Устройство для заряда емкостного накопителя электрической энергии

 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для питания различных импульсных потребителей электрической энергии (генераторов СВЧ и лазерного излучения радиолокационных и лазеролокационных станций, устройств для электроискровой обработки материалов, импульсных лазеров и т.п.) от разделенного на две равные последовательно включенные секции емкостного накопителя (ЕН), "быстро" заряжаемого от трехфазного источника переменного тока (ТИПТ) через четырехплечевой выпрямительный мост и два квазирезисторных линейных дросселя за один период изменения одного из линейных напряжений ТИПТ с частотой f при условии, что длительность импульса питания нагрузки 1/f. Сущность изобретения: с целью улучшения удельных энергетических показателей устройства путем уменьшения установленной мощности ТИПТ за счет увеличения коэффициента мощности упомянутого источника и практического коэффициента использования его по мощности, устройство для заряда емкостного накопителя электрической энергии содержит ТИПТ 1 разделенный на две последовательно включенные секции ЕН 5, четырехплечевой выпрямительный мост 13 и два линейных дросселя 8,14. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для питания различных импульсных потребителей электрической энергии (генераторов СВЧ и лазерного излучения радиолокационных и лазеролокационных станций, устройств для электроискровой обработки материалов, импульсных лазеров и т.п.) от разделенного на две равные последовательно включенные секции емкостного накопителя (ЕН) энергии "быстро" заряжаемого от трехфазного источника переменного тока (ТИПТ) через четырехплечевой выпрямительный мост (ВМ) и два квазирезонансных линейных дросселя (ЛД) за один период изменения одного из линейных напряжений ТИПТ с частотой f при условии, что длительность импульса питания нагрузки τ_пи<< 1/f.

Технический результат или цель изобретения улучшение удельных энергетических показателей устройства путем уменьшения установленной мощности трехфазного источника переменного тока за счет увеличения коэффициента мощности упомянутого источника и практического коэффициента использования его по мощности.

На чертеже приведена принципиальная электрическая схема устройства для заряда емкостного накопителя электрической энергии.

1. Устройство для заряда емкостного накопителя электрической энергии содержит трехфазный источник 1 переменного тока с тремя линейными выводами 2, 3 и 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 с двумя выводами 6 и 7, связанными через управляемый замыкающий коммутатор УЗК с импульсной нагрузкой, первый 8 и второй 14 линейные дроссели, четыре диодных вентиля 9, 10, 11 и 12, включенные по схеме четырехплечевого выпрямительного моста 13, два входа которого подключены ко второму 3 и третьему 4 выводам трехфазного источника 1 переменного тока соответственно, первый вывод 2 которого соединен с точкой соединения секций 5.1 и 5.2 емкостного накопителя 5, второй линейный дроссель 14 включен между первым выводом 6 емкостного накопителя и отрицательным выходом выпрямительного моста 13, а первый линейный дроссель 8 между вторым выводом 7 емкостного накопителя 5 и положительным выходом выпрямительного моста 13, при этом индуктивность L₂ второго линейного дросселя 14 равна индуктивности L₁ первого линейного дросселя 8 и определяется выражением L₂ L₁ L L₂= L₁= L (1) где С емкость любой из двух секций емкостного накопителя 5; f частота изменения напряжений трехфазного источника 1 переменного тока; QQ ≈ (R_ли+R_лд+R_дв)/(R_ЛИ + R_ЛД + R_Дв) добротность устройства при заряде первой 5.1 или второй 5.2 секций емкостного накопителя 5 через первый 8 или второй 14 линейные дроссели; R_ЛИ внутреннее линейное активное сопротивление трехфазного источника 1 переменного тока; R_ЛД активное сопротивление первого 8 или второго 14 линейного дросселя; R_Дв среднее значение сопротивления каждого диодного вентиля выпрямительного моста в проводящем направлении.

2. Во втором варианте устройства по п.1 для уменьшения суммарной массы первого 8 и второго 14 линейных дросселей их обмотки намотаны на общий магнитный сердечник, а начала этих обмоток подключены соответственно к положительному и отрицательному выходам выпрямительного моста 13.

Управляющие переходы управляемого замыкающего коммутатора, например, тиристорного типа, подключены через развязывающий диод ко вторичной обмотке импульсного трансформатора управления, выводы первичной обмотки которого связаны с первым 2 и вторым 3 выводами трехфазного источника 1 переменного тока.

Для описания работы устройства предположим, что фазовые обмотки 1.1, 1.2 и 1.3 трехфазного источника 1 переменного тока включены по схеме "треугольник", а началом отсчета времени t (эл. угла ωt, где ω= 2 πf круговая частота изменения напряжений ТИПТ 1) начинается от начала положительного полупериода изменения линейного напряжения U₂₃ ТИПТ 1.

Устройство работает следующим образом.

В положительном полупериоде изменения линейного напряжения U₂₃ трехфазного источника (когда потенциал вывода 2 выше потенциала вывода 3) и со сдвигом на 60 электрических (эл) градусов при отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения U₄₂ ТИПТ 1 (когда потенциал вывода 2 выше потенциала вывода 4) при выполнении выражения (1) происходит ква- зирезонансный заряд второй (нижней по чертежу) секции 5.2 ЕН 5 через второй ЛД 14 по цепям: источник 1 вывод 2 секция 5.2 ЕН 5 вывод 6 ЛД 14 вентиль 11 ВМ 13 вывод 3 источник 1 и источник 1 вывод 2 секция 5.2 ЕН 5 вывод 6 ЕН 5 ЛД 14 вентиль 12 ВМ 13 вывод 4 источник 1 током i_C5.2 i₁₁ + i₁₂U_мл(sinωt)/(ωL) + U_мл[sin(ωt 240^о)/(ωL) через диодные вентили 11 и 12 ВМ 12 до максимального напряжения при 180^о составляющего U_сm5.2 U_сm5,2= i₁₁dt + i₁₂dt 2U_мл/[1-1/(4Q²)] + (i₁₁dt + + 1,5U_mл/[1-1/(4Q²)] 3,5U_mл/[1-1/(4Q²)]i₁₂dt 2U_mл/[1 1/(4Q²)] + 1,5U_мл/[1- 1/(4Q²)] 3,5 U_мл/[1 1/(4Q²)] (2) где С емкость секции 5.1 или 5.2; U_мл амплитуда линейных напряжений ТИПТ 1; Q Q /r /r добротность устройства при заряде секций 5.1 или 5.2 ЕН 5 через ЛД 8 или 14; r≈R_ЛИ + R_ЛД + R_Дв активное сопротивление системы при этом; остальные обозначения такие же как и в выражении (1).

В положительном полупериоде изменения линейного напряжения ТИПТ 1 (когда потенциал вывода 3 выше потенциала вывода 4 ток заряда всего ЕН 5 через два последовательно включенных линейных дросселя 8 и 14 по цепи: источник 1 вывод 3 вентиль 9 ВМ 13 ЛД 8 вывод 7 секция 5.1 ЕН 5 секция 5.2 ЕН 5 вывод 6 ЛД 14 вентиль 12 ВМ 13 вывод 4 источник 1 протекать не будет, так как диодные вентили 9 и 12 будут закрыты высоким обратным напряжением U_cm5.2 3.5 U_мл секции 5.2 ЕН 5, которое приблизительно в 3,5 раза больше приложенного к этой секции линейного напряжения U₃₄ с амплитудой U_мл.

В отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения U₂₃ ТИПТ 1 и со сдвигом на 60 эл.градусов при положительном полупериоде изменения линейного напряжения U₄₂ трехфазного источника 1 происходит квазирезонансный заряд первой (верхней по чертежу) секции 5.1 ЕН 5 через первый линейный дроссель 8 по цепям: источник 1 вывод 3 вентиль 9 ВМ 13 ЛД 8 вывод 7-секция 5.1 ЕН 5 вывод 2 источник 1 и источник 1 вывод 4 вентиль 10 ВМ 13 ЛД 8 вывод 7 секция 5.1 ЕН 5 вывод 2 источник 1 током i_c5.1 i₉ + i₁₀ U_мл(sin ωt)/(ωL) + U_мл[sin(ωt 240^o)]/(ωL) через диодные вентили 9 и 14 ВМ 13 до максимального напряжения при ωt 360 эл. градусов составляющего
U_cm5.1 U_cm5,1= i_odt + C₁₀dt 2U_mл/[1-1/(4Q²)] + i₉dt + + 1,5U_mл/[1-1/(4Q²)] 3,5U_mл/[1-1/(4Q²)] U_cm5,2 i₁₀dt 2U_mл/[1 1/(4Q²)] + 1,5U_mл/[1
-1/(4Q²)] 3,5 U_mл/[1 1/(4Q²)] U_cm5.2, и весь емкостной накопитель 5 зарядится при ωt 360 эл. градусов до максимального напряжения
U_зm U_cm5.1 + U_cm5.2 7U_mл/[1 1/(4Q²)]
(3)
В начале следующего накопительного полупериода изменения линейного напряжения U₂₃ ТИПТ 1 импульсный трансформатор управления открывает управляемый замыкающий коммутатор и происходит разряд емкостного накопителя 5 на импульсную нагрузку за время τ_ли много меньше длительности периода Т 1/f изменения линейного напряжения трехфазного источника 1 (τ_ли<< 1/f).

Затем следует описанный выше новый цикл заряда ЕН 5 и его разряд на импульсную нагрузку. И так далее циклически с частотой f изменения линейного напряжения U₂₃ ТИПТ 1.

Идеальный коэффициент использования трехфазного источника 1 переменного тока по мощности, под которым понимается, как правило, отношение средней мощности Р_ср ТИПТ 1 к его максимальной мощности Р_m при соединении фазовых обмоток 1.1, 1,2 и 1,3 по схеме "треугольник" составит К_ИИ Р_ср/Р_m ≈0,818.

Коэффициент мощности в предложенном устройстве имеет величину χ≈0,915.

КПД заряда секций 5.1 или 5.2 емкостного накопителя 5 через линейный дроссель 8 или 14 определяется следующим выведенным нами выражением: η_з= ≈ 0,98-0,99 ≈
≈0,98 0,99, (4) где τ_L= L/r постоянная времени устройства.

Практический коэффициент использования трехфазного источника 1 переменного тока по мощности, под которым (как принято) понимается отношение средней зарядной мощности ЕН 5 Р_зср СU_зm²f/4 к максимальной мощности Р_m ТИПТ 1, определяется следующим очевидным выражением
К_ИП= Р_зср/Р_m= К_ИИχη_з≈
≈0,818˙0,915˙0,985 ≈0,736. (5)
Максимальная установленная мощность самого тяжелого агрегата устройства (системы) трехфазного источника 1 переменного тока, например типа трехфазного трансформатора Р_m Р_зср/К_ИП 1,36 Р_зср, а его масса m_н m_тр α_трР_m, где α_тр- удельная масса трехфазного трансформатора практически не зависимая от его мощности, тем меньше, чем больше практический коэффициент использования ТИПТ 1 по мощности К_ИП. Для сравнения у прототипа (индекс ПР) практический коэффициент использования ТИПТ 1, фазовые обмотки которого всегда соединены по схеме "звезда", по мощности К_ИПпр К_ИПпр χ_прη_з= 0,75˙0,71˙0,985≈ ≈0,523 в 1,4 раза меньше, чем в предложенном устройстве, а максимальная установленная мощность ТИПТ Р_mпрР_зср/К_ИПпр ≈1,91Р_зср и масса трехфазного источника типа трансформатора m_Ипрm_трпр α_трР_mпр в 1,4 раз больше, чем в предложенном устройстве (системе).

Так как доля массы трехфазного источника 1 переменного тока в предложенной системе составляет ≈0,9 массы устройства m_пу (m_и m_тр ≈0,9 m_пу), а в прототипе 0,93 m_пр (m_трпр m_трпр ≈0,93 m_пр) то масса m_пу предложенного устройства будет в 1,36 раз меньше массы прототипа m_пр, а удельная мощность предложенного устройства W_рmP_зср/m_пу будет в 1,36 раз больше (лучше) чем в прототипе W_рmпр Р_зср/m_пр при одинаковой для обеих сопоставляемых систем средней зарядной мощности Р_зср емкостного накопителя 5.

Следовательно, такой удельный энергетический показатель как удельная мощность, в предложенном устройстве (системе) улучшается (увеличивается) в 1,36 раз по сравнению с прототипом путем уменьшения в 1,4 раз максимальной установленной мощности трехфазного источника 1 переменного тока за счет увеличения в 1,29 раз коэффициента мощности упомянутого источника и в 1,4 раз практического коэффициента использования его по мощности.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, содержащее трехфазный источник переменного тока с тремя линейными выводами, разделенный на две равные последовательно включенные секции, емкостный накопитель энергии с двумя выводами, точка соединения секций которого подключена к первому выводу трехфазного источника переменного тока, первый линейный дроссель и четыре диодных вентиля, отличающееся тем, что его первый, второй, третий и четвертый диодные вентили включены по схеме четырехплечего выпрямительного моста, а устройство дополнительно снабжено вторым линейным дросселем, включенным между отрицательным выходом выпрямительного моста и первым выводом емкостного накопителя, первый линейный дроссель включен между вторым выводом емкостного накопителя и положительным выходом выпрямительного моста, первый и второй входы которого подключены к второму и третьему выводам соответственно трехфазного источника переменного тока, причем индуктивность L₂ второго линейного дросселя равна индуктивности L₁ первого линейного дросселя и определяется выражением

где
C емкость любой из двух секций емкостного накопителя;
f частота изменения напряжений трехфазного источника переменного тока;
добротность устройства при заряде первой или второй секций емкостного накопителя через первый или второй линейные дроссели;
R_ли внутреннее линейное активное сопротивление трехфазного источника переменного тока;
R_лд активное сопротивление первого или второго линейного дросселя;
R_дв среднее значение сопротивления каждого диодного вентиля выпрямительного моста в проводящем направлении.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обмотки первого и второго линейных дросселей намотаны на общий сердечник, а начала этих обмоток подключены соответственно к положительному и отрицательному выходам выпрямительного моста.

РИСУНКИ

Рисунок 1