УСТРОЙСТВО ЗАРЯДА НАКОПИТЕЛЬНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

Решение относится к области систем электропитания и касается емкостных накопителей электрической энергии. Оно может быть использовано при осуществлении заряда емкостных накопителей электрической энергии постоянным или импульсным током с большим значением напряжения, чем уровень напряжения первичного источника как постоянного, так и переменного тока, в частности, для питания инверторов напряжения (тока), генераторов мощных импульсов, устройств бесперебойного питания, заряда аккумуляторных батарей.
Известен инвертирующий преобразователь постоянного напряжения, схема которого подробно рассмотрена в литературе, например: Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - стр.13, рис.1.4.; Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Импульсные регуляторы и преобразователи постоянного напряжения. - М.: Изд-во МЭИ, 1998, стр.5.
Недостатком преобразователя является то, что в зависимости от скважности и нагрузки он может работать в двух режимах - непрерывного и прерывистого тока индуктивности. В этих режимах статические и динамические свойства преобразователя качественно различаются, поэтому для данного преобразователя трудно создать систему регулирования, работающую с одинаковой эффективностью в обоих режимах.
Известен инвертирующий преобразователь постоянного напряжения (патент РФ №2214673, Н02М 3/10, 2003 г.), задачами которого являются устранение указанного недостатка и расширение функциональных возможностей преобразователя. Недостатком инвертирующего преобразователя является ограничение рабочей частоты параметрами ключевых транзисторов и, как следствие, повышение пульсации выходного напряжения при ограниченной емкости выходного конденсатора.
Указанные недостатки могут быть устранены путем увеличения числа N параллельно соединенных инвертирующих преобразователей, работающих с фазовым углом сдвига 360°/N.
Наиболее близким по технической сущности данному изобретению является устройство для заряда накопительного конденсатора (патент РФ №2279748, H02J 7/10, опубл. 10.07.2006 - прототип), в котором включены дозирующие элементы, выполненные в виде катушек индуктивности, мостовой преобразователь, выполненный в виде инвертора напряжения на запираемых ключах, повышающие надежность устройства.Устройство для заряда накопительного конденсатора содержит трехфазный источник питания, выходы которого подключены к одним выводам трех токоограничивающе-дозирующих элементов, другие выводы которых подключены к входам трехфазного мостового преобразователя, выходы которого подключены к накопительному конденсатору, блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами трехфазного мостового преобразователя, токоограничивающе-дозирующие элементы выполнены в виде катушек индуктивности, мостовой преобразователь выполнен в виде автономного инвертора напряжения на транзисторных запираемых ключах, к выходам трехфазного источника питания дополнительно подключены входы трехфазного датчика сетевого напряжения, выходы которого подключены к одним входам блока управления, входы трехфазного мостового преобразователя дополнительно соединены со входами датчиков тока фаз, выходы которых соединены с другими входами блока управления, к выходу трехфазного мостового преобразователя подключен датчик напряжения емкостного накопителя, выход которого соединен с другим входом блока управления, к другому входу блока управления подключен выход блока задания величины напряжения накопителя, еще к одному входу блока управления подключен выход блока задания темпа заряда накопителя.
Недостатками этого устройства являются:
- невозможность питания от источников постоянного тока;
- ограниченная величина напряжения заряда накопительного конденсатора.
Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.
Ставится задача расширения функциональных возможностей устройства для заряда накопительного конденсатора.
Технический результат - возможность питания от источников постоянного тока и достижение неограниченной величины напряжения заряда накопительных конденсаторов.
Этот технический результат достигается тем, что в устройстве заряда накопительных конденсаторов, содержащем источник питания, выход которого подключен к одним выводам трех дозирующих элементов в виде катушек индуктивности, другие выводы которых подключены к входам транзисторных запираемых ключей мостового преобразователя, выполненного в виде инвертора напряжения на транзисторных запираемых ключах, установлен двухполярный источник питания постоянного напряжения, входные зажимы катушек индуктивности объединены в общую точку на общем проводе источника питания, установлены транзисторные запираемые ключи с тиристорами, которые соединены в одной линии катодами, а в другой линии анодами и подключены к накопительным конденсаторам с возможностью отключения от коллекторов и эмиттеров транзисторных запираемых ключей посредством выключателей между указанными линиями и линиями подключения цепей коллекторов и эмиттеров транзисторных запираемых ключей, соответственно, к положительному и отрицательному зажимам источника питания.
Такое выполнение позволяет подключать нагрузку к любым источникам питания.
Схема предлагаемого устройства заряда накопительного конденсатора приведена на чертеже. Оно включает двухполярный источник питания 1, 2, дозирующие элементы, выполненные в виде катушек индуктивности 3, 4, 5, мостовой преобразователь на транзисторных запираемых ключах 6, 7, 8, 9, 10, 11, выполненный в виде инвертора напряжения. Тиристоры 12, 13, 14 в одной линии соединены катодами, а тиристоры 15, 16, 17 в другой линии соединены анодами и подключены к накопительным конденсаторам 18, 19, отключаются, соответственно, от коллекторов и эмиттеров транзисторных запираемых ключей 6, 7, 8, 9 10, 11,посредством выключателей 20, 21.
Питание устройства заряда накопительных конденсаторов 18, 19 осуществляется от двухполярного источника питания 1, 2 постоянного напряжения. Входные зажимы катушек индуктивности 3, 4, 5 объединены в общую точку N, на общем проводе источника питания 1, 2. Цепи коллекторов транзисторных запираемых ключей 6, 7, 8 подключены к положительному зажиму двухполярного источника питания, а эмиттеры транзисторных запираемых ключей 9, 10, 11 - к его отрицательному зажиму.
Принцип работы устройства заряда накопительного конденсатора заключается в следующем.
Создаются два трехканальных инвертирующих преобразователя: 3, 6, 15; 4, 7, 16; 5, 8, 17; (3, 9, 12; 4, 10, 13; 5, 11, 14), формирующие ток заряда с фазовым углом сдвига 120° в каждом преобразователе и 180° по отношению друг к другу, обеспечивающие заряд накопительных конденсаторов 19 (18), соответственно, с шестикратной частотой работы отдельного транзисторного запираемого ключа. При этом уменьшается амплитуда пульсаций напряжения накопительных конденсаторов 18, 19, катушки индуктивности полностью перемагничиваются за два такта переключения транзисторных запирающих ключей, работающих в противофазе, что позволяет обеспечить боле эффективное их использование.
При отпирании транзисторного ключа 6 тиристорный ключ 12 находится в закрытом состоянии и не допускает протекания тока заряда большой величины конденсатора 18 емкостного накопителя при напряжении на конденсаторе 18 меньше величины напряжения источника питания 1 и обеспечивает режим работы инвертирующего преобразователя как в режиме повышения, так и в режиме понижения напряжения по отношению к напряжению источника питания 1. Открытый транзисторный запираемый ключ 6 обеспечивает протекания тока заряда дозирующей катушки индуктивности 3. В момент запирания транзисторного запираемого ключа 6 подается импульс управления для отпирания тиристора 15, чтобы сформировать цепь заряда конденсатора 19 емкостного накопителя. В момент равенства тока дозирующей катушки индуктивности 3 нулю тиристор 15 запирается естественным путем. Последовательность работы ключевых элементов шести инвертирующих преобразователей устройства заряда накопительных конденсаторов приведена в таблице.
Таким образом, введение дополнительных контактов 20, 21 и тиристоров 12, 13, 14, 15, 16, 17 позволяет обеспечить:
1. при замкнутом состоянии контактов выключателей 20, 21, разъединенных входных зажимах катушек индуктивности 3, 4, 5 и наличии непрерывных импульсов управления тиристорами 12, 13, 14, 15, 16, 17 - режимы работы прототипа (активный выпрямитель) при питании от трехфазной сети;
2. при разомкнутом состоянии контактов выключателей 20, 21 объединенных входных зажимах катушек индуктивности 3, 4, 5 и последовательном управлении тиристорами - режим конвертора постоянного напряжения при питании от источников постоянного напряжения;
3. при замкнутом состоянии контактов выключателей 20, 21, разъединенных входных зажимах катушек индуктивности 3, 4, 5 и наличии непрерывных импульсов управления тиристорами 12, 13, 14, 15, 16, 17 - режим инвертора ведомого сетью при подключении трехфазной сети переменного напряжения со стороны катушек индуктивности и источника постоянного напряжения со стороны накопительных конденсаторов.
таблица
Запираемый транзистор
Отпираемый тиристор
Разряжаемый дроссель
Заряжаемый конденсатор
6
15
3
19
7
16
4
19
8
17
5
19
9
12
3
18
10
13
4
18
11
14
5
18