СПОСОБ ЗАРЯДА ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВА ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR CHARGING CAPACITIVE ELECTRIC ENERGY STORAGE, AND DEVICES FOR ITS IMPLEMENTATION (VERSIONS)

Изобретение относится к способам и устройствам заряда емкостных накопителей электрической энергии (ЕНЭЭ) в виде аккумуляторов, конденсаторов и т.п., широко используемых в импульсной технике, при их заряде от источника переменного тока (ИПТ), в том числе ограниченной мощности. Схемы устройства для реализации заявляемого способа представлены на фиг.1-3.
-3
-6
6
6
Во многих областях современной техники формируются мощные импульсы длительностью 10÷10 сек с энергией в импульсе порядка 10 Дж и более и напряжением до 10 В. Получение импульсов с такими характеристиками от источников ограниченной мощности возможно только путем накопления энергии в течение определенного отрезка времени (более длительного, чем импульс).
Известные способы заряда ЕНЭЭ от источников постоянного и переменного тока через токоограничивающий резистор, включенный последовательно в цепь заряда (схемы на фиг.4 и 5) накопительного конденсатора (НК).
Недостатком таких устройств является крайне низкий коэффициент полезного действия (КПД), не превышающий 0,5, и низкие удельные энергетические показатели. Кроме того, напряжение, до которого заряжается НК, не превышает амплитудного значения напряжения источника питания, а получение напряжения вышеуказанного уровня представляет большую проблему.
2
В случае использования источника переменного тока для заряда НК повышение напряжения можно осуществить с помощью трансформатора. При необходимости увеличение зарядного напряжения часто используют повышающий напряжение трансформатор, масса которого обычно соизмерима с массой источника, а кроме того, при этом происходит увеличение приведенного внутреннего сопротивления источника в к раз, где к - коэффициент трансформации, т.е. при увеличении напряжения с помощью трансформатора масса системы источник-выпрямитель практически удваивается, а внутреннее сопротивление источника возрастает в четыре раза. Это увеличивая потери в устройстве, снижает его КПД. Для получения высокого КПД сопротивление источника должно быть не менее чем в двадцать раз меньше сопротивления нагрузки [1, с.103].
Повышение зарядного напряжения возможно и бестрансформаторным путем - за счет использования вентильно-конденсаторных выпрямителей-умножителей напряжения (ВКВУН).
В [2, с.308-309] отмечается: «умножители напряжения не только позволяют получить ряд выходных напряжений, отличающихся друг от друга почти в целое число раз, при наличии одного источника переменного тока, но позволяет сделать это при использовании малогабаритных и недорогих деталей с низкими номинальными напряжениями…».
3
3
Поскольку выходное сопротивление ВКВУН пропорционально n (где n - коэффициент умножения напряжения), то бестрансформаторное повышение напряжения эквивалентно уменьшению внутреннего сопротивления источника переменного тока в n раз [2, с.309].
При ограниченной мощности ИПТ заряд ЕНЭЭ обычно осуществляют за много периодов изменения его напряжения/тока с последующим его ограничением и выпрямлением, т.е. используют так называемый «медленный заряд». Строго говоря, в системах «медленного» заряда, не считая ВКВУН, конденсаторы и вентили образуют совокупность, позволяющую выпрямлять ток с одновременным умножением зарядного напряжения НК. Все устройства заряда (УЗ) НК с токоограничивающими двухполюсниками (R, L,C и LC) подразделяют на УЗ с послевключенными RL элементами, т.е. включенными между выпрямителем и накопителем и предвключенными токоограничителями в виде R, L, C и LC элементов, включенными на вход выпрямителя, т.е. между источником переменного тока и выпрямителем.
Ограничение тока осуществляется обычно в цепи переменного тока за счет включения реактивного сопротивления между ИПТ и выпрямителем. Такое включение именуется «предвключением». Это обеспечивает не только повышение КПД, но и коэффициента использования мощности источника. При ограничении тока заряда ПК конденсаторами, КПД зарядного устройства возрастает до значений, близких к единице [3 с.89]. Такие УЗ являются энергосберегающими.
В базовом объекте по патенту РФ №2357358, разработанном в ВКА имени А.Ф. Можайского, используется третий способ соединения обмоток источника и токоограничивающедозирующих конденсаторов (ТДК): включение этих конденсаторов внутрь совокупности соединения обмоток трехфазного ИПТ.
Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению по п.1 формулы изобретения является энергосберегающий способ заряда ЕНЭЭ, преимущественно накопительного конденсатора от трехфазного ИПТ, например трансформатора, основанный на ограничении зарядного тока источника и его выпрямлении, заключающийся в по-фазном ограничении его токов ТДК и суммировании выпрямляемых токов в выпрямителе [4]. Этот способ заряда НК реализуется энергосберегающим УЗ. Схема устройства, реализующего этот способ, представлена на фиг.6 [4, фиг.1]. Реализация способа осуществляется устройством, в котором выходные обмотки трехфазного ИПТ соединены по схеме треугольника, а ТДК введены в цепи этого треугольника - последовательно с выходными обмотками источника.
В этом способе процесс интенсификации передачи энергии в накопитель осуществляется за счет одновременного использования всех трех ТДК, что создает токодобавочные цепи за счет одновременной работы всех трех ТДК и их циклического переключения во время работы с режима ограничения тока парой ТДК, на ограничение тока, с одним ТДК и одновременной работой этих двух цепей.
Недостатком этого способа и устройства, его реализующего, является низкий уровень зарядного напряжения НК, не превышающий амплитудного значения линейного/фазного напряжения источника.
Отличительной особенностью такого треугольника с ТДК является отсутствие в нем уравнительных токов, обусловленное включением в треугольник с обмотками источника (трансформатора) конденсаторов, принципиально не способных пропускать постоянную составляющую тока. Данная особенность является несомненным достоинством рассматриваемого включения ТДК в треугольник с обмотками ИПТ, т.е. включения их до выпрямителя. Это обеспечивает отбор энергии источника одновременно от всех трех фаз и втрое увеличивает ток в выпрямителе/нагрузке и, как упомянуто выше, исключает возможность протекания уравнительных токов через обмотки источника/трансформатора, а также подвозбуждает источник электрической энергии (непосредственно или через трансформатор), что повышает его внешнюю - вольтамперную характеристику, так как нагрузка имеет емкостной характер (см. И.П.Копылов «Электрические машины». Учебник для вузов 4-е издание М. Высшая школа, 2004 г. 607 с. илл. - рис.2.56 с.177). Вместе с тем именно известная система заряда ЕНЭЭ с соединением обмоток по схеме треугольник и тремя конденсаторами обладает широкими потенциальными возможностями по ее дальнейшему совершенствованию.
Целью изобретения является улучшение удельных энергетических показателей устройств, реализующих заявляемый способ заряда НК, их упрощение и повышение скорости заряда накопителя энергии путем увеличения угловой длительности фазовых токов источника, двукратного повышения зарядного напряжения по п.2 и четырехкратного по п.3, а также создание дополнительных путей канализации энергии источника в ТДК не только без усложнения схемы УЗНК, но и даже при ее упрощении.
Поставленная цель по п.1 формулы изобретения достигается тем, что в способе заряда ЕНЭЭ от трехфазного ИПТ, основанном на ограничении зарядного тока источника и его выпрямлении и заключающемся в по фазном ограничении его токов ТДК и суммировании выпрямляемых токов в выпрямителе, дополнительно создают пути канализации энергии ИПТ по крайней мере в два его ТДК в виде постоянной составляющей тока упомянутого источника.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству по п.2 формулы изобретения является устройство для заряда ЕНЭЭ (фиг.6), содержащее трехфазный ИПТ, например трансформатор, фазовые обмотки которого соединены через токоограничивающедозирующие конденсаторы в треугольник так, что начала каждой из обмоток через токоограничивающедозирующие конденсаторы подключены к концам смежной и выводы двух вершин треугольника соединены с входными клеммами мостового выпрямителя, выходные клеммы которого соединены с накопителем энергии.
Недостатком этого устройства, реализующего энергосберегающий способ «медленного» заряда НК, является относительно низкий уровень зарядного напряжения НК, не превышающий амплитудного значения линейного/фазного напряжения источника.
Целью изобретения по п.2 формулы изобретения является улучшение удельных энергетических показателей УЗ путем его упрощения и увеличения скорости заряда НК за счет увеличения угловой длительности фазовых токов ИПТ и двукратного повышения зарядного напряжения.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для заряда ЕНЭЭ (1), содержащее трехфазный источник переменного тока (2), фазовые обмотки которого (3, 4 и 5) соединены через ТДК (6, 7 и 8) по схеме треугольника, так, что начала (отмечены на схеме точкой) каждой из обмоток через ТДК подключены к концам смежной и выводы двух вершин треугольника соединены с выходными клеммами мостового выпрямителя (9), на диодах (10-13), выходные клемма которого соединены с накопителем энергии (1), при этом свободный вывод третьей вершины его треугольника подключен к одной из выходных клемм упомянутого выпрямителя (например, отрицательной).
m
m
Подключение третьей вершины треугольника к катодному или анодному выводам мостового выпрямителя создает дополнительные пути для канализации энергии источника в ТДК и в НК в виде постоянной составляющей тока в них. В результате этого два ТДК в процессе функционирования подзаряжаются до напряжения U (амплитуды фазного/линейного напряжения), которое суммируется с напряжением источника и достигает значения 2U. При этом увеличивается энергия зарядного импульса, передаваемая в накопитель.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению по п.3 и 4 формулы изобретения является устройство для заряда ЕНЭЭ, содержащее трехфазный ИПТ, например трансформатор, фазовые обмотки которого соединены через токоограничивающедозирующие конденсаторы в треугольник так, что начала каждой из обмоток через токоограничивающедозирующие конденсаторы подключены к концам смежной, две вентильных ячейки, образованные парами последовательно включенными вентилями, катод первого вентиля первой ячейки образует положительную, анод четвертого вентиля второй ячейки - отрицательную выходную клеммы для подключения емкостного накопителя электрической энергии, а точки соединения вентилей в ячейках подключены к первой и второй вершинам треугольника.
Целью изобретения по п.3 формулы изобретения является улучшение удельных энергетических показателей УЗ путем четырехкратного бестрансформаторного повышения зарядного напряжения НК.
Поставленная цель в устройстве по п.3 формулы изобретения (схема на фиг.2) достигается тем, что устройство для заряда ЕНЭЭ (1), содержащее трехфазный источник переменного тока (2), например трансформатор, фазовые обмотки которого (3, 4 и 5) соединены через ТДК (6, 7 и 8) в треугольник так, что начала каждой из обмоток через ТДК подключены к концам смежной, две вентильных ячейки, образованные парами последовательно включенными вентилями (10, 12 и 11, 13). Катод первого вентиля (10) первой ячейки образует положительную, а анод четвертого вентиля (13) второй ячейки - отрицательную выходную клемму для подключения ЕНЭЭ (1), а точки соединения вентилей в ячейках подключены к первой и второй вершинам треугольника, ЕНЭЭ выполнен в виде двух последовательно включенных конденсаторов (1.1 и 1.2), точка соединения которых объединена с анодом второго (12) и катодом третьего (11) вентилей и третьей вершиной треугольника.
Поставленная цепь в устройстве по п.4 формулы изобретения (схема на фиг.3) достигается тем, что емкостной накопитель электрической энергии по п.3 выполнен в виде трех конденсаторов, два из которых одинаковой емкости соединены последовательно друг с другом и совместно с третьим - большей емкости, образуют треугольник.
Реализацию способа по п.1 формулы изобретения целесообразно рассматривать при работе зарядного устройства, выполненного, например, по схеме фиг.1 (по п.2 формулы изобретения). Этот способ также реализует УЗ по схеме фиг.2 и 3.
m
m
В этих устройствах ввод постоянной составляющей тока, отбираемого от источника переменного тока через вентили 12 и 13, обеспечивает перезаряд ТДК 6 и 8 за счет увеличения угловой длительности тока источника. При этом напряжение этих ТДК суммируется алгебраически с напряжением обмоток источника переменного тока и эти ТДК функционируют в режиме вольтодобавки, обеспечивая раздельный заряд конденсаторов 1.1 и 1.2 до напряжения 2U и получения на выходе устройства напряжения, равного 4U.
Прежде чем рассматривать работу устройства заряда ЕНЭЭ, необходимо отметить, что из-за наличия диодов (вольтамперная характеристика которых существенно нелинейна) они относятся с параметрическим, существенно нелинейным с многократной реконфигурацией цепей, причем параметрическая реконфигурация определяется соотношением напряжений трехфазного ИПТ-ТДК-ЕНЭЭ, где последнее непрерывно увеличивается в каждом полупериоде изменения тока/напряжения источника.
Реализацию способа заряда ЕНЭЭ согласно п.1 формулы изобретения целесообразно рассмотреть при работе УЗ, выполненного по схеме фиг.1 (по п.2 формулы изобретения).
Рассматривая работу энергосберегающего УЗНК по схеме фиг.1, отметим, что так как токи и напряжения источника сдвинуты по-фазно на 120 электрических градусов, процессы в этих зарядных устройствах с трехфазным источником и выпрямителем протекают по 6 каналам и также сдвинуты по фазе относительно друг друга.
В УЗ по фиг.1 имеется шесть каналов передачи энергии источника переменного тока в НК 1 и ТДК 6, 7 и 8, которые не только ограничивают ток заряда, но и запасают избыточную энергию, заряжаясь до напряжения, равного разности напряжения источника и НК в фазовой цепи и до вдвое меньшего - в линейной цепи. Эти каналы в соответствии с обозначениями, приведенными на фиг.1, формируются по следующим цепям:
первый канал 12-А (4-7 фазовый и 6-3-8-5 - линейные токи) - В-11-1-12;
второй канал 13-В (7-4 фазовый и 5-8-3-6 - линейные токи) - А-10-1-13;
третий канал С (8-5 фазовый и 3-6-4-7 - линейные токи) - В-11-1-С;
четвертый канал С (3-6 фазовый и 8-5-7-4 - линейные токи) - А-10-1-С;
пятый канал А-6-3-С-12-А;
шестой канал В-5-8-13-В.
Процесс заряда ПК по этим каналам состоит из двух этапов.
m
m
m
На первом этапе начальный заряд НК осуществляется до амплитудного значения фазного/линейного напряжения источника (U), на втором происходит его дозаряд до напряжения, равного 2U; заряд НК осуществляется по каналам 1-4, а по каналам 5 и 6 осуществляется перезаряд ТДК 5 и 8. По мере заряда НК ток заряда будет уменьшаться. Когда напряжение на НК достигает величины U, заряд (начальный) по каналам 1 и 2 прекратиться и продлится дозаряд НК по каналам 3 и 4 за счет подзаряда ТДК 5 и 6 по упомянутым каналам 5 и 6.
m
На втором этапе ТДК перезаряжаться не будут. В течение одного полупериода они будут по каналам 5 и 6 запасать энергию, а в течение другого - отдавать энергию в НК. Постоянно (по мере дальнейшего дозаряда НК) глубина разряда ТДК 5 и 6 будет уменьшаться и, когда напряжение на НК достигнет 2U, его заряд прекратится.
m
Таким образом, из анализа работы УЗ НК по фиг.1 следует, что введение постоянной составляющей тока источника исключает перезаряд ТДК 5 и 6 на втором этапе зарядного процесса. Это происходит за счет подключения третьей вершины треугольника к анодному выводу выпрямительного моста, так как в этом случае в устройстве образуются каналы 5 и 6, которые на первом этапе обеспечивают перезаряд, а на втором - исключают его. Это обеспечивает работу этих каналов в режиме вольтодобавки и бестрансформаторное повышение напряжения на НК до величины 2U, а также увеличивает угловую длительность зарядного импульса. Это увеличивает скорость заряда НК. Кроме того, в каналах 3 и 4 зарядный ток проходит через один вентиль выпрямителя. Это снижает потери энергии и повышает КПД УЗ.
Анализ работы устройства для заряда ЕНЭЭ, выполненного по схеме фиг.2 (п.3 формулы изобретения) показывает, что в этом устройстве передача энергии от источника в НК происходит также по 6 каналам. Эти каналы в соответствии с обозначениями, приведенными на фиг.2, формируются по следующим цепям:
первый канал 13-С (3-6 фазовый и 8-5-7-4 - линейные токи) - А-10-1.1-1.2-13;
второй канал С-11-В-12-А (6-3 фазовый и 4-7-5-8 - линейные токи) - С;
третий канал 13-С (8-5 фазовый и 3-6-4-7 - линейные токи) - В-1.2-13;
четвертый канал В (7-4 фазовый и 5-8-3-6-линейные токи) - А-10-1.1-В;
пятый канал С-11-В (5-8 фазовый и 7-4-6-3 линейные токи) - С;
шестой канал В-12-А (4-7 фазовый и 6-3-8-5-линейные токи) - В.
m
m
По второму каналу под действием фазного напряжения обмотки 3 и линейных обмоток 4 и 5 в одном полупериоде происходит заряд ТДК 6, 7 и 8, а в следующем полупериоде по первому каналу происходит алгебраическое суммирование напряжения ТДК и обмоток источника и формируется зарядный импульс тока, который осуществляет заряд последовательно соединенных конденсаторов 1.1 и 1.2, образующих ЕНЭЭ. Максимальная амплитуда напряжения этого импульса 2U. Амплитуда зарядных импульсов тока пропорциональна разности зарядного напряжения и напряжения НК, а также пропорциональна сопротивлению зарядной цепи (емкостному сопротивлению ТДК и активному сопротивлению вентилей). По мере заряда НК эта разность напряжения уменьшается, в результате чего уменьшается и величина тока зарядного импульса. Когда каждый из конденсаторов 1.1 и 1.2 будут заряжены до напряжения, равного U, заряд по каналу 1 прекратится.
m
Одновременно, но со сдвигом по фазе через диод 11 по каналу 5 происходит заряд ТДК, а в следующем полупериоде по каналу 3 через диод 10 под действием суммарного напряжения ТДК и обмоток источника будет формироваться зарядный импульс тока. Максимальная амплитуда этого импульса равна 2U.
m
m
Аналогичные процессы, но со сдвигом по фазе протекают в каналах 4 и 6. Постепенно каждый из конденсаторов 1.1 и 1.2 зарядится до напряжения, равного 2U, а напряжение на ЕНЭЭ будет равно 4U.
Таким образом, из анализа работы УЗ НК по фиг.2 следует, что максимальная величина напряжения, до которой заряжается ЕНЭЭ, равна 4Um, т.е. напряжение на ЕНЭЭ больше, чем у прототипа в 4 раза. Это обеспечивает увеличение энергии, запасаемой в накопителе, в 16 раз.
Анализ работы устройства для заряда ЕНЭЭ, выполненного по схеме фиг.3 (п.4 формулы изобретения), показывает, что электрические процессы, протекающие в нем, аналогичны процессам в устройстве, выполненном по фиг.2.
m
m
Использование вариантов энергосберегающих устройств по схемам фиг.1-3 позволяет увеличить напряжение на НК бестрансформаторным путем до 2U, 4U. Это обеспечивает увеличение энергии, запасаемой в ЕНЭЭ, на 400 и 1600% соответственно при практически неизменной массе зарядных устройств, реализующих рассматриваемый способ.
Рассмотренные схемотехнические решения УЗ НК, реализующие упомянутый способ заряда накопителей, преобразуя мостовой выпрямитель в выпрямитель-умножитель напряжения, позволяет осуществить бестрансформаторное повышение зарядного напряжения в 2 и 4 раза. Это, снижая требования к изоляции непосредственного трехфазного источника переменного тока, обеспечивает уменьшение массы самого источника и улучшает удельные характеристики УЗ.
Сочетание в УЗ НК по п.2 формулы изобретения четырех вентилей (10-13), трех обмоток трехфазного источника переменного тока и трех ТДК, подключенных к двум входным и одной выходной клемме этого моста, расширяет (диверсифицирует) роль и значение этой совокупности, в которой вентили функционируют как в режиме мостового, так и лучевых выпрямителей. В результате этого увеличивается не только угловая длительность отбора тока от ИПТ, но и угловая длительность работы этих вентилей, а в результате уменьшаются потери мощности при канализации энергии ИПТ в ТДК и из них в НК. При этом вентили моста не только выпрямляют ток ИПТ, но и обеспечивают бестрансформаторное повышение зарядного напряжения.
Разделение ЕНЭЭ на два НК и реконфигурация схемы соединения вентилей в две ячейки, в УЗ, где каждый из двух конденсаторов шунтирует вентильную ячейку, средние точки которых подключены к двум вершинам треугольника, а точка соединения ячеек конденсаторов подключена к третьей вершине треугольника, обеспечивает дополнительное удвоение зарядного напряжения без использования дополнительных элементов.
Новизна предложения не следует явным образом из известного уровня техники, обеспечивает изобретательский уровень данных изобретений, которые могут быть использованы для «медленного» заряда ЕНЭЭ генераторов мощных импульсов, применяемых для питания оптических квантовых генераторов, импульсных электрореактивных двигателей, устройств экспериментальной физики и т.п.
Таким образом, в способе заряда ЕНЭЭ трехфазного источника переменного тока, например, трансформатора, основанного на ограничении зарядного тока источника и его выпрямлении, заключающемся в по-фазном ограничении его токов токоограничивающедозирующими конденсаторами и суммировании выпрямляемых токов в выпрямителе, отличающемся тем, что дополнительно создают пути канализации энергии источника, по крайней мере, в два его токоограничивающедозирующие конденсатора в виде постоянной составляющей тока упомянутого источника, улучшаются технико-экономические показатели устройств заряда. На одну треть уменьшается число диодов в выпрямителе, в 2 и 4 раза увеличивается величина зарядного напряжения, а запасаемая энергия в - 4 и 16 раз.
Экспериментальное исследование макетов устройств для заряда ЕНЭЭ, выполненных по схемам фиг.1-3, проведенные в лаборатории электроснабжения Военно-космической академии А.Ф. Можайского, подтвердили их хорошую работоспособность и реальность достижения цели изобретения по всем пунктам формулы изобретения.
Источники информации
1. Основы теории цепей. Учебник изд. 4, М., «Энергия» 1975 г., 752 с., илл.
2. Справочник по полупроводниковой электронике под ред. Хантера. Сокр. перевод с английского под ред. доктора технических наук С.Я. Шаца и кандидата технических наук И.И. Китвинова, М. Машиностроение 1975 г., 508 с., илл.
3. Сенилов Г.Н. и др. «Расчет и эксплуатация светотехнических импульсных установок и источников питания», М., Энергоиздат 1989 г., 198 с., илл.
4. Патент на изобретение №2357358 «Способ заряда емкостного накопителя электрической энергии и устройство для его осуществления».