с заданной максимальной величиной, при ее превышении фиксировать в выключенном состоянии оба указанных ключа, а по окончании указанного превышения начинать подзарядку накопительного конденсатора, если разница напряжений источника и накопительного конденсатора превышает заданную минимальную величину.
Указанные развития являются частными случаями выполнения обобщенного понятия «блок управления».
Осуществление полезной модели с учетом ее развитей Краткое описание фигур. На фиг. 1 приведена схема подключения статического преобразователя к источнику напряжения постоянного тока, на фиг. 2 и 3 - осциллограммы токов подзарядки накопительного конденсатора, на фиг. 4 - импульсы управления ключами, формируемые блоком управления в процессе подзарядки.
Осуществление полезной модели с учетом ее развитей
На фиг.1 показаны:
1 - накопительный конденсатор;
2 и 3 - последовательно соединенные ключи;
4 - последовательная RC-цепь из резистора 5 и конденсатора 6;
7 - последовательная RC-цепь из резистора 8 и конденсатора 9 (цепь 7 присутствует в описываемой схеме при осуществлении полезной модели с учетом развития).
10 - блок управления, который может быть выполнен программируемым.Элементы 1-10 образуют заявляемое устройство, предназначенное для введения в цепь между выходом источника 11 напряжения постоянного тока и входом статического преобразователя 12.
Источник 11 может представлять собой управляемый или неуправляемый выпрямитель, сеть постоянного тока, генератор постоянного тока, аккумуляторную батарею, суперконденсатор или другой накопитель электроэнергии постоянного тока.
Статический преобразователь 12 может представлять собой автономный инвертор напряжения, преобразователь постоянного тока в постоянный (DC-DC преобразователь) или другой преобразователь энергии постоянного тока в электроэнергию энергию требуемого вида.
Устройство может быть снабжено датчиками 13 и 14, контролирующими напряжения источника 11 и конденсатора 1 соответственно. Блок 10 может быть снабжен входом 15 внешнего управления.
Для достижения указанного технического результата в заявляемом устройстве достаточно использовать одну RC-цепь, например RC-цепь 4. Использование двух RC-цепей 4 и 7, показанных на фиг. 1, ускоряет подзарядку накопительного конденсатора.
Устройство работает следующим образом.
Пусть, например, в исходном состоянии ключ 3 разомкнут, ключ 2 замкнут, а источник 11 подключен к сети первичного питания. Выходное постоянное напряжение источника 11 распределено между последовательно включенными конденсаторами 6 и 1 обратно пропорционально их емкостям. В этом случае практически все напряжение источника 11 падает на конденсаторе 6 цепи 4, а конденсатор 1 разряжен (здесь и в дальнейшем предполагается, что емкости конденсаторов 6 и 9 значительно меньше емкости конденсатора 1).
Для подзарядки конденсатора 1 блок 10 формирует импульсные сигналы противофазной коммутации ключей 2 и 3. Подзарядка может быть инициирована, например, сигналом внешнего управления, поступающим на вход 15 блока 10.
При замкнутом ключе 3 и разомкнутом ключе 2 конденсатор 6 цепи 4 разряжается через резистор 5. При наличии цепи 7 от источника 11 через замкнутый ключ 3 заряжаются конденсаторы 9 и 1 с постоянной времени,, близкой к постоянной времени RC-цепи 7, а напряжение источника 11 распределяется между конденсаторами 9 и 1 обратно пропорционально их емкостям.
После разряда конденсатора 6 цепи 4 (и прекращения зарядного тока через цепь 7 при ее наличии) ключ 3 размыкается, а ключ 2 замыкается (это может быть обеспечивается соответствующим выбором длительности импульсов управления, поступающих на ключи 2 и 3 от блока 10). При наличии цепи 7 конденсатор 9 разряжается через резистор 8 и замкнутый ключ 2. Конденсаторы 1 и 6 заряжаются от источника 11 с постоянной, времени, близкой к постоянной времени цепи 4. В результате превышение напряжения источника 11 над напряжением частично заряженного конденсатора 1 распределяется между конденсаторами 1 и 6 обратно пропорционально их емкостям.
Далее блок 10 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 11, ограничены резисторами 5 и 8 и не превышают токов зарядки конденсаторов 6 и 9, емкость которых существенно меньше, чем емкость заряжаемого конденсатора 1. Ток подзарядки накопительного конденсатора 1 уменьшается практически до нуля по мере зарядки конденсаторов 6 и 9, что обеспечивает выполнение ими функции дозирующих конденсаторов и позволяет использовать в качестве ключей 2 и 3 тиристоры, шунтированные обратными диодами.
Подзарядка конденсатора 1 заканчивается, и оба ключа 2 и 3 фиксируются в замкнутом состоянии (тем самым, конденсатор 1 подключается к источнику 11), когда напряжение на конденсаторе 1 достигает уровня, при котором ток последующей зарядки конденсатора 1 непосредственно от источника 11 не превышает допустимого.
Выполнение этого условия может быть обеспечено без использования, датчиков 13 и 14. Достаточно, например, в блоке 10 ограничить таймером длительность процесса противофазной коммутации ключей 2 и 3 (т.е. длительность предварительной подзарядки конденсатора 1).
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 11 и конденсатора 1 датчиками 13 и 14 расширяет функциональные возможности заявляемого устройства.
Блок 10 может контролировать разницу показаний датчиков 13 и 14 напряжения. При подзарядке конденсатора 1 блок 10 сравнивает эту разницу с заданной величиной и завершает подзарядку, фиксируя ключи 2 и 3 в замкнутом состоянии, когда указанная разница становится меньше заданной величины.
Напряжение источника 11, контролируемое датчиком 13, может сравниваться в блоке 10 с заданной максимальной величиной, ограничивающей безопасный режим работы конденсатора 1 и преобразователя 12. При превышении этой величины блок 10 фиксирует в разомкнутом 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 10 сравнивает напряжение на конденсаторе 1, контролируемое датчиком 14, с напряжением источника 11, которое контролируется датчиком 13, и начинает подзарядку (т.е. противофазную коммутацию ключей 2 и 3), если разница напряжений источника 11 и накопительного конденсатора 1 превышает 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, при использовании заявляемого устройства в составе преобразователя частоты (трехфазный выпрямитель - звено постоянного тока в виде накопительного конденсатора емкостью 2350 мкФ - автономный инвертор напряжения) мощностью 30 кВт, суммарные габариты двух последовательных RC-цепей (резисторы 25 Ом 8 Ватт, конденсаторы 0,33 мкФ, 1000 В), шунтированных ключами двухтранзисторного модуля типа MIFA-HB12FA-100N, и блока управления, будут примерно в 5-7 раз меньше, чем габариты прототипа, выполняющего аналогичные функции с использованием силового дросселя, обратных диодов, четырех ключей, коммутируемых блоком управления, и защитной демпфирующей цепи.