ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Индуктивно-емкостный преобразователь относится к области электротехники и может быть использован в системах питания и распределения электрической энергии в качестве преобразователя источника ЭДС в источник тока для питания устройств электротермии, оптических квантовых генераторов, для заряда емкостных накопителей, аккумуляторных батарей, в установках магнитно-импульсной обработки металлов, в генераторах накачки импульсных лазеров, в машинах конденсаторной контактной электросварки, в установках техники физических экспериментов и т.д.
µ
S
Практически во всех источниках электропитания неизменным током, использующих индуктивно-емкостный преобразователь (ИЕП), в качестве согласующего элемента и (или) гальванической развязки применяются трансформаторы, в которых присутствуют индуктивность намагничивания L и индуктивность рассеяния L.
Известна Г-образная схема Бушеро (Белостоцкий Б.Р., Любавский Ю.В., Овчинников В.М. Основы лазерной техники. М., «Советское радио», 1972, стр.245, рис.4.7.а), которая представляет собой устройство, состоящее из настроенного в резонанс последовательного колебательного LC-контура, подключенного к источнику гармонической ЭДС (источник ЭДС), причем нагрузка подключена параллельно конденсатору.
Существуют также различные модификации резонансных контуров индуктивно-емкостных преобразователей, среди которых наибольшее применение нашли преобразователи с симметричной Т-образной резонансной схемой, содержащей настроенные в резонанс на частоте питающей сети конденсатор и дроссель, выполненный из двух последовательно соединенных частей, причем нагрузка подключается через согласующий трансформатор (Белостоцкий Б.Р., Любавский Ю.В., Овчинников В.М. Основы лазерной техники. М., «Советское радио», 1972, стр.245, рис.4.7.б). При этом напряжение на первичной и вторичной обмотках трансформатора пропорционально величине сопротивления нагрузки, а ток нагрузки остается неизменным при изменении сопротивления нагрузки в широких пределах.
Недостатками указанных схем являются повышенные массогабаритные и стоимостные показатели из-за наличия двух электромагнитных элементов - дросселя резонансного колебательного контура и согласующего трансформатора. Резонансный колебательный контур - рассчитан только на определенное (заданное) значение выходного тока, что не позволяет регулировать выходной ток в процессе работы, снижает универсальность устройств и создает необходимость проектирования и применения отдельного индуктивно-емкостного преобразователя для каждого вновь заданного значения выходного тока. Кроме этого существует нежелательная зависимость значения выходного тока ИЕП от изменений частоты и действующего значения напряжения источника ЭДС, а также от флуктуации параметров элементов колебательного контура. Это приводит к сужению возможных пределов изменения сопротивления нагрузки и ухудшает качество рассматриваемого устройства как источника неизменного тока.
Известен индуктивно-емкостный преобразователь (см. патент РФ RU 77517 U1, М. кл. Н02М 5/06 (2006.01), опубл. 20.10.2008). Устройство содержит источник ЭДС, конденсаторный блок, состоящий из одного конденсатора, трансформаторный блок, состоящий из нерегулируемого трансформатора и нагрузку. Источник ЭДС последовательно соединен с конденсаторным блоком, трансформаторным блоком и нагрузкой, при этом емкость конденсаторного блока и индуктивность трансформаторного блока, состоящая из индуктивности рассеяния первичной обмотки и индуктивности намагничивания нерегулируемого трансформатора, содержащегося в трансформаторном блоке, образуют резонансный колебательный контур на частоте напряжения источника ЭДС, причем:
e
где ω - круговая частота питающей сети (источника ЭДС),
k
е
ω=ω - собственная круговая частота колебательного контура,
S
L - индуктивность рассеяния первичной обмотки трансформатора, содержащегося в трансформаторном блоке,
µ
L - индуктивность намагничивания трансформатора, содержащегося в трансформаторном блоке,
T
L - индуктивность трансформаторного блока,
С - емкость конденсаторного блока.
Согласно принципу действия рассматриваемый индуктивно-емкостный преобразователь работает следующим образом.
В колебательном LC-контуре, образованном емкостью конденсаторного блока и индуктивностью трансформаторного блока и настроенном на частоту питающей сети, возникает резонанс напряжений.
При этом напряжение на входе и выходе трансформаторного блока пропорционально величине сопротивления нагрузки, а ток нагрузки остается неизменным при изменении сопротивления нагрузки в широких пределах. Действующее значение тока нагрузки определяется, как:
e
где U - действующее значение напряжения источника ЭДС,
S
µ
и требует проектирования и изготовления трансформаторного блока с заданной величиной L+L трансформатора, а также конденсаторного блока с заданной величиной емкости С.
В данном устройстве, в отличие от предыдущего аналога отпадает необходимость использовать в колебательном контуре дроссель, который является громоздким и дорогостоящим изделием, поэтому данный индуктивно-емкостный преобразователь имеет улучшенные массогабаритные и стоимостные показатели. Однако, как и в предыдущем аналогичном устройстве, резонансный колебательный контур рассчитан только на определенное (заданное) значение выходного тока, что не позволяет регулировать выходной ток в процессе работы, снижает универсальность устройства и создает необходимость проектирования и применения отдельного индуктивно-емкостного преобразователя для каждого вновь заданного значения выходного тока. Кроме этого существует нежелательная зависимость значения выходного тока устройства от изменений частоты и действующего значения напряжения источника ЭДС, а также от флуктуации параметров элементов колебательного контура. Это приводит к сужению возможных пределов изменения сопротивления нагрузки и ухудшает качество рассматриваемого устройства как источника неизменного тока.
При изменении напряжения источника ЭДС согласно формуле (2) происходит соответствующее изменение действующего значения выходного тока.
e
k
При изменении частоты напряжения сети (источника ЭДС), когда ω≠ω, нарушается условие резонанса:
При этом действующее значение тока нагрузки  прямо пропорционально отношению частот m, равного отношению частоты питающей сети (источника ЭДС) к собственной резонансной частоте колебательного контура:
e
где ω - круговая частота питающей сети,
e
k
- действующее значение тока нагрузки на частоте источника ЭДС ω=ω.
Флуктуации параметров индуктивности и емкости колебательного контура в процессе работы также приводят к нарушению условия (3) и, следовательно, к нежелательным изменениям выходного тока индуктивно - емкостного преобразователя.
Следует также отметить, что в режиме холостого хода нагрузки, или в режимах близких к холостому ходу (большое сопротивление нагрузки), при резонансе в последовательном колебательном контуре, образованном емкостью конденсаторного блока и индуктивностью трансформаторного блока, напряжение на реактивных элементах блоков в добротность раз больше, чем напряжение источника ЭДС. Большие напряжения на конденсаторном и трансформаторном блоках могут привести к выходу из строя, подключенной нагрузки, а также к повреждению элементов схемы устройства, после чего индуктивно-емкостный преобразователь становится неработоспособным.
Данный индуктивно-емкостный преобразователь выбран в качестве прототипа.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель является защита блоков устройства, а также нагрузки от перенапряжений при резонансе, повышение надежности и универсальности известного индуктивно-емкостного преобразователя, исключение необходимости проектирования и применения отдельного индуктивно-емкостного преобразователя для каждого вновь заданного значения выходного тока.
Достигаемым техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности регулирования выходного тока индуктивно-емкостного преобразователя в процессе работы, ослабление зависимостей выходного тока от изменений частоты и действующего значения напряжения источника ЭДС, а также от флуктуации параметров элементов резонансного колебательного контура с одновременным сохранением свойств источника неизменного тока при изменении сопротивления нагрузки в широких пределах, ограничение резонансных токов колебательного контура в режимах холостого хода нагрузки.
Достижение указанного технического результата обеспечивается в предлагаемом индуктивно-емкостном преобразователе, содержащем источник ЭДС, первый датчик напряжения, конденсаторный блок, первый датчик тока, второй датчик напряжения, трансформаторный блок, решающее устройство, блок управления и контроля, второй датчик тока, контактор и нагрузку, при этом источник ЭДС выходом соединен с первым входом первого датчика напряжения и с первым входом конденсаторного блока, первый выход которого соединен со вторым входом первого датчика напряжения и со входом первого датчика тока, первый выход которого связан со входом второго датчика напряжения и с первым входом трансформаторного блока, второй вход/выход которого является первым выходом/входом решающего устройства, второй выход/вход которого является вторым входом/выходом конденсаторного блока, выходы первого и второго датчиков напряжения, а также второй выход первого датчика тока связаны соответственно с третьим, четвертым и пятым входами решающего устройства, шестой вход/выход которого соединен с выходом/входом блока управления и контроля, седьмой вход решающего устройства соединен с первым выходом второго датчика тока, вход которого связан с третьим выходом трансформаторного блока, а второй выход второго датчика тока с первым входом контактора, второй вход которого соединен с восьмым выходом решающего устройства, а выход контактора со входом нагрузки, причем конденсаторный и трансформаторный блоки выполнены с регулированием реактивного сопротивления, при этом конденсаторный блок содержит n+1 конденсаторов, (где n - любое целое неотрицательное число, определяющее диапазон изменения емкости конденсаторного блока), а трансформаторный блок содержит управляемый трансформатор с регулированием индуктивности.
Структурная схема предлагаемого индуктивно-емкостного преобразователя приведена на фигуре 1.
Согласно фиг.1 индуктивно-емкостный преобразователь содержит источник 1 ЭДС, выход которого соединен с первым входом первого 2 датчика напряжения и с первым входом конденсаторного блока 3, первый выход которого соединен со вторым входом первого 2 датчика напряжения и со входом первого 4 датчика тока, первый выход которого связан со входом второго 5 датчика напряжения и с первым входом трансформаторного блока 6, второй вход/выход которого является первым выходом/входом решающего устройства 7, второй выход/вход которого является вторым входом/выходом конденсаторного блока 3, выходы первого 2 и второго 5 датчиков напряжения, а также второй выход первого 4 датчика тока связаны соответственно с третьим, четвертым и пятым входами решающего устройства 7, шестой вход/выход которого соединен с выходом/входом блока 8 управления и контроля, седьмой вход решающего устройства 7 соединен с первым выходом второго 9 датчика тока, вход которого связан с третьим выходом трансформаторного блока 6, а второй выход второго 9 датчика тока с первым входом контактора 10, второй вход которого соединен с восьмым выходом решающего устройства 7, а выход контактора 10 со входом нагрузки 11.
Индуктивно-емкостный преобразователь работает следующим образом.
min
max
k
min
max
k
В начальный момент времени решающее устройство 7 подает сигнал в конденсаторный блок 3 для подключения, содержащегося в нем балластного сопротивления, контактор 10 при этом разомкнут и ток в нагрузку не поступает. Далее, решающее устройство 7 начинает выдавать команды управления конденсаторным блоком 3 для поочередного включения содержащихся в конденсаторном блоке 3 конденсаторов, при этом емкость конденсаторного блока 3 изменяется от С до C с шагом С (где C - минимальная емкость конденсаторного блока, С - максимальная емкость конденсаторного блока, С - дискретная величина емкости, определяющая плавность изменения емкости конденсаторного блока 3). Происходит ступенчатое регулирование реактивного сопротивления конденсаторного блока 3 во всем диапазоне его изменения. Причем максимальная емкость конденсаторного блока 3 определяется как:
min
max
k
Значения емкостей C, C и C, выбираются исходя из необходимого диапазона и плавности регулирования выходного тока индуктивно-емкостного преобразователя, а также с учетом возможных флуктуации параметров резонансного контура, изменений частоты и действующего значения напряжения источника 1 ЭДС в процессе работы.
Изменяя реактивное сопротивление конденсаторного блока 3, решающее устройство 7 одновременно с этим направляет сигналы управления трансформаторным блоком 6 для регулирования индуктивности трансформатора, содержащегося в трансформаторном блоке 6. При этом реактивное сопротивление трансформаторного блока 6 также регулируется, и настраивается в резонанс с реактивным сопротивлением конденсаторного блока 3. В это время в решающем устройстве 7, по сигналам, поступающим с первого 2 и второго 5 датчиков напряжения, а также с первого 4 датчика тока, происходит вычисление текущих значений реактивных сопротивлений конденсаторного 3 и трансформаторного 6 блоков, и сравнение этих значений на каждой ступени регулирования реактивного сопротивления конденсаторного блока 3. После достижения равенства текущих значений реактивных сопротивлений блоков 3 и 6 решающее устройство 7 записывает в память сигналы управления трансформаторным блоком 6 и соотносит их с соответствующими командами управления, поступающими в конденсаторный блок 3. Таким образом, происходит первоначальная настройка индуктивно-емкостного преобразователя для дальнейшей работы. После этого блок 8 управления и контроля задает значение выходного тока индуктивно-емкостного преобразователя и решающее устройство 7 подает сигнал на замыкание контактора 10 для подключения нагрузки 11, а также сигнал управления в конденсаторный блок для шунтирования балластного сопротивления.
Регулирование выходного тока индуктивно-емкостного преобразователя в процессе работы происходит следующим образом. Блок 8 управления и контроля задает значение выходного тока. Сигнал с заданным значением поступает в решающее устройство 7, которое вычисляет необходимое значение реактивного сопротивления конденсаторного блока 3 и формирует команды управления конденсаторным блоком 3 для подключения необходимого количества конденсаторов. Одновременно с этим решающее устройство 7 соотносит команды управления конденсаторным блоком 3 с записанными ранее в память соответствующими сигналами управления трансформаторным блоком 6. Соответствующие сигналы управления трансформаторным блоком 6 извлекаются из памяти решающего устройства 7 и подаются в трансформаторный блок 6 для установки необходимого реактивного сопротивления блока и настройки в резонанс с реактивным сопротивлением конденсаторного блока 3. Для контроля и обратной связи по току, в процессе работы решающее устройство 7 на основании сигнала, поступающего со второго датчика тока, всегда сравнивает значение выходного тока индуктивно-емкостного преобразователя, с заданным в блоке 8 управления и контроля значением выходного тока. Если значение выходного тока отличается от заданного в блоке 8 управления и контроля, решающее устройство 7 подает сигналы в конденсаторный блок 3 и соответственно в трансформаторный блок 6 для коррекции реактивных сопротивлений блоков 3 и 6 с одновременной настройкой блоков 3 и 6 в резонанс. Коррекция реактивных сопротивлений производится до тех пор, пока не выполнится равенство текущего и заданного значений выходного тока индуктивно-емкостного преобразователя. Действующее значение выходного тока преобразователя определяется по формуле:
где Т - период колебаний напряжения источника ЭДС,
C
I - действующее значение тока конденсаторного блока,
C
U - действующее значение напряжения конденсаторного блока,
C
T
u(t) и u(t) - мгновенные значения напряжения конденсаторного блока и напряжения на входе трансформаторного блока.
Из формулы (6) следует, что действующее значение выходного тока (в отличие от прототипа) не зависит от отклонений частоты и действующего значения напряжения источника ЭДС. Из формулы также следует, что действующее значение выходного тока не зависит от флуктуации параметров элементов резонансного колебательного контура, которые приводят к отклонению собственной частоты колебательного контура от частоты напряжения источника ЭДС.
При этом напряжение на входе и выходе трансформаторного блока 6 пропорционально величине сопротивления нагрузки 11, а ток нагрузки (выходной ток индуктивно-емкостного преобразователя) остается неизменным при изменении сопротивления нагрузки 11 в широких пределах.
В режиме холостого хода нагрузки 11 или в режимах близких к холостому ходу (большое сопротивление нагрузки), значительно возрастает напряжение на конденсаторном 3 и трансформаторном 6 блоках. Это может привести к выходу из строя индуктивно-емкостного преобразователя и к повреждению подключенной нагрузки 11. В случае превышения допустимого уровня напряжения на конденсаторном 3 или трансформаторном 6 блоках, решающее устройство 7, получив соответствующую информацию с первого 2 или второго 5 датчиков напряжения, выдает команду управления в конденсаторный блок 3 для подключения балластного сопротивления, после чего подается сигнал для размыкания контактора 10. Происходит отключение нагрузки 11, и индуктивно-емкостный преобразователь переходит в первоначальное состояние.
Как видим, результатом работы предлагаемого индуктивно-емкостного преобразователя является: возможность регулирования выходного тока в процессе работы, причем значение выходного тока не зависит от изменений частоты и действующего значения напряжения источника ЭДС, а также от флуктуации параметров элементов резонансного колебательного контура, одновременно с этим сохраняются свойства источника неизменного тока при изменении сопротивления нагрузки в широких пределах. Кроме этого, существует возможность ограничения резонансных токов и напряжений, в результате чего заявляемое устройство остается работоспособным в режимах холостого хода нагрузки.
При этом обеспечивается защита блоков индуктивно-емкостного преобразователя, а также нагрузки от перенапряжений, повышается надежность и универсальность устройства, исключается необходимость проектирования и применения отдельного индуктивно-емкостного преобразователя для каждого вновь заданного значения выходного тока.
Таким образом, предлагаемый индуктивно-емкостный преобразователь позволяет получить технический результат и решить поставленную задачу.
Рассмотрим пример выполнения блоков индуктивно-емкостного преобразователя.
Конденсаторный блок 3 в зависимости от мощности нагрузки может содержать универсальные конденсаторы различных емкостей на основе полипропиленовых пленок со свойствами самовосстановления после пробоя, серии Е5х или Е6x фирмы «Electronicon Kondensatoren», балластное сопротивление, выполненное на основе резистивного блока, управляемые коммутирующие и согласующие устройства фирмы «Тороид», пускатели фирмы «Epcos» и устройства автоматической защиты фирмы «EKF electrotechnica».
Трансформаторный блок 6 может быть выполнен на основе управляемого трансформатора с регулированием индуктивности и может содержать согласующие устройства и устройства автоматической защиты. В качестве трансформатора с регулированием индуктивности могут быть использованы трансформаторы с развитым магнитным рассеянием, например трансформаторы с подвижным магнитным шунтом или трансформаторы с подвижными обмотками.
Контактор 10 может быть выполнен на основе управляемых контакторов и коммутирующих устройств серии КМИ или КТИ фирмы «Iek».
В качестве датчиков 4, 9 тока и датчиков 2, 5 напряжения могут быть использованы датчики тока серий CSDA, CSDB, CSDD с цифровым выходом и датчики напряжения серии LV с цифровым выходом фирмы «Honeywell».
Решающее устройство 7 может быть выполнено на программируемых логических микросхемах QL902M-QL904M фирмы «Quicklogic».
Блок 8 управления и контроля может быть выполнен на базе промышленного компьютера, например Front Deskwall 1242 фирмы «Frontman».