Устройство для питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя

 

Использование: изобретение относится к импульсной технике и касается систем питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя энергии, заряжаемого в режиме неизменной потребляемой от источника средней мощности за каждый полупериод изменения выходного напряжения трансформатора инвертора от источника практически неизменного напряжения через однофазный преобразователь неизменной мощности за много периодов изменения выходного напряжения трансформатора инвертора. Сущность изобретения: с целью улучшения удельных энергетических показателей системы путем уменьшения установленной мощности источника и трансформатора инвертора за счет увеличения коэффициента их использования по мощности система содержит трехфазный источник переменного тока с тремя линейными выводами, емкостный накопитель энергии, управляемый ключ, импульсную нагрузку, четыре диодных вентиля, дозирующий конденсатор, два линейных дросселя, блок управления, нелинейный дроссель. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для импульсно-периодического питания импульсной нагрузки от разделенного на две равные последовательно включенные секции емкостного накопителя (ЕН) энергии, медленно заряжаемого от трехфазного источника переменного тока (ТИПТ) через четырехплечный выпрямительный мост (ВМ), два линейных дросселя (ЛД), один нелинейный дроссель (НД) с обмотками переменного тока и магнитного управления постоянным током и резонансный дозирующий конденсатор (ДК) за много периодов изменения напряжения ТИПТ.

Цель изобретения - улучшение удельных энергетических показателей устройства путем бестрансформаторного повышения его выходного напряжения, уменьшения установленной мощности трехфазного источника переменного тока и увеличения КПД заряда емкостного накопителя за счет исключения из состава устройства трехфазного повышающего трансформатора и увеличения коэффициента использования упомянутого источника по мощности.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя; на фиг.2 - возможная (примерная) схема выполнения блока управления этим устройством.

Устройство для питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя по фиг.1 содержит трехфазный источник 1 переменного тока с тремя линейными выводами 2 - 4, образованными началами его фазных обмоток 1.1, 1.2 и 1.3; разделенный на две равные последовательно включенные секции 5.1 и 5.2 емкостный накопитель 5 энергии, к выводам 6 и 7 которого через управляемый ключ 8 (тиристорного типа, типа водородного тиратрона или игнитрона управляемого разрядника и т. п. ) подключена импульсная нагрузка 9; четыре диодных вентиля 10 - 13, включенных по схеме четырехплечного выпрямительного моста 17, первый и второй входы которого подключены к второму (3) и третьему (4) выводам соответственно трехфазного источника 1 переменного тока, дозирующий конденсатор 14, первая обкладка которого связана с первым выводом 2 трехфазного источника переменного тока; первый линейный дроссель 15, включенный между положительным выходом выпрямительного моста 17 и первым выводом 6 емкостного накопителя 5; второй линейный дроссель 18, включенный между отрицательным выходом выпрямительного моста 17 и вторым выводом 7 емкостного накопителя 5; нелинейный дроссель 19 с обмотками переменного тока и магнитного управления постоянным током, обмотка переменного тока которого включена между другой обкладкой дозирующего конденсатора 14 и точкой соединения двух секций 5.1 и 5.2 емкостного накопителя 5; блок 16 управления устройством, примерная схема которого приведена на фиг.2, с шестью входами и четырьмя выходами, первый (3.1) и второй (4.1) входы которого связаны с вторым (3) и третьим (4) выводами трехфазного источника 1 переменного тока, третий (6.1) и четвертый (7.1) входы - с выводами 6 и 7 емкостного накопителя 5, пятый (14.1) и шестой (14.2) входы - с обкладками дозирующего конденсатора 14, первый (8.1) и второй (8.2) выходы - с управляющим (поджигающим) переходом управляемого ключа 8, а между третьим (19.1) и четвертым (19.2) его выходами включена обмотка магнитного управления нелинейного дросселя 19. При этом индуктивность L₂второго линейного дросселя 18 равна индуктивности L₁ первого линейного дросселя 15, а суммарная индуктивность нелинейного дросселя 19 L_н в ненасыщенном состоянии (на линейном участке характеристики намагничивания его магнитного сердечника) и первого L₁ или второго L₂линейных дросселей 15 или 18 определяется выражением L₁+ L_н= L₂+ L_н= L = , (1) где С - емкость дозирующего конденсатора 14, которая много меньше удвоенной емкости С_н всего емкостного накопителя (С << 2 С_н); f - частота изменения напряжения трехфазного источника 1 переменного тока; Q ≈ (R_лн+R_лнд+ R_дв) - добротность устройства; R_лн - внутреннее линейное активное сопротивление трехфазного источника 1 переменного тока; R_лнд=R_лд+R_нд - суммарное активное сопротивление нелинейного R_нди первого или второго R_лд линейных дросселей; R_дв - среднее значение сопротивления каждого диодного вентиля выпрямительного моста 17 в проводящем направлении.

Во втором варианте устройства для уменьшения массы первого 15 и второго 18 линейных дросселей их обмотки помещены на общий магнитный сердечник, а начала этих обмоток подключены соответственно к положительному и отрицательному выходам выпрямительного моста 17.

Блок 16 управления устройством по фиг.2 содержит два компаратора 20 и 21, получающих стабилизированное питание от вторичного источника 22 стабилизированного напряжения, первичным источником питания которого является линия 3-4 ТИПТ1; усилитель 23 напряжения рассогласования первого компаратора 20, между двумя выходами 19.1 и 19.2 которого включена обмотка магнитного управления нелинейного дросселя 19. К двум входам компаратора 20 подключена через выпрямительный диод и фильтр Ф часть напряжения делителя 24 напряжения на дозирующем конденсаторе 14. Два выхода 8.1 и 8.2 второго компаратора 21 подключены к управляющему (поджигающему) переходу управляемого ключа 8. К двум входам второго компаратора 21 подключена через фильтр Ф часть напряжения делителя 25 напряжения емкостного накопителя 5. Усилитель 23 получает стабилизированное питание от вторичного источника 22 стабилизированного напряжения.

При рассмотрении работы устройства предположим, что фазовые обмотки 1.1, 1.2 и 1.3 трехфазного источника 1 переменного тока (ТИПТ1) включены по схеме "треугольник", начало отсчета времени t - электрического (эл.) угла ωt - начинается от начала положительного полупериода изменения линейного напряжения U₂₃ ТИПТ1, заряд емкостного накопителя 5 происходит в режиме слабопеременной зарядной мощности с коэффициентом ее равномерности К_зр = Р_зср/Р_зт= 0,75, где Р_зт = 1,333, Р_зср - максимальная зарядная мощность ЕН5; Р_зср = С_нU_зт²/(2t_зк) - средняя зарядная мощность емкостного накопителя 5 с емкостью С_н до его максимального напряжения U_зт за время t_зк, а емкость С дозирующего конденсатора 14 много меньше емкости 2С_н секции 5.1 или 5.2 ЕН5 с общей емкостью С_н (т.е. С << 2 С_н), и выполняется выражение (1).

Устройство работает следующим образом.

При первом положительном полупериоде изменения линейного напряжения U₂₃ ТИПТ1 (когда потенциал вывода 2 выше потенциала вывода 3) и со сдвигом на 60 эл.град при отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения U₄₂ трехфазного источника 1 (когда потенциал вывода 2 выше потенциала вывода 4) происходит подзаряд второй секции 5.2 ЕН5 по цепям: источник 1 - вывод 2 - ДК14 - нелинейный дроссель 19 - секции 5.2 ЕН5 - вывод 7 - ЛД18 - вентиль 12 ВМ17 - вывод 3 - источник 1 и источник 1 - вывод 2 - ДК14 - НД19 - секция 5.2 ЕН5 - вывод 7 - ЛД18 - вентиль 13 ВМ17 - вывод 4 - источник 1 током: e sinωt + через диодные вентили 12 и 13, где Q = r - добротность устройства с активным сопротивлением r ≈R_ли+R_лнд+R_дв; ω=2πf - круговая частота изменения напряжения ТИПТ1 и остальные обозначения такие же, как и в выражении (1), дозирующий конденсатор 14 в конце положительного полупериода изменения линейного напряжения U₂₃ при ωt = 180^о (t=t_π=π/ω) зарядится до максимального напряжения dt ≈, а секция 5.2 ЕН5 подзарядится первой порцией энергии до напряжения U dt = .

В отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения U₂₃ ТИПТ и со сдвигом на 60 эл.град при положительном полупериоде изменения линейного напряжения U₄₂ источника 1 напряжения U₂₃ и U₄₂ соединяются последовательно-согласно с напряжением U_ст5.2(1) на ДК14 и происходит подзаряд первой секции 5.1 ЕН5 по цепям: источник 1 - вывод 3 - вентиль 10 ВМ17 - ЛД15 - вывод 6 - секция 5.1 ЕН5 - НД 19 - ДК14 - вывод 2 - источник 1 и источник 1 - вывод 4 - вентиль 11 ВМ17 - ЛД15 - вывод 6 - секция 5.1 ЕН5 - НД19 - ДК14 - вывод 2 - источник 1 током:
i sinωt + через диодные вентили 10 и 11, ДК14 в конце отрицательного полупериода изменения напряжения U₂₃ при ω t = 360^о зарядится до максимального напряжения обратной полярности
, где U_тл - амплитуда линейного напряжения ТИПТ1, а секция 5.1 ЕН5 подзарядится первой порцией энергии до напряжения
ΔU_5,1(1)≈ (1,75)1+e+ 1,751+e.

При последующем втором положительном полупериоде изменения линейного напряжения U₂₃ ТИПТ и со сдвигом на 60 эл.град. при втором отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения U₄₂ линейные напряжения U₂₃ и U₄₂ соединяются последовательно-согласно с напряжением U_ст5.(1) на ДК14 и происходит подзаряд секции 5.2 ЕН5 по описанным выше цепям током:
sinωt +, ДК14 в конце этого положительного полупериода изменения напряжения U₂₃при ωt=540^о зарядится до максимального напряжения
1+e+ (1,75)1+e +, а секция 5.2 ЕН5 подзарядится второй порцией энергии и напряжение на ней увеличится.

В последующем втором отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения U₂₃ и со сдвигом на 60 эл.град при втором положительном полупериоде изменения линейного напряжения U₄₂ ТИПТ1 линейные напряжения U₂₃ и U₄₂ соединяются последовательно-согласно с напряжением U_ст5.2(2)на ДК14 и происходит подзаряд секции 5.1 ЕН5 по описанным выше цепям током:
i sinωt +, ДК14 в конце этого второго отрицательного полуперида изменения напряжения U₂₃ при ωt=720^о зарядитcя до максимального напряжения обратной полярности
+1+e +, а секция 5.1 ЕН5 подзарядится второй порцией энергии и напряжение на ней увеличится.

И так далее циклически каждый последующий период изменения линейных напряжений U₂₃ и U₄₂ ТИПТ1. Приблизительно через пять периодов изменения линейных напряжений U₂₃ и U₄₂ трехфазного источника наступает установившийся режим подзаряда секции 5.1 и 5.2 ЕН5, а дозирующий конденсатор 14 резонансно заряжается два раза за период до максимального напряжения
U_ст5.1 = U_ст5.2 ≈1,75 Q U_тл. (2)
В установившемся режиме заряда емкостного накопителя 5 его секции 5.1 и 5.2 будут подзаряжатьcя каждый период током:
i_C5,1= i_C52≈ [ sin ωt + sin (ωt-240°)], (3) где U_ен - растущее с каждым периодом текущее напряжение подзаряда ЕН5.

При заряде емкостного накопителя 5 в режиме слабопеременной зарядной мощности с коэффициентом ее равномерности К_зр = 0,75 ЕН5 без подмагничивания нелинейного дросселя 19 постоянным током зарядится до максимального напряжения
U_зт ≈(1,75 Q + 1) U_тл, (4) ровно в два раза меньшего, чем при заряде ЕН 5 в режиме сильнопеременной зарядной мощности.

Средний КПД заряда первой 5.1 и второй 5.2 секций емкостного накопителя 5 определяется выведенным нами выражением
η_з= = , (5) где ΔE_сп≈ r i²_C5,1dt = r i²_C5,2dt - потери энергии в системе при заряде секций 5.1 и 5.2 ЕН5;
ΔЕ_ст = 2 С_н U_зт²/(8f_tзк) - средняя полезная энергия одной подзарядной порции секций 5.1 или 5.2 ЕН5;
t_*зк = t_зк/ τ_L- относительное время заряда ЕН5, нормированное по постоянной времени устройства τ_L= L/r;
= LC_н - характеристическое время устройства в квадрате при заряде ЕН5.

Идеальный коэффициент использования ТИПТ1 по мощности К_ин=Р_ср/Р_m ≈ ≈0,835, где Р_ср - средняя мощность трехфазного источника 1; Р_{m -} его максимальная мощность. Коэффициент мощности ТИПТ1 χ≈ 0,81. Для реальных параметров системы средний КПД заряда ЕН5, подсчитанный по выражению (5), составляет величину η_з≈0,98.

Если требуется зарядить емкостный накопитель 5 до максимального напряжения U_зт¹ менее максимально возможной величины U_зт, определяемой выражением (4), то опорное напряжение U_o компаратора 20 устанавливают в соответствии с напряжением U_зт¹ - U_тл на дозирующем конденсаторе 14 с учетом деления этого напряжения на делителе 24 напряжения ДК и при превышении напряжением U_ст5.1 = U_ст5.2 на дозирующем конденсаторе 14 (с учетом деления этого напряжения на делителе 24) величины опорного напряжения U_o компаратора 20, на выходе компаратора 20 возникает напряжение рассогласования ΔU_p= (U_зт' - U_тл) k_д-U_o, где k_д - коэффициент деления напряжения делителем 24. Это напряжение рассогласования ΔU_р усиливается усилителем 23, и его постоянный выходной ток I_п (пропорциональный напряжению рассогласования ΔU_р) подмагничивает нелинейный дроссель 19. Это несколько уменьшает магнитную проницаемость сердечника нелинейного дросселя 19, его индуктивность и суммарную индуктивность L'=L₁+L_н=L₂+L_нустройства. Так как реальная добротность Q устройства лежит в пределах от 50 до 105, резонансный пик напряжения на ДК14 будет очень острым и незначительное отклонение суммарной индуктивности L' устройства от своего резонансного значения L существенно уменьшает напряжение на дозирующем конденсаторе 14, а значит, и максимальное напряжение U_зтзаряда емкостного накопителя 5, что позволяет весьма просто регулировать максимальное напряжение U_зт заряда ЕН5 в разумных пределах, изменяющихся от максимального значения U_зт ≈ (1,75Q+ 1)U_тл до минимальной его величины U ÷ U_зт при изменении суммарной индуктивности L устройства в сторону ее уменьшения максимума на 3-5%.

Когда максимальное напряжение заряда емкостного накопителя 5 (с учетом его деления на делителе 25) станет равным опорному напряжению U_о' компаратора 21, второй компаратор 21 выдает импульс напряжения, открывающий (поджигающий) управляемый ключ 8 (тиристорного типа, типа водородного тиратрона или игнотронного разрядника и управляемого вакуумного или жидкостного разрядника) и емкостный накопитель 5, например в составе искусственной формирующей линии ИФЛ, полностью разряжаетcя на импульсную нагрузку при практически неизменном в случае ИФЛ напряжении за время τ_пи длительности импульса питания нагрузки, а управляемый ключ естественным образом закрывается (самопогасает), затем следует описанный выше цикл заряда ЕН5 снова до максимального значения U_зт' и так далее циклически с частотой f_пи = 1/(t_зк + τ_пи).

Как следует из изложенного выше, при максимальном зарядном напряжении ЕН5 U_зт', лежащем в пределах от 0,333 (1,75 Q +1)U_тл до (1,75 Q + 1) U_тл, при заданной амплитуде линейного напряжения U_тл ТИПТ1 типа синхронного генератора из состава системы исключается повышающий трехфазный трансформатор, что существенно улучшает удельные энергетические показатели предложенного устройства.

Практический коэффициент использования трехфазного источника 1 переменного тока по мощности
K_ип= P_зср/P_m= K_ипχK_зрη_зр ≈ 0,835˙0,81˙0,75˙0,98= 0,505, (6) где Р_зcр= С_нU_зт²/(2t_зк)= Е_зт/t_зк - средняя зарядная мощность ЕН5; Е_зт - его максимальная зарядная энергия; Р_т - максимальная установленная мощность ТИПТ1. Для сравнения у базовой системы-прототипа (индекс ПР) практический коэффициент использования ТИПТ по мощности К_иппр ≈ 0,171.

Максимальная установленная мощность Р_т трехфазного источника 1 Р_т= Р_зcр/К_ип в предложенном устройстве составляет величину Р_т = 1,98 Р_зср, а в прототи- пе - в 2,96 раз больше (Р_тпр=Р_зср/К_иппр=5,84 Р_зcр) при одинаковой для сопоставляемых систем средней зарядной мощности Р_зcрЕН5.

Средний КПД предложенного устройства η_з≈0,98, а средний КПД базовой системы-прототипа η_зпр≈0,600 - в 1,63 раз меньше, что приводит к уменьшению расхода топлива для работы первичного трехфазного источника 1 типа синхронного генератора в 1,63 раз и к уменьшению потерь энергии в предложенном устройстве (индекс ПУ) Δ Р_пу = Р_зcр(1-η_з)/η_з=0,0204 Р_зср - в 32,8 раз, чем в прототипе (ΔР_упр = = Р_зср (1- η_зпр)/ η_зпр=0,67 Р_зcр).

Все это улучшает удельные энергетические показатели предложенного устройства (системы), такие как удельная энергия W_ет=Е_пи/m_пу=0,500 кДж/кг и удельная мощность W_рт=Р_зcр/m_пу ≈ 0,1 кВт/кг по ее массе m_пу в 1,40 раз по сравнению с базовой системой-прототипом W_етпр=Е_пи/m_пр = =0,356 кДж/кг и W_ртпр= Р_зcр/m_пр = 0,0714 кВт/кг при одинаковой для сопоставляемых систем энергии импульса питания нагрузки 8 Е_пи=100 кДж и средней зарядной мощности Р_зcр≈Е_пи/t_зк = 20 кВт.

Указанные выше технико-экономические характеристики предложенной и базовой систем получены по разработанной нами методике при следующих одинаковых для обоих сопоставляемых устройств (систем) исходных параметрах: энергия импульса питания импульсной нагрузки 8 Е_пи = 100 кДж; длительность импульса питания нагрузки 8 τ_пи = 0,1 мс; минимальное зарядное напряжение емкостного накопителя 5 U_зт'=50 кВ; максимальная зарядная энергия ЕН5 Е_зт= С_нU_зт'2/2 ≈ Е_пи = 100 кДж; время заряда ЕН5 до максимального напряжения U_зт' = 50 кВ составляет t_зк = 5 с; средняя зарядная мощность ЕН5 Р_зcр = Е_зт/t_зк= 20 кВт; первичным трехфазным источником переменного тока является синхронный генератор авиационного типа с линейным напряжением U_л = 4000 В, амплитудой линейного напряжения U_тл = 566 В; частотой f = 400 Гц, коэффициентом его нагрузки К_исг = 0,98 и с удельной массой α_сг= 0,27 кг/кВт; удельная энергия высоковольтных импульсных конденсаторов - емкостных накопителей энергии для авиационной и космической техники W_етен = 1кДж/кг; удельная масса дозирующих конденсаторов типа ЭСКВ α_ДК= 0,065 кг/кВт; подсчитанная по методике Розанова Ю.К. удельная масса линейных дросселей 15 и 18 α_ЛД=0,73 кг/кВт и удельная масса трехфазного повышающего трансформатора прототипа α_грпр≈0,70 кг/кВт; удельная масса нелинейного дросселя 19 с обмотками переменного тока и магнитного управления постоянным током в предлагаемом устройстве (системе) α_НД≈1,1 кг/кВт.

Таким образом, включение в устройство для питания импульсной нагрузки от емкостного накопителя первого 10, второго 11, третьего 12 и четвертого 13 диодных вентилей по схеме четырехплечного выпрямительного моста 17, снабжение устройства дополнительно вторым линейным дросселем 18, нелинейным дросселем 19 с обмотками переменного тока и магнитного управления постоянным током и новыми связями между его элементами, и определение оптимальной суммы индуктивности нелинейного дросселя 19 L_н в ненасыщенном его состоянии и первого L₁ или второго L₂ линейных дросселей 15 или 18 L₁+L_н= L₂+L_н= L по выражению (1), обеспечивая неочевидность схемно-технического и параметрического решения поставленной задачи, в 1,40 раз улучшает удельные энергетические показатели системы путем бестрансформаторного повышения ее выходного напряжения в 22,4-44,8 раз при одинаковой для сопоставляемых устройств (систем) амплитуде линейного напряжения первичного трехфазного источника - авиационного синхронного генератора (U_тл = 566 В), уменьшения в 2,96 раз максимальной установленной мощности трехфазного источника 1 и увеличения в 1,63 раз среднего КПД заряда емкостного накопителя 5 за счет исключения из состава системы трехфазного повышающего трансформатора и увеличения в 2,96 раз практического коэффициента использования трехфазного источника переменного тока по мощности, а также в 1,63 раз уменьшает расход топлива для работы первичного трехфазного источника - синхронного генератора и в 32,8 раз - мощность потерь энергии в устройстве (системе).

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя линейными выводами, разделенный на две равные последовательно включенные секции емкостной накопитель энергии, четыре диодных вентиля, дозирующий конденсатор, одна обкладка которого подключена к первому выводу трехфазного источника переменного тока, первый линейный дроссель, отличающееся тем, что, устройство дополнительно снабжено вторым линейным дросселем, нелинейным дросселем с обмотками переменного тока и магнитного управления постоянным током, блоком управления и управляемым ключом, первый, второй, третий и четвертый диодные вентили включены по схеме четырехплечного выпрямительного моста, первый и второй входы блока управления соединены с вторым и третьим выводами трехфазного источника переменного тока, третий и четвертый входы - с выводами емкостного накопителя, а первый и второй выходы - с управляющим переходом управляемого ключа, пятый и шестой входы блока управления соединены с обкладками дозирующего конденсатора, между третьим и четвертым выходами включена обмотка магнитного управления нелинейного дросселя, выводы емкостного накопителя энергии через управляемый ключ подключены к выходу устройства, первый линейный дроссель включен между положительным выходом выпрямительного моста и первым выводом емкостного накопителя, второй линейный дроссель включен между вторым выводом емкостного накопителя и отрицательным выходом выпрямительного моста, первый и второй входы которого соединены с вторым и третьим выводами трехфазного источника переменного тока, обмотка переменного тока нелинейного дросселя включена между второй обкладкой дозирующего конденсатора и точкой соединения первой и второй секций емкостного накопителя, причем индуктивность L₂ второго линейного дросселя равна индуктивности L₁ первого линейного дросселя, а суммарная индуктивность нелинейного дросселя L_н в ненасыщенном состоянии и первого L₁ или второго L₂ линейных дросселей определяется выражением

где C - емкость дозирующего конденсатора, которая много меньше удвоенной емкости C_н всего емкостного накопителя, C≪ 2C_н;
f - частота изменения напряжений трехфазного источника переменного тока;

- добротность устройства;
R_ли - внутреннее линейное активное сопротивление трехфазного источника переменного тока;
R_лнД = R_лД + R_нД - суммарное активное сопротивление нелинейного R_нД и первого или второго R_лД линейных дросселей;
R_Дв - среднее значение сопротивления каждого диодного вентиля выпрямительного моста в приводящем направлении.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью уменьшения массы первого и второго линейных дросселей, их обмотки помещены на общий магнитный сердечник, а начала этих обмоток подключены соответственно к положительному и отрицательному выходам выпрямительного моста.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2