ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО НАКОПИТЕЛЬНОГО КОНДЕНСАТОРА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в электрофизических установках с высоковольтными емкостными накопителями энергии.
Известно зарядное устройство накопительного конденсатора [1], содержащее транзисторный инвертор с дозирующими конденсаторами, зашунтированными обратными диодами, высоковольтный трансформатор, вторичная обмотка которого через выпрямительный мост присоединена к накопительному конденсатору, а первичная обмотка подключена к выходу инвертора через токоограничивающий дроссель.
Недостатком известного устройства является невысокая надежность, вследствие динамических потерь в транзисторах инвертора на начальной стадии зарядки накопительного конденсатора.
В качестве прототипа выбрано известное зарядное устройство накопительного конденсатора с бестоковой коммутацией транзисторов инвертора [2], содержащее транзисторный инвертор с дозирующими конденсаторами, зашунтированными обратными диодами, высоковольтный трансформатор, вторичная обмотка которого через выпрямительный мост присоединена к накопительному конденсатору, а первичная обмотка подключена к выходу инвертора через разделительный конденсатор.
Недостатком прототипа является сложность практической реализации высоковольтного трансформатора с малой индуктивностью рассеяния вследствие увеличенных изоляционных расстояний и геометрических размеров его обмоток, необходимой для обеспечения бестоковой коммутации транзисторов инвертора на высоких рабочих частотах.
Предлагаемой полезной моделью решается задача совершенствования зарядных устройств накопительных конденсаторов с бестоковой коммутацией транзисторов инвертора.
Технический результат от использования полезной модели состоит в обеспечении бестоковой коммутации транзисторов инвертора на высоких рабочих частотах при относительно больших значениях индуктивности рассеяния высоковольтного трансформатора при его типовом исполнении.
Указанный технический результат достигается с помощью зарядного устройства накопительного конденсатора, содержащего транзисторный инвертор с дозирующими конденсаторами, зашунтированными обратными диодами, высоковольтный трансформатор, вторичная обмотка которого через выпрямительный мост присоединена к накопительному конденсатору, а первичная обмотка подключена к выходу инвертора через разделительный конденсатор, параллельно которому подключен шунтирующий дроссель.
Введение шунтирующего дросселя делает прерывистым характер тока первичной обмотки высоковольтного трансформатора вне зависимости от индуктивности рассеяния его обмоток. Это позволяет, по сравнению с прототипом, исключить необходимость разработки высоковольтных трансформаторов с малыми индуктивностями рассеяния и упростить их практическую реализацию.
На фиг.1 представлена структурная электрическая схема зарядного устройства, где 1 - транзисторный инвертор, 2, 3 - дозирующие конденсаторы, 4, 5 - обратные диоды, 6, 7 - транзисторы инвертора, 8 - высоковольтный трансформатор с суммарной индуктивностью рассеяния обмоток трансформатора, приведенной к первичной обмотке, 9 - выпрямительный мост, 10 - накопительный конденсатор, 11 - разделительный конденсатор, 12 - шунтирующий дроссель.
На фиг.2 приведены диаграммы работы зарядного устройства.
На диаграммах буквами обозначены: а - сигнал управления транзистором 6; б - сигнал управления транзистором 7; в - напряжение на дозирующем конденсаторе 2; г - напряжение на дозирующем конденсаторе 3; д - ток первичной обмотки трансформатора 8; е - ток разделительного конденсатора 11; ж - ток дросселя 12; з - напряжение на разделительном конденсаторе 11; и - ток коллектора транзистора 6.
Устройство содержит транзисторный инвертор 1, включающий в себя дозирующие конденсаторы 2 и 3, обкладки которых зашунтированы обратными диодами 4 и 5, и транзисторы 6, 7. Вторичная обмотка высоковольтного трансформатора 8 присоединена к входу выпрямительного моста 9, выход которого подключен к накопительному конденсатору 10. Первичная обмотка трансформатора 8 через разделительный конденсатор 11, параллельно которому подключен шунтирующий дроссель 12, присоединена к выходу инвертора.
Принцип работы предлагаемого устройства поясняется диаграммами, приведенными на фиг.2 и заключается в следующем.
В каждом полупериоде работы предлагаемого устройства на начальном этапе зарядки накопительного конденсатора можно выделить четыре характерных интервала.
1
2
На первом интервале t-t (фиг.2), который начинается с момента подачи сигнала управления на транзистор 6 инвертора 1, происходит разряд дозирующего конденсатора 2 на накопительный конденсатор 10 через открытый транзистор 6, разделительный конденсатор 11, шунтирующий дроссель 12, трансформатор 8 и диоды выпрямительного моста 9.
12
1
2
1
2
12
При этом ток в первичной обмотке высоковольтного трансформатора 8 имеет колебательный характер и с учетом того, что величина емкости С разделительного конденсатора 11 выбирается значительно большей емкостей С и С (C=С=0,04…0,07С) дозирующих конденсаторов, круговая частота собственных колебаний L-С контура на первом интервале равна
т
где L - величина приведенной суммарной индуктивности рассеяния обмоток трансформатора 8.
1
2
Начиная с момента t ток первичной обмотки трансформатора 8, а также коллекторный ток транзистора 6 плавно возрастают с нулевого значения. Одновременно происходит разряд дозирующего конденсатора 2 и при снижении его напряжения до нуля в момент времени t отпирается диод 4.
2
3
На втором интервале t-t ток первичной обмотки трансформатора протекает через диод 4 и энергия, накопленная в приведенной суммарной индуктивности рассеяния обмоток трансформатора 8, через трансформатор 8 и выпрямительный мост 9 передается в накопительный конденсатор 10. Одновременно происходит зарядка конденсатора 11. При этом токи конденсатора 11 и шунтирующего дросселя 12, соединенных параллельно, находятся в противофазе, а их сумма равна току первичной обмотки трансформатора 8.
На втором интервале ток в первичной обмотке трансформатора 8, транзисторе 6 также имеет колебательный характер, а круговая частота собственных колебаний L-С контура на этом интервале равна
где  - частота собственных колебаний L-С контура на втором интервале, не содержащего шунтирующий дроссель 12; С - емкость разделительного конденсатора 11; L - индуктивность шунтирующего дросселя 12.
3
В момент времени t ток первичной обмотки достигает нулевого значения.
3
4
4
На третьем интервале t-t, ток первичной обмотки меняет полярность и протекает через обратный диод транзистора 6 за счет энергии, накопленной в конденсаторе 11. При этом напряжение конденсатора 11 снижается за счет того, что часть его энергии передается в конденсаторы 2, 10 и шунтирующий дроссель 12. Конденсатор 2 заряжается в прямой полярности. В момент времени t ток становится равным нулю и обратный диод транзистора 6 запирается.
На третьем интервале процессы в контуре также имеют колебательный характер с круговой частотой, определяемой формулой (1).
4
5
На четвертом интервале t-t ток протекает в контуре, образованном параллельно соединенными конденсатором 11 и шунтирующим дросселем 12, при этом в первичной обмотке трансформатора 8 ток равен нулю до момента подачи управляющего сигнала на транзистор 7.
По мере зарядки накопительного конденсатора 10 ток первичной обмотки трансформатора 8 будет снижаться быстрее, а длительность бестоковой паузы в ней - возрастать.
Из приведенного описания и выражений для расчета круговой частоты собственных колебаний силового контура на интервалах работы зарядного устройства следует, что длительность наибольшего, второго интервала в работе зарядного устройства при заданной емкости конденсатора 11 и индуктивности рассеяния высоковольтного трансформатора 8 может быть сделана сколь угодно малой путем уменьшения индуктивности шунтирующего дросселя 12. За счет этого обеспечивается режим прерывистого тока в первичной обмотке трансформатора 8, а также бестоковая коммутация транзисторов 6 и 7 при относительно больших значениях приведенной суммарной индуктивности рассеяния обмоток трансформатора 8.
Это позволяет, по сравнению с прототипом, упростить практическую реализацию высоковольтного трансформатора, используя типовое его исполнение с повышенной индуктивностью рассеяния и не прибегая к усложнению его конструкции.
Источники информации:
1. Кириенко В.П., Ваняев В.В., Копелович Е.А., Ваняев С.В. Моделирование тепловых процессов в зарядных устройствах импульсных источников электропитания. Труды НГТУ. Электрооборудование промышленных установок. Том 59, Н.Новгород, 2006.
2. Патент на полезную модель №63622 РФ, МПК Н03К 3/53. Зарядное устройство накопительного конденсатора / Кириенко В.П., Ваняев С.В., Ваняев В.В. // Опубл. 27.02.2007, Бюл. №15.