Система питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, при заряде емкостного накопителя энергии. Цель изобретения - улучшение удельных энергитических показателей системы при одновременном увеличении КПД. Система питания содержит инвертор 1, диоды 8, 9, тиристоры 6, 10, управляемый ключ 3, конденсаторы 2, 7, 11, блок 5 управления, линейный дроссель 12, нагрузку 4. 4 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для питания импульсной нагрузки от разделенного на две равные секции емкостного накопителя энергии, заряжаемого в режиме неизменной мощности за много периодов изменения выходного напряжения инвертора от дозирующего конденсатора, который, в свою очередь, периодически заряжается от трансформатора инвертора через линейный дроссель.

Цель изобретения - улучшение удельных энергетических показателей системы в основном путем уменьшения установленной мощности источника электрической энергии за счет увеличения его практического коэффициента использования по мощности и увеличение КПД системы, что дополнительно уменьшает расход топлива для работы энергетической установки с упомянутым источником и мощность потерь энергии в системе, а значит, и массу ее подсистемы охлаждения.

На фиг. 1 изображена электрическая схема предложенной системы питания; на фиг. 2 - эквивалентные цепи формирования напряжения на конденсаторах емкостного накопителя энергии; на фиг. 3 - эпюры напряжения U₁ на выходе инвертора (это же напряжение U₁ на двух входах блока управления), тока i_7з заряда второго конденсатора (ДК), тока i_7рразряда ДК, напряжения U₇ на ДК (это же напряжение U₇ на двух входах блока 5 управления), напряжения U₁₂ на линейном дросселе (ЛД), управляющего напряжения U_1оук между управляющим электродом и катодом второго тиристора, управляющего напряжения U_6ук между управляющим электродом и катодом первого тиристора; на фиг. 4 приведены графические зависимости КПД заряда емкостного накопителя (ЕН) в предлагаемой системе η_з и в прототипе η_з.пр, идеального коэффициента использования источника с практически неизменным напряжением (U ≈ const) К_ииmU или с практически неизменной ЭДС (Е ≈ const) К_ииmE по мощности при заряде ЕН предлагаемой системы и прототипа К_ииm.пр, практического коэффициента использования источника (U ≈ const) К_ипU или (Е ≈ const) К_ипЕ по мощности при заряде ЕН предлагаемой системы и прототипа К_ип.пр от добротности Q_с предлагаемой системы при зарядке ДК через ЛД.

Система питания (фиг. 1) содержит инвертор 1 с трансформаторным выходом, первый конденсатор 2, первая обкладка которого соединена через управляемый ключ 3 с первым выводом нагрузки 4, управляющий вход управляемого ключа 3 соединен с первым выходом блока 5 управления, первый тиристор 6, катод которого соединен с первой обкладкой первого конденсатора 2, а управляющий электрод - с вторым выходом блока 5 управления, второй конденсатор 7, первый диод 8, анод которого соединен с первым выходом инвертора 1, второй диод 9, второй тиристор 10, третий конденсатор 11, линейный дроссель 12, первый вывод которого соединен с анодом первого 6 и катодом второго 10 тиристоров, второй вывод через второй конденсатор 7 - с второй обкладкой первого конденсатора 2, которая через третий конденсатор 11 соединена со вторым выводом нагрузки 4, который соединен с анодом второго тиристора 10, анодом второго диода 9, катод которого соединен с анодом первого диода 8 и выводом первого входа блока 5 управления, второй вывод которого соединен с анодом первого тиристора 6, катодом второго тиристора 10, вторым выводом инвертора 1, катод первого диода 8 соединен с катодом первого тиристора 6, третий выход блока 5 управления соединен с управляющим электродом второго тиристора 10, второй и третий входы блока 5 управления подключены параллельно второму и третьему конденсаторам 7, 11 соответственно. При этом собственная круговая частота системы при заряде второго дозирующего конденсатора 7 через линейный дроссель 12 в два раза больше частоты изменения выходного напряжения инвертора 1.

Система работает следующим образом.

Энергия первичного источника электрической энергии практически неизменного напряжения U ≈ const (например, аккумулятор батареи большей емкости) или практически неизменной ЭДС Е ≈ const (эксплуатируемого при условии 2 ΔU/E ≅ 0,1, где ΔU - максимальное отклонение напряжения источника от номинального значения) преобразуется инвертором 1, выполненным, например, по однофазной нулевой схеме на двух тиристорных ключах, коммутирующих токи намагничивания трансформатора инвертора 1 в конденсаторе и трансформаторе в энергию переменного тока с практически прямоугольным напряжением U₁ (фиг. 3, а).

В положительном полупериоде изменения выходного напряжения инвертора 1 (фиг. 3, а) происходит заряд второго (дозирующего) конденсатора (ДК) 7 и первого конденсатора 2 емкостного накопителя (ЕН) по цепи (фиг. 2, а): инвертор 1 - диод 8 - конденсатор 2 - ЕН - ДК 7 - линейный дроссель (ЛД) 12 -инвертор 1 током (фиг. 3, а) i_7з= U_иesin2ω_иt/X_c, где U_и(Е_и) - выходное напряжение или ЭДС инвертора 1; ω_и = 2 πf_и - круговая частота изменения выходного напряжения инвертора 1; t - время; Q_c=/r_з добротность системы при заряде ДК 7; Х_с = 1 / ω_иС - емкостное сопротивление ДК 7; r_з = R_ои + R_в.п + R_ЛД + R_ш - активное сопротивление системы при заряде ДК 7; R_ои - приведенное к выводам инвертора 1 внутреннее сопротивление первичного источника и инвертора 1; R_в.п - среднее сопротивление первого диода - вентиля в проводящем направлении; R_ЛД - активное сопротивление ЛД 12 и R_ш - активное сопротивление шин и проводов. Когда через половину положительного полупериода изменения выходного напряжения инвертора ДК 7 зарядится до максимального напряжения U_cm= U1+e (фиг. 3, а), компаратор блока управления системой выдает управляющий импульс напряжения U_1оук на управляющий переход второго тиристора 10 и происходит разряд ДК 7 на конденсаторе 11 ЕН по цепи (фиг. 2, б): ДК 7 - конденсатор 11 ЕН - тиристор 10 - ЛД 12 - ДК 7 током i_7p=2U1+eesin2ω_иt/X_c, где Q_c= r_p - добротность системы при разряде ДК 7; r_р = R_т.п + R_ЛД + R_ш - активное сопротивление системы при разряде ДК 7; R_т.п - среднее сопротивление тиристора 10 в проводящем направлении. В результате этого в конце второй половины полупериода конденсатора 2 ЕН зарядится до напряжения ΔU₂= U1+eX_c/C_нс, где С_нс = 2С_м - емкость конденсатора (секций) 2 и 11 ЕН с общей емкостью С_н/С_нс/2, и ток i_7р разряда ДК 7 становится равным нулю и второй тиристор 10 естественным образом закрывается (самопогасает), а ДК 7 полностью разряжается.

При отрицательном полупериоде изменения выходного напряжения U₁инвертора 1 (фиг. 3, а) происходит заряд ДК 7 и подзаряд конденсатора 11 ЕН током i_7з по цепи (фиг, 2, в): инвертор 1 - ЛД 12 - ДК 7 - конденсатор 11 ЕН - диод 9 - инвертор 1. Когда через половину отрицательного полупериода изменения напряжения инвертора 1 напряжение на ДК 7 достигнет максимальной величины U_сm, компаратор блока 5 управления системой выдает открывающий управляющий импульс напряжения U_вук на управляющий переход первого тиристора 6 (фиг. 3, б), тиристор 6 открывается и в следующую половину отрицательного полупериода изменения напряжения U₁ инвертора 1 происходит разряд ДК 7 на конденсатор 2 ЕН током i_7р по цепи (фиг. 2, г): ДК 7 - ЛД 12 - тиристор 6 - конденсатор 2 - ДК 10. В конце отрицательного полупериода изменения напряжения инвертора 1 ток i_7р разряда ДК 7 приближается к нулю, тиристор 6 закрывается естественным путем (самопогасает), ДК 7 полностью разряжается, а конденсатор 2 ЕН подзаряжается следую- щий порцией энергии ΔE₂=CU1+e.

И т.д. циклически в течение каждого последующего полупериода изменения напряжения U₁ инвертора, пока двухсекционный емкостный накопитель (конденсаторы 2 и 11) не зарядится до максимального напряжения U_Енm (фиг. 3, в). Если ограничить максимальное напряжение заряда ЕН величиной U_EHm= U1+e, то конденсаторы 2 и 11 емкостного накопителя будут заряжаться неизменной за каждый период изменения напряжения U₁ инвертора 1 средней зарядной мощностью R_зар = С_иU_ЕНm²/2t_зк ≈ Е_пи/t_зк, где t_зк - время заряда ЕН 4 до максимального напряжения U_ЕНm, Е_пи - энергия импульса питания нагрузки 4.

Когда емкостной накопитель зарядится до максимального напряжения U_ЕНm, другой компаратор блока 5 управления системой выдает короткий прямоугольный управляющий импульс напряжения на управляющие переходы тиристоров управляемого ключа 3. Управляемый ключ 3 срабатывает и происходит разряд емкостного накопителя на импульсную нагрузку 4. Затем следует описанный выше цикл заряда ЕН за много периодов изменения выходного напряжения U₁ инвертора 1 снова до максимального напряжения U_ЕНm и его разряд на импульсную нагрузку 4. И т.д. циклически с частотой f_пи ≈ 1/t_зк. КПД заряда ДК 7 через линейный дроссель 12 η_зс, рассчитанный по выведенному нами выражению для разных значений добротности Q_c системы, изменяющейся от 1 до 25, приведен в виде графической зависимости η_зс = f(Q_c) на фиг. 4, а КПД заряда ЕН от ДК 7 - соотношением 1/[1 + 2t ωQ x (1 - e^-π ^/Q)], где t = t_рС постоянная времени системы. Так как добротность системы при заряде секций 2 и 11 от ДК 7 ≥ 1000, то η_зи ≈ 0,999. Для сравнения КПД заряда ЕН прототипа при оптимальной величине сопротивления токоограничивающего резистора η_з.пр = 1/[1 + (1 - e⁸)/(1 - e^-1,5)] = 0,450 и приведен в виде прямой горизонтальной линии на фиг. 4. Максимальный идеальный коэффициент использования источника по мощности, под которым понимается отношение средней мощности источника (с практически неизменным Е ≈ const или напряжением U ≈ const) к его максимальной мощности, в предлагаемой системе К_ииmЕ (при Е ≈ const) или К_ииmU (при U ≈ const), рассчитанный по выведенным нами выражениям для разных значений добротности Q_c системы, изменяющейся от 1 до 26, приведен в виде графических зависимостей К_ииmE = f(Q_c) или К_ииmU = f(Q_c) на фиг. 4. Видим, что при Q_c ≥ 4К_ииmЕ ≈ 0,81, а при Q_c ≅ 4 К_ииmU ≈ 0,637. У прототипа при оптимальных сопротивлениях токоограничивающего резистора идеальный коэффициент использования источника по мощности К_ииm.пр = 0,847 при заряде ЕН и К_ииспр = 0,686 при заряде дозирующего конденсатора прототипа. Практический коэффициент использования источника с Е ≈ const или U ≈ const по мощности, под которым понимается отношение средней мощности заряда емкостного накопителя R_зср = С_иU_Енm²/2(t_зк) ≈ Е_пи/t_зк к максимальной мощности Р_m источника, в предлагаемой системе К_ип= Р_зср/P_m = К_ииm ^. η_зс ^. η_зн = К_ииm η_з ≈ К_ииm η_зс приведен на фиг. 4 в виде графических зависимостей К_ипЕ = f(Q_c) при Е ≈ const и К_ипU = f(Q_c) при источнике U ≈ const. Для сравнения у прототипа практический коэффициент использования источника по мощности К_иипр = η_з.пр(К_ииm.пр + К_иис.пр)/2 ≈ 0,346.

Так как максимальная установленная мощность источника Р_m = Р_зср/К_ипобратно пропорциональна практическому коэффициенту использования источника по мощности К_ип, то чем он больше, тем меньше максимальная установленная мощность Р_m источника и его масса, а также масса m системы, что приводит к увеличению удельной энергии системы по массе W_Em= Е_пи/m.

Формула изобретения

СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ, содержащая инвертор с трансформаторным выходом, первый конденсатор, первая обкладка которого соединена через управляемый ключ с первым выводом нагрузки, управляющий вход управляемого ключа соединен с первым выходом блока управления, первый тиристор, катод которого соединен с первой обкладкой первого конденсатора, а управляющий электрод - с вторым выходом блока управления, второй конденсатор, первый диод, анод которого соединен с первым выходом инвертора с трансформаторным выходом, отличающаяся тем, что, с целью улучшения удельных энергетических показателей системы и увеличения КПД, в нее введены второй диод, второй тиристор, третий конденсатор, линейный дроссель, первый вывод которого соединен с анодом первого и катодом второго тиристоров, второй вывод через второй конденсатор - с второй обкладкой первого конденсатора, которая через третий конденсатор соединена с вторым выводом нагрузки, который соединен с анодом второго тиристора, анодом второго диода, катод которого соединен с анодом первого диода и первым выводом первого входа блока управления, второй вывод которого соединен с анодом первого тиристора, катодом второго тиристора, вторым выводом инвертора с трансформаторным выходом, катод первого диода соединен с катодом первого тиристора, третий выход блока управления соединен с управляющим электродом второго тиристора, второй и третий входы блока управления подключены параллельно второму и третьему конденсаторам соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4