СПОСОБ ЗАРЯДКИ ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ
CHARGING METHOD OF CAPACITIVE ENERGY STORAGE

Область техники
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в высоковольтных источниках питания для заряда емкостных накопителей энергии, а также в других источниках, требующих максимальной отдачи энергии в широком диапазоне изменения нагрузки.
Уровень техники
Известен способ заряда емкостного накопителя [1], основанный на ступенчатой аппроксимации зарядной функции выходного напряжения за счет формирования К ступеней преобразователей из N уровней их выходных напряжений по определенному закону. Режим зарядки при этом приближается к линейному закону, т.е. среднее значение зарядного тока остается постоянным, повышая тем самым КПД установки.
Недостатком данного способа является то, что при высоком коэффициенте усиления по напряжению скачки тока при подключении очередной ступени могут быть значительны, что приводит к необходимости увеличения установленной мощности элементов зарядного устройства. При этом массогабаритные показатели зарядного устройства значительно увеличиваются, т.к. время работы каждого из модулей строго меньше времени заряда емкостного накопителя.
Известен способ заряда емкостного накопителя [2], заключающийся в том, что зарядное напряжение формируют ступенчато, увеличивая его в зависимости от напряжения емкостного накопителя, и одновременно уменьшают ток зарядки; на первой ступени зарядного напряжения формируют дополнительную ступень тока зарядки, действующее значение которого меньше или равно действующему значению тока зарядки последней ступени зарядного напряжения, соответствующему короткому замыканию в емкостном накопителе энергии или цепи импульсной нагрузки.
Такой способ позволяет снизить скачки тока при переходе со ступени на ступень, однако установленная мощность зарядного устройства при этом становится избыточной, т.к. часть модулей на начальном этапе заряда емкостных накопителей энергии не работает. Достижение высокого коэффициента усиления по напряжению требует либо увеличения ступеней, либо увеличения коэффициента трансформации выходных трансформаторов модулей.
Как известно, большой коэффициент трансформации приводит к росту потерь из-за возникающих паразитных емкостей. Как следствие, в вышеописанных устройствах при большой мощности и большом коэффициенте усиления по напряжению их надежность и КПД снижаются за счет роста коммутационных потерь и количества модулей, при этом также увеличиваются их масса и габариты.
Прототипом заявляемого изобретения служит наиболее близкий по технической сущности способ зарядки емкостного накопителя энергии [3] зарядным устройством, состоящим из n инверторных модулей, при котором увеличивают выходное напряжение для поддержания заданного уровня тока зарядного емкостного накопителя или потребляемого тока; инверторные модули выполняют резонансными и управляют ими частотно-импульсным методом с фазовым сдвигом импульсов управления соседних модулей на π/n, а частоту управления увеличивают, что обеспечивает рост выходного напряжения за счет уменьшения бестоковой паузы и резонансной раскачки в колебательных контурах инверторных модулей. При этом постоянство тока заряда емкостного накопителя или потребляемого тока поддерживают изменением частоты по сигналу с датчика тока заряда емкостного накопителя или потребляемого тока.
К недостаткам прототипа следует отнести наличие датчиков тока в цепи нагрузки, влияющих на формирование импульсов управления инверторами, т.к. в основном резонансные источники используются для заряда высоковольтных конденсаторов генераторов импульсных напряжений (ГИН), и любая обратная связь может стать источником больших электромагнитных наводок на схему управления; привести к сбоям в работе и возникновению недопустимых режимов работы источника, таких как коммутация силовых ключей инвертора под токами большой амплитуды, и возникновению недопустимой амплитуды резонансного тока из-за включения в момент протекания обратной полуволны резонансного тока.
Другим недостатком является то, что регулировка частоты осуществляется косвенным методом, т.е. выходное напряжение напрямую не связано с резонансным контуром инвертора. Такой метод не позволяет произвести точной подстройки под изменение резонансного контура, что усложняет схему, а также ее настройку.
Кроме того, фиксированная длительность импульсов управления ограничивает возможность максимальной отдачи энергии в нагрузку.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом является повышение удельной мощности зарядного устройства за счет оптимизации работы инвертора, при которой длительность импульсов управления изменяется в соответствии с изменением параметров резонансного контура, а пауза резонансного тока на всем протяжении времени заряда приближается к нулю.
Технический результат достигается тем, что в способе зарядки емкостного накопителя энергии зарядным устройством, состоящим из управляемых частотно-импульсным методом резонансных инверторных модулей, увеличивают выходное напряжение за счет уменьшения бестоковой паузы. Новым в способе является то, что управление инвертором осуществляют в автоколебательном режиме с частотой, определяемой резонансным контуром, причем управляющие импульсы формируют с возможностью переключения инвертора при нулевом значении тока в резонансном контуре.
Благодаря управлению инвертором в автоколебательном режиме частота управления увеличивается не только за счет уменьшения бестоковой паузы, но и за счет уменьшения длительности импульсов управления, что позволяет повысить удельную мощность зарядного устройства при тех же массогабаритных параметрах устройства.
Формирование управляющих импульсов с возможностью переключения инвертора при нулевом значении тока в резонансном контуре позволяет дополнительно повысить надежность зарядного устройства.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для реализации заявляемого способа, где: 1 - схема контроля резонансного тока; 2 - схема формирования сигнала «вкл/выкл»; 3 - сигнал разрешения начала работы «вкл/выкл»; 4 - триггер переключения диагоналей инвертора; 5 - выходной усилитель; 6 - датчик резонансного тока; 7 - инвертор; 8 - трансформатор и резонансный контур; 9 - выпрямитель; 10 - емкостная нагрузка.
На фиг.2 представлена диаграмма работы устройства, где: 1 - сигнал разрешения начала работы «вкл/выкл»; 2 - сигнал переключения триггера; 3 - сигнал управления первой диагональю; 4 - сигнал управления второй диагональю; 5 - форма резонансного тока.
На фиг.3 представлена осциллограмма, показывающая синхронизированные по времени зарядные характеристики двух каналов системы ИЗУ - ГИН мощностью 35 кВт, где по горизонтальной оси показано время зарядки, а по вертикальной оси - напряжение заряда. Кривая 1 соответствует способу зарядки емкостного накопителя, основанному на независимом увеличении частоты управления с момента начала заряда до его окончания. Кривая 2 соответствует зарядной характеристике, реализованной заявляемым способом зарядки.
Способ зарядки емкостного накопителя энергии зарядным устройством, состоящим из управляемых частотно-импульсным методом резонансных инверторных модулей, включает управление инвертором в автоколебательном режиме с частотой, определяемой резонансным контуром. Причем управляющие импульсы формируют с возможностью переключения инвертора при нулевом значении тока в резонансном контуре, а увеличение выходного напряжения обеспечивают за счет уменьшения бестоковой паузы и уменьшения длительности импульсов управления.
Заявляемый способ зарядки емкостного накопителя осуществляется следующим образом.
Сигнал начала работы источника 3 совместно с сигналом схемы контроля резонансного тока 1 дает разрешение на переключение триггера диагоналей инвертора 4. Изменение сигналов на выходах триггера 4 вызывает появление сигнала управления одной из диагоналей инвертора 7 на выходе усилителя 5. Появление прямой полуволны резонансного тока этой диагонали по сигналу с датчика тока 6 блокирует выходной усилитель 5 от выключения, а так же схему формирования сигнала «вкл/выкл» 2 от случайного переключения диагоналей инвертора 7. Появление обратной полуволны резонансного тока этой диагонали продолжает блокировать схему формирования сигнала «вкл/выкл» 2 и приводит к выключению выходного усилителя 5. По окончании колебательного процесса в резонансном контуре сигнал схемы контроля резонансного тока 1 совместно с сигналом «вкл/выкл» 3 дает разрешение на переключение триггера 4, и процесс повторяется, но уже в другой диагонали инвертора.
По диаграмме, показанной на фигуре 2, видно, что длительность паузы между переключениями диагоналей определяется длительностью обратной полуволны резонансного тока, цепями задержки переключения триггера и выходного усилителя, а также паразитными колебаниями в резонансном контуре. Длительность импульсов управления 3, 4 приближается к длительности прямой полуволны резонансного тока 5, что позволяет своевременно подстраиваться под изменения параметров резонансного контура на всем протяжении времени заряда емкостного накопителя.
Предлагаемый способ зарядки опробован в составе системы ИЗУ - ГИН мощностью 35 кВт и показал хорошие результаты.
ИЗУ (импульсное зарядное устройство) состояло из двух идентичных каналов, каждый из которых обеспечивал зарядку секции конденсаторов ГИН (генератора импульсных напряжений) емкостью 0,6 мкФ до напряжения минус 60 кВ ± 5%. Осциллограмма, показывающая зарядные характеристики обоих каналов, представлена на фиг.3, где один вольт развертки по напряжению соответствует 10 кВ выходного напряжения. Отличие каналов заключалось в построении блоков управления. В канале, которому соответствует зарядная характеристика 1, применялся способ зарядки емкостного накопителя, основанный на независимом увеличении частоты управления с момента начала заряда до его окончания. В канале с зарядной характеристикой 2 реализован заявляемый способ зарядки. По осциллограмме видно, что кривая 1 опережает кривую 2 в начальный момент времени, это объясняется тем, что переключение диагоналей инвертора осуществляется в момент протекания обратной полуволны резонансного тока предыдущей диагонали. Такое переключение вызывает увеличение амплитуды резонансного тока в полтора-два раза, а следовательно, и увеличения энергетического вклада в нагрузку. Для достижения такого результата потребовалось установить силовые ключи, рассчитанные на значительно больший ток, чем среднее значение резонансного тока, что также увеличило стоимость источника. В канале с зарядной характеристикой 1 амплитуда резонансного тока уменьшается со 180А в начальный момент времени до 70А в конце заряда, что говорит о неточной компенсации увеличения частоты резонансного контура по мере заряда за счет независимого увеличения частоты управления. В канале с заявляемым способом зарядки амплитуда тока падает со 110А до 90А, что объясняет более линейный характер заряда. Также можно заметить, что через 60 мс кривая 2 начинает опережать кривую 1.
Меньшее значение резонансного тока, позволяющее применить менее мощные и дешевые ключи, более линейная характеристика заряда и более высокая удельная мощность источника с заявляемым методом зарядки при равных параметрах резонансного контура доказывают преимущества предлагаемого метода управления.
Изобретение найдет применение в преобразовательной технике и может быть использовано в высоковольтных источниках питания для заряда емкостных накопителей энергии, а также в других источниках, требующих максимальной отдачи энергии в широком диапазоне изменения нагрузки.
Источники информации
1. А.С. №738114, МКИ Н03K 3/53, опубл. 30.05.1980 г., БИ №20.
2. А.С. №928621, МКИ Н03K 3/53, опубл.15.05. 1982 г., БИ №18.
7
3. RU №2260892, МПК H02J 7/02, Н03К 3/53, опубл. 20.09.2005, Бюл. №26.